冷軋磨輥間全自動(dòng)無人裝載機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法

劉志

摘要：本文介紹了西門子SIMATIC$7-400PLC、$7-300PLC、SIMATICSS 120、MICROMASTER 420和SMC20等自動(dòng)化產(chǎn)品在國內(nèi)第一套冷軋磨輥間全自動(dòng)無人裝載機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用，從硬件的組態(tài)以及軟件實(shí)現(xiàn)的方法等方面敘述了系統(tǒng)對關(guān)鍵功能的實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：全自動(dòng)無人裝載機(jī);S120;自動(dòng)磨輥間;同步控制

一、項(xiàng)目簡介

鋼廠冷軋磨輥間主要承擔(dān)各軋機(jī)的工作輥/中間輥表面磨削和毛化等任務(wù)，其最重要的設(shè)備是工作輥/中間輥磨床和電火花打毛機(jī)床（EDT）。

為了滿足磨輥間對高質(zhì)量、高產(chǎn)量、高效益和低能耗的總體要求，減小軋輥在裝卸時(shí)對磨床的撞擊，提高軋輥磨削精度、降低磨床的故障率，一般在磨輥車間配備軋輥?zhàn)詣?dòng)裝載裝置。

上海寶信軟件股份有限公司智能裝備事業(yè)本部自主研發(fā)的軋輥全自動(dòng)無人裝載機(jī)全自動(dòng)實(shí)現(xiàn)了磨輥間軋輥上下磨床的工作，實(shí)現(xiàn)了工作區(qū)的自動(dòng)化和無人化、設(shè)備操作自動(dòng)運(yùn)行控制，建立了全自動(dòng)的安全的工作環(huán)境，提高設(shè)備的利用率，減輕了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。軋輥全自動(dòng)無人裝載機(jī)采用五軸伺服定位系統(tǒng)，自動(dòng)吊運(yùn)重量最大達(dá)10t的軋輥時(shí)其定位精度達(dá)到±2mm，大大減小了軋輥在裝卸時(shí)對磨床的撞擊，提高了磨輥的精度和質(zhì)量。

本項(xiàng)目是在寶鋼湛江2030及1550冷軋磨輥間，每個(gè)磨輥間選用1套（兩臺(tái)）磨輥間全自動(dòng)無人裝載裝置，負(fù)責(zé)磨輥間內(nèi)4臺(tái)軋輥磨床及1臺(tái)電火花打毛機(jī)床的自動(dòng)裝、卸軋輥（工作輥、中間輥）的工作。

二、工藝介紹

在磨輥車間規(guī)劃出磨床安放區(qū)間，各機(jī)床的前方設(shè)有二個(gè)單層軋輥支架為軋輥磨削等待緩沖輥架，一個(gè)為“待磨緩存輥架”、一個(gè)為“磨完緩存輥架”。操作工通過車間行車將待磨削的軋輥（工作輥、中間輥）吊入待磨輥存放區(qū)。全自動(dòng)無人裝載機(jī)根據(jù)磨輥間管理系統(tǒng)（RSMS）下發(fā)的生產(chǎn)計(jì)劃自動(dòng)由將待磨輥存放區(qū)內(nèi)的軋輥（或“待磨緩存輥架”）吊入機(jī)床的工作位置上，由機(jī)床自行完成磨削任務(wù)，當(dāng)軋輥磨削完成后，由全自動(dòng)無人裝載機(jī)將機(jī)床上的軋輥?zhàn)詣?dòng)卸下吊入成品輥存放區(qū)的輥架上（或“磨完緩存輥架”）。軋輥進(jìn)出自動(dòng)區(qū)域的吊運(yùn)由操作工通過車間行車完成，軋輥在自動(dòng)區(qū)域內(nèi)的吊運(yùn)由全自動(dòng)無人裝載機(jī)全自動(dòng)完成。

三、控制系統(tǒng)構(gòu)成

全自動(dòng)無人裝載機(jī)的控制系統(tǒng)包含地面主控系統(tǒng)和車載控制系統(tǒng)兩部分，分別描述如下。

1、地面主控系統(tǒng)

地面主控系統(tǒng)，如圖l所示，采用CPU414-2DP的CPU，在主機(jī)架上同時(shí)集成了I/O模塊和CP443-1模塊等。CP443-1負(fù)責(zé)同RSMS系統(tǒng)建立Ethernet-Connection，接收及發(fā)送地面系統(tǒng)設(shè)備相關(guān)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，同時(shí)負(fù)責(zé)和HMI服務(wù)器進(jìn)行通訊鏈接。由于磨輥間的磨床、EDT及全自動(dòng)無人裝載機(jī)都是獨(dú)立的DP網(wǎng)絡(luò)，相互之間的通訊速率及站地址也不盡相同，設(shè)備間跨越的距離也較遠(yuǎn)，因此我們采用西門子的DP/DP Coupler模塊來實(shí)現(xiàn)地面主控系統(tǒng)與各個(gè)地面系統(tǒng)設(shè)備之間的控制信號和狀態(tài)信號的數(shù)據(jù)信息的傳遞。

由地面主控系統(tǒng)STEP 7HW配置圖，如圖2所示，系統(tǒng)通過西門子ET-200M子站的形式與地面各類輥架、安全門和防護(hù)區(qū)信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。由于整個(gè)地面自動(dòng)化區(qū)域的范圍較廣，ET-200M的子站數(shù)量較多，因此我們選用有源背板總線，這樣可支持模板熱拔插而不會(huì)導(dǎo)致CPU停機(jī)。

