鋼板定尺機(jī)區(qū)域物料跟蹤原理及應(yīng)用

龍忠義

（華菱湘鋼五米寬厚板廠,湖南 湘潭 411100）

定尺機(jī)由電機(jī)通過(guò)減速機(jī)傳動(dòng)齒輪齒條傳動(dòng)使擋板小車前后移動(dòng)，移動(dòng)速度為0～1．3m/s，由一臺(tái)AC380V、30kW的調(diào)速電機(jī)進(jìn)行傳動(dòng)。對(duì)鋼板長(zhǎng)度進(jìn)行精確定位。定尺機(jī)擋板可進(jìn)行升降動(dòng)作，定尺機(jī)擋板下降到位后的位置到定尺剪下剪刃的距離是定尺機(jī)當(dāng)前的實(shí)際位置，也是定尺鋼板的實(shí)際長(zhǎng)度。定尺剪切完成后，定尺機(jī)氣缸動(dòng)作翻起擋板使鋼板通過(guò)。定尺機(jī)上裝載有一臺(tái)空壓機(jī)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(jī)移動(dòng)范圍設(shè)有最大最小極限位接近開(kāi)關(guān)，齒輪齒條移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用絕對(duì)值編碼器檢測(cè)實(shí)際位移。西門子S7-400 PLC具有運(yùn)行速度快、存儲(chǔ)容量大、I/O擴(kuò)展功能廣、集成通信能力強(qiáng)等特點(diǎn)；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(qū)動(dòng)系統(tǒng)，具有模塊化的設(shè)計(jì)、快速的從對(duì)從通訊方式和高速的驅(qū)動(dòng)接口DRIVECLiQ。因此，研究如何運(yùn)用西門子S7-400 PLC與SINAMICS S120傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在定尺機(jī)區(qū)域物料跟蹤的精確定位，對(duì)保護(hù)設(shè)備安全、提高定尺精度、加快生產(chǎn)節(jié)奏具有重要意義。

1 定尺機(jī)區(qū)域的設(shè)備布置概況

定尺剪出口裝配有出口測(cè)長(zhǎng)輥、擺動(dòng)輥道、L27輥道、L28輥道、L29輥道、定尺機(jī)等設(shè)備，分別在出口測(cè)長(zhǎng)輥、擺動(dòng)輥道、L27輥道、L28輥道、L29輥道后設(shè)置有檢測(cè)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(jī)移動(dòng)軌道安裝于出口輥道的兩側(cè)上方，定尺機(jī)本體橫跨輥道通過(guò)齒輪齒條傳動(dòng)在輥道上方移動(dòng)，定尺機(jī)移動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)移動(dòng)范圍內(nèi)的L27輥道、L28輥道、L29輥道的光柵信號(hào)造成干涉，從而影響該區(qū)域的物料跟蹤的精確定位。定尺機(jī)區(qū)域的設(shè)備布置如圖1所示。

圖1 定尺機(jī)區(qū)域的設(shè)備布置

定尺機(jī)的移動(dòng)對(duì)某個(gè)光柵干涉的影響范圍是在定尺機(jī)區(qū)域無(wú)鋼板時(shí)，將定尺機(jī)由最大位置開(kāi)往最小位置，當(dāng)光柵信號(hào)由0變?yōu)?時(shí)記錄下此時(shí)定尺機(jī)的具體位置即為影響某個(gè)光柵的最大位置，當(dāng)光柵信號(hào)再?gòu)?變?yōu)?時(shí)記錄下此時(shí)定尺機(jī)的具體位置即為影響某個(gè)光柵的最小位置，最大位置與最小位置組成的區(qū)域即為定尺機(jī)移動(dòng)或定位到某個(gè)位置時(shí)對(duì)某個(gè)光柵的遮擋范圍。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)得定尺機(jī)對(duì)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(jī)區(qū)域鋼板物料跟蹤的原理及應(yīng)用

