鋼板定尺機區域物料跟蹤原理及應用

龍忠義

（華菱湘鋼五米寬厚板廠,湖南 湘潭 411100）

定尺機由電機通過減速機傳動齒輪齒條傳動使擋板小車前后移動，移動速度為0～1．3m/s，由一臺AC380V、30kW的調速電機進行傳動。對鋼板長度進行精確定位。定尺機擋板可進行升降動作，定尺機擋板下降到位后的位置到定尺剪下剪刃的距離是定尺機當前的實際位置，也是定尺鋼板的實際長度。定尺剪切完成后，定尺機氣缸動作翻起擋板使鋼板通過。定尺機上裝載有一臺空壓機和電磁閥，用于給定尺擋板升降氣缸及抱閘供氣，氣缸工作壓力為0．6MPa。定尺機移動范圍設有最大最小極限位接近開關，齒輪齒條移動機構采用絕對值編碼器檢測實際位移。西門子S7-400 PLC具有運行速度快、存儲容量大、I/O擴展功能廣、集成通信能力強等特點；西門子SINAMICS S120是集V/F控制、矢量控制、伺服控制為一體的多軸驅動系統，具有模塊化的設計、快速的從對從通訊方式和高速的驅動接口DRIVECLiQ。因此，研究如何運用西門子S7-400 PLC與SINAMICS S120傳動系統，實現在定尺機區域物料跟蹤的精確定位，對保護設備安全、提高定尺精度、加快生產節奏具有重要意義。

1 定尺機區域的設備布置概況

定尺剪出口裝配有出口測長輥、擺動輥道、L27輥道、L28輥道、L29輥道、定尺機等設備，分別在出口測長輥、擺動輥道、L27輥道、L28輥道、L29輥道后設置有檢測鋼板的光柵，這些光柵離定尺剪下剪刃的距離分別為：1030mm、5150mm、12300mm、20780mm、30780mm。定尺機移動軌道安裝于出口輥道的兩側上方，定尺機本體橫跨輥道通過齒輪齒條傳動在輥道上方移動，定尺機移動時會對移動范圍內的L27輥道、L28輥道、L29輥道的光柵信號造成干涉，從而影響該區域的物料跟蹤的精確定位。定尺機區域的設備布置如圖1所示。

圖1 定尺機區域的設備布置

定尺機的移動對某個光柵干涉的影響范圍是在定尺機區域無鋼板時，將定尺機由最大位置開往最小位置，當光柵信號由0變為1時記錄下此時定尺機的具體位置即為影響某個光柵的最大位置，當光柵信號再從1變為0時記錄下此時定尺機的具體位置即為影響某個光柵的最小位置，最大位置與最小位置組成的區域即為定尺機移動或定位到某個位置時對某個光柵的遮擋范圍。經現場實際測得定尺機對L27輥道、L28輥道、L29輥道光柵的遮擋范圍分別為：6690～13710mm、15250～22230mm、25870mm以上。

2 定尺機區域鋼板物料跟蹤的原理及應用

2.1 定尺機區域電氣系統的主要配置

（1）自動化系統配置。定尺剪PLC選用西門子S7-400系統，中央處理器選用CPU 416-2DP_4TS1，作為整個定尺剪設備的主站，將定尺剪主電機、定尺機橫移電機、定尺剪入出口輥道等傳動設備及現場遠程IO站作為DP從站連接到PROFIBUS-DP網絡中，傳輸速率設為1．5Mbit/s，總線行規設定為DP，最高站地址使用缺省值126。在主從站的硬件組態窗口中分別設置主從站的站地址、主從站的發送與接收區的地址。Step7編程軟件采用CFC編程語言，使用功能塊SFC14和SFC15傳輸PROFIBUS-DP網絡中各站之間連續的數據：SFC14“DPRD_DAT”用于讀取DP標準從站的連續數據；SFC 15“DPWR_DAT”用于寫標準從站的連續數據。

（2）傳動系統配置。定尺剪傳動系統選用西門子SINAMICS S120傳動，傳動系統中的每個DP從站（控制單元為CU320）控制著調速電機的各逆變裝置。同一個DP從站（如定尺剪主電機）控制下的兩個逆變裝置同樣存在主從依存關系，它們之間直接通過S120傳動的高速驅動接口DRIVE-CLiQ網絡進行數據交換。不同DP從站（如定尺剪入出口各輥道）之間的逆變裝置同樣也存在主從依存關系，并且這種主站從站存在切換的需要，如鋼板在定尺剪入口時，以定尺剪入口機架輥作為主站，入口其它輥道作為它的從站；當鋼板到達出口擺動輥道時，將擺動輥道設定為主站，入出口輥道作為它的從站。本文研究的內容只涉及不同DP從站間的主從控制，即PLC只給PROFIBUS-DP網絡中傳動系統中的主站發送控制字和速度給定，接收其狀態字和實際值，而傳動系統中的DP從站只接收來自PLC的控制字，不接收來自PLC的速度給定，傳動系統中的DP從站接收來自DP主站傳動逆變裝置的實際速度值作為自身的速度給定值，但其同樣需將狀態字和實際值發送給PLC。