2.1 定尺機(jī)區(qū)域電氣系統(tǒng)的主要配置

（1）自動(dòng)化系統(tǒng)配置。定尺剪PLC選用西門子S7-400系統(tǒng)，中央處理器選用CPU 416-2DP_4TS1，作為整個(gè)定尺剪設(shè)備的主站，將定尺剪主電機(jī)、定尺機(jī)橫移電機(jī)、定尺剪入出口輥道等傳動(dòng)設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程IO站作為DP從站連接到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)中，傳輸速率設(shè)為1．5Mbit/s，總線行規(guī)設(shè)定為DP，最高站地址使用缺省值126。在主從站的硬件組態(tài)窗口中分別設(shè)置主從站的站地址、主從站的發(fā)送與接收區(qū)的地址。Step7編程軟件采用CFC編程語(yǔ)言，使用功能塊SFC14和SFC15傳輸PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)中各站之間連續(xù)的數(shù)據(jù)：SFC14“DPRD_DAT”用于讀取DP標(biāo)準(zhǔn)從站的連續(xù)數(shù)據(jù)；SFC 15“DPWR_DAT”用于寫標(biāo)準(zhǔn)從站的連續(xù)數(shù)據(jù)。

（2）傳動(dòng)系統(tǒng)配置。定尺剪傳動(dòng)系統(tǒng)選用西門子SINAMICS S120傳動(dòng)，傳動(dòng)系統(tǒng)中的每個(gè)DP從站（控制單元為CU320）控制著調(diào)速電機(jī)的各逆變裝置。同一個(gè)DP從站（如定尺剪主電機(jī)）控制下的兩個(gè)逆變裝置同樣存在主從依存關(guān)系，它們之間直接通過(guò)S120傳動(dòng)的高速驅(qū)動(dòng)接口DRIVE-CLiQ網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)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(guān)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(shí)，以定尺剪入口機(jī)架輥?zhàn)鳛橹髡荆肟谄渌伒雷鳛樗膹恼荆划?dāng)鋼板到達(dá)出口擺動(dòng)輥道時(shí)，將擺動(dòng)輥道設(shè)定為主站，入出口輥道作為它的從站。本文研究的內(nèi)容只涉及不同DP從站間的主從控制，即PLC只給PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)中傳動(dòng)系統(tǒng)中的主站發(fā)送控制字和速度給定，接收其狀態(tài)字和實(shí)際值，而傳動(dòng)系統(tǒng)中的DP從站只接收來(lái)自PLC的控制字，不接收來(lái)自PLC的速度給定，傳動(dòng)系統(tǒng)中的DP從站接收來(lái)自DP主站傳動(dòng)逆變裝置的實(shí)際速度值作為自身的速度給定值，但其同樣需將狀態(tài)字和實(shí)際值發(fā)送給PLC。

2.2 物料跟蹤的頭部、尾部位置計(jì)算及描述

在自動(dòng)模式下，定尺剪每一個(gè)跟蹤區(qū)域只能存在一塊鋼板，即不允許存在一個(gè)跟蹤區(qū)內(nèi)有兩塊鋼板的情況。鋼板頭部位置是根據(jù)輥道實(shí)際速度進(jìn)行積分計(jì)算出來(lái)的鋼板頭部在輥道上的理論計(jì)算位置，每遇到輥道光柵時(shí)，就用輥道光柵離參考點(diǎn)的距離值對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。當(dāng)接收到新的定尺鋼板的長(zhǎng)度時(shí)，前一塊計(jì)數(shù)的鋼板頭部位置將清除。頭部跟蹤位置減去鋼板定尺長(zhǎng)度即為當(dāng)前跟蹤鋼板的尾部位置。

2.3 定尺機(jī)區(qū)域光柵模擬信號(hào)的選擇

由于定尺機(jī)在其移動(dòng)范圍內(nèi)行走時(shí)會(huì)遮擋相應(yīng)的光柵，定位完成后有可能一直遮擋住某個(gè)光柵，使光柵信號(hào)為1，而實(shí)際上對(duì)應(yīng)光柵的下方無(wú)鋼板，也就表明定尺機(jī)在某個(gè)光柵的遮擋范圍內(nèi)移動(dòng)或定位時(shí)，對(duì)應(yīng)的光柵信號(hào)對(duì)鋼板物料跟蹤檢測(cè)無(wú)效。為了保證鋼板在輥道上的物料跟蹤準(zhǔn)確及有效識(shí)別輥道上有無(wú)鋼板的信號(hào)，需要對(duì)定尺機(jī)移動(dòng)所在位置的光柵做模擬信號(hào)，而定尺機(jī)移動(dòng)或定位不遮擋的光柵就不需要進(jìn)行信號(hào)的模擬。在自動(dòng)模式下，判斷定尺機(jī)區(qū)域的L27輥道、L28輥道、L29輥道光柵是否需要進(jìn)行模擬，即判斷當(dāng)定尺機(jī)所處位置在6690～13710mm時(shí)，選擇對(duì)L27輥道光柵進(jìn)行模擬；當(dāng)定尺機(jī)所處位置在15250～22230mm時(shí)，選擇對(duì)L28輥道光柵進(jìn)行模擬；當(dāng)定尺機(jī)所處位置大于25870mm以上時(shí)選擇對(duì)L29輥道光柵進(jìn)行模擬。

2.4 光柵模擬信號(hào)的準(zhǔn)確檢測(cè)

當(dāng)根據(jù)定尺機(jī)所處位置選擇了相應(yīng)的輥道光柵進(jìn)行模擬后，所選模擬信號(hào)什么時(shí)候?yàn)?，什么時(shí)候?yàn)?，還需另外根據(jù)光柵離下剪刃的實(shí)際距離進(jìn)行計(jì)算與判斷。現(xiàn)以L27輥道光柵為例進(jìn)行說(shuō)明，當(dāng)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(shí)尾部跟蹤位置小于12300mm時(shí)，說(shuō)明鋼板正在L27輥道光柵的檢測(cè)范圍內(nèi)，此時(shí)選用模擬信號(hào)來(lái)表示L27輥道光柵檢測(cè)到有鋼信號(hào)，同時(shí)將此信號(hào)發(fā)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(xù)前進(jìn)，請(qǐng)求前一組輥道處于準(zhǔn)備接收鋼板的狀態(tài)。當(dāng)不能滿足鋼板頭部位置大于12300mm、尾部位置小于12300mm的條件時(shí)，L27輥道光柵信號(hào)即變?yōu)?。為了防止定尺機(jī)區(qū)域還存在鋼板，而開(kāi)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(zhǎng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，特將用于當(dāng)前跟蹤鋼板計(jì)算所用的定尺鋼板長(zhǎng)度切換的條件限制為只有檢測(cè)到定尺擋板下降到位信號(hào)后，才將下一塊鋼板的定尺長(zhǎng)度數(shù)據(jù)接收過(guò)來(lái)，這其中存在兩個(gè)主要邏輯：一為定尺機(jī)區(qū)域檢測(cè)到有鋼信號(hào)時(shí)，不允許定尺擋板下降；二為定尺機(jī)擋板檢測(cè)到下降到位信號(hào)，說(shuō)明鋼板已離開(kāi)定尺機(jī)區(qū)域，此時(shí)選用下一塊鋼板的定尺長(zhǎng)度數(shù)據(jù)來(lái)用于當(dāng)前跟蹤鋼板位置的計(jì)算是非常合理的，說(shuō)明定尺機(jī)已準(zhǔn)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(jī)擋板下降到位后，待定位的鋼板從定尺剪剪刃處開(kāi)始以高速前進(jìn)；當(dāng)鋼板頭部跟蹤位置到達(dá)離定尺機(jī)擋板位置小于2米時(shí)選用中速前進(jìn)；當(dāng)鋼板頭部跟蹤位置到達(dá)離定尺機(jī)擋板位置小于1．2米時(shí)選用低速緩慢靠近定尺擋板；當(dāng)定尺擋板發(fā)生輕微位移時(shí)，接近開(kāi)關(guān)將定位到位信號(hào)發(fā)送給PLC，定尺鋼板停止運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)精確定位，進(jìn)而等待定尺剪主剪進(jìn)行剪切。

3 結(jié)語(yǔ)

定尺機(jī)在定尺剪設(shè)備組成中處于非常關(guān)鍵的部分，直接關(guān)系到鋼板的定位精度、產(chǎn)品的非計(jì)劃率和成材率。在西門子S7-400 PLC及SINAMICS S120傳動(dòng)系統(tǒng)中，運(yùn)用先進(jìn)的物料跟蹤理論在某鋼中厚板廠定尺機(jī)區(qū)域得以成功應(yīng)用。定尺機(jī)區(qū)域的物料跟蹤巧妙地運(yùn)用了模擬信號(hào)跟蹤，解決了定尺機(jī)在行走或停留所在位置對(duì)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(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)保護(hù)設(shè)備安全、提高定尺精度、加快生產(chǎn)節(jié)奏具有重要意義。