2.2 物料跟蹤的頭部、尾部位置計算及描述

在自動模式下，定尺剪每一個跟蹤區域只能存在一塊鋼板，即不允許存在一個跟蹤區內有兩塊鋼板的情況。鋼板頭部位置是根據輥道實際速度進行積分計算出來的鋼板頭部在輥道上的理論計算位置，每遇到輥道光柵時，就用輥道光柵離參考點的距離值對其進行校準。當接收到新的定尺鋼板的長度時，前一塊計數的鋼板頭部位置將清除。頭部跟蹤位置減去鋼板定尺長度即為當前跟蹤鋼板的尾部位置。

2.3 定尺機區域光柵模擬信號的選擇

由于定尺機在其移動范圍內行走時會遮擋相應的光柵，定位完成后有可能一直遮擋住某個光柵，使光柵信號為1，而實際上對應光柵的下方無鋼板，也就表明定尺機在某個光柵的遮擋范圍內移動或定位時，對應的光柵信號對鋼板物料跟蹤檢測無效。為了保證鋼板在輥道上的物料跟蹤準確及有效識別輥道上有無鋼板的信號，需要對定尺機移動所在位置的光柵做模擬信號，而定尺機移動或定位不遮擋的光柵就不需要進行信號的模擬。在自動模式下，判斷定尺機區域的L27輥道、L28輥道、L29輥道光柵是否需要進行模擬，即判斷當定尺機所處位置在6690～13710mm時，選擇對L27輥道光柵進行模擬；當定尺機所處位置在15250～22230mm時，選擇對L28輥道光柵進行模擬；當定尺機所處位置大于25870mm以上時選擇對L29輥道光柵進行模擬。

2.4 光柵模擬信號的準確檢測

當根據定尺機所處位置選擇了相應的輥道光柵進行模擬后，所選模擬信號什么時候為1，什么時候為0，還需另外根據光柵離下剪刃的實際距離進行計算與判斷。現以L27輥道光柵為例進行說明，當鋼板的頭部跟蹤位置大于L27輥道光柵距下剪刃的距離12300mm，同時尾部跟蹤位置小于12300mm時，說明鋼板正在L27輥道光柵的檢測范圍內，此時選用模擬信號來表示L27輥道光柵檢測到有鋼信號，同時將此信號發送到前后輥道控制的程序控制塊，不允許后一組輥道上鋼板繼續前進，請求前一組輥道處于準備接收鋼板的狀態。當不能滿足鋼板頭部位置大于12300mm、尾部位置小于12300mm的條件時，L27輥道光柵信號即變為0。為了防止定尺機區域還存在鋼板，而開始剪切下一塊鋼板的頭部或試樣后，將需要剪切的下一塊鋼板的定尺長度數據進行更新，特將用于當前跟蹤鋼板計算所用的定尺鋼板長度切換的條件限制為只有檢測到定尺擋板下降到位信號后，才將下一塊鋼板的定尺長度數據接收過來，這其中存在兩個主要邏輯：一為定尺機區域檢測到有鋼信號時，不允許定尺擋板下降；二為定尺機擋板檢測到下降到位信號，說明鋼板已離開定尺機區域，此時選用下一塊鋼板的定尺長度數據來用于當前跟蹤鋼板位置的計算是非常合理的，說明定尺機已準備好用于下一塊鋼板的定尺定位。

2.5 定尺擋板下降到位后的物料跟蹤定位

定尺機擋板下降到位后，待定位的鋼板從定尺剪剪刃處開始以高速前進；當鋼板頭部跟蹤位置到達離定尺機擋板位置小于2米時選用中速前進；當鋼板頭部跟蹤位置到達離定尺機擋板位置小于1．2米時選用低速緩慢靠近定尺擋板；當定尺擋板發生輕微位移時，接近開關將定位到位信號發送給PLC，定尺鋼板停止運行，實現精確定位，進而等待定尺剪主剪進行剪切。

3 結語

定尺機在定尺剪設備組成中處于非常關鍵的部分，直接關系到鋼板的定位精度、產品的非計劃率和成材率。在西門子S7-400 PLC及SINAMICS S120傳動系統中，運用先進的物料跟蹤理論在某鋼中厚板廠定尺機區域得以成功應用。定尺機區域的物料跟蹤巧妙地運用了模擬信號跟蹤，解決了定尺機在行走或停留所在位置對光柵的影響。這整套模擬物料跟蹤的解決方案可推廣到其它類似應用場合，對保護設備安全、提高定尺精度、加快生產節奏具有重要意義。