2、車載控制系統(tǒng)

每套全自動(dòng)軋輥裝卸系統(tǒng)包含2臺(tái)全自動(dòng)無人裝載機(jī)，每臺(tái)全自動(dòng)無人裝載機(jī)都有自己獨(dú)立的車載控制系統(tǒng)。常規(guī)狀態(tài)下兩臺(tái)無人裝載機(jī)在各自劃分的區(qū)域中完成軋輥?zhàn)詣?dòng)裝卸任務(wù)（兩劃分區(qū)中間有一段重疊區(qū)間）;當(dāng)其中一臺(tái)故障或檢修時(shí)，另一臺(tái)能覆蓋整個(gè)封閉區(qū)域的軋輥?zhàn)詣?dòng)裝卸任務(wù)。

由于全自動(dòng)無人裝載機(jī)要求做到軋輥在磨床裝卸時(shí)輕起輕放，杜絕磨床因軋輥的撞擊而損壞精度，因此裝載機(jī)定位精度要求非常高，達(dá)到定位精度小于±2mm，為此車載控制系統(tǒng)的傳動(dòng)部分我們采用了SIEMENS SINAMICS五軸伺服定位控制系統(tǒng)，伺服驅(qū)動(dòng)和電機(jī)選擇了西門子S120書本型模塊和1FK7系列伺服電機(jī)。采用SINAMICS驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在電氣上保證了同步和定位的精度，可滿足梁上大車和地面大車的雙電機(jī)同步運(yùn)行要求。同時(shí)考慮到系統(tǒng)對位置精度的要求，我們在自帶編碼器的1FK7系列伺服電機(jī)的外部配置了絕對值編碼器，通過西門子SMC20編碼器信號轉(zhuǎn)換模塊直接把外置絕對值編碼器接入西門子S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

車載控制系統(tǒng)，如圖3所示，采用CPU315-2DP的CPU，在主機(jī)架上同時(shí)集成了I/O模塊和SM331模擬量輸入模塊等。車載控制系統(tǒng)的子站采用了西門子的ET-200S，它分布在全自動(dòng)無人裝載機(jī)的調(diào)寬機(jī)構(gòu)的端子盒里面，這樣大大節(jié)省布線。同時(shí)ET-200S相對于地面主控系統(tǒng)使用的ET-200M、ET-200S更加經(jīng)濟(jì)和靈活，在滿足同枠性能的同時(shí)也節(jié)省了更多的空間。

全自動(dòng)無人裝載機(jī)的吊具采用回旋式自鎖型夾鉗，由2臺(tái)西門子MM420采用端子控制驅(qū)動(dòng)渦輪蝸桿傳動(dòng)副。

由于裝載設(shè)備是無人全自動(dòng)運(yùn)行，為了監(jiān)視吊具鎖緊機(jī)構(gòu)及吊運(yùn)狀態(tài)，在兩側(cè)的定滑輪支座上裝有稱重儀壓力傳感器，我們使用西門子SM331模擬量輸入模塊來動(dòng)態(tài)測量兩根鋼絲繩的受力狀況，當(dāng)兩端鋼絲繩受力偏差大于設(shè)定閾值或測定力小于設(shè)定值時(shí)，升降機(jī)構(gòu)停止運(yùn)行，并聲光報(bào)警。同時(shí)我們在ET-200S上使用了6ES7134-4FB01-0AB02AI模擬量輸入模塊來讀取裝在吊具夾鉗兩端的SICK DT50測量的軋輥距離數(shù)據(jù)，當(dāng)軋輥兩端的距離偏差大干設(shè)定閾值或測定距離小于設(shè)定值時(shí)，升降機(jī)構(gòu)停止運(yùn)行，并報(bào)警告知軋輥傾斜。

由車載控制系統(tǒng)S7EP 7HW配置圖，如圖4所示，系統(tǒng)通過組態(tài)西門子Profibus總線的形式與SICK公司的激光測距儀DL100進(jìn)行通訊。

大車位置測量采用測距長度為300m兩個(gè)DL100激光測距儀，可以避免齒輪齒條傳動(dòng)隔帶來的故障率，減少分散驅(qū)動(dòng)控制的大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)可能發(fā)生的上下兩車的運(yùn)行位置超差問題。同時(shí)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的上下兩側(cè)均由各自的伺服電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)，推動(dòng)大車前后運(yùn)動(dòng)，采用電機(jī)后部的磁盤式抱閘進(jìn)行駐車制動(dòng)，減速機(jī)采用西門子減速機(jī)。大車上下電機(jī)采用主從關(guān)系進(jìn)行運(yùn)行控制，大車地面伺服電機(jī)作為主動(dòng)軸總是恒定速度運(yùn)行，大車梁上伺服電機(jī)從動(dòng)軸總是在跟隨在后，在運(yùn)行過程中根據(jù)大車上下位置差值進(jìn)行轉(zhuǎn)速補(bǔ)償。

（1）差值小于（+/-2mm）時(shí)，設(shè)定值不作補(bǔ)償。

（2）差值大于（+/-2mm）并小于（+/-10mm）時(shí)，對梁上大車設(shè)定值進(jìn)行補(bǔ)償。

（3）差值大于（+/-10mm）時(shí)，報(bào)警（停機(jī)）并將設(shè)定值清零。

轉(zhuǎn)速補(bǔ)償控制程序示例如圖5所示。

四、控制系統(tǒng)完成的功能

1、地面主控系統(tǒng)完成的功能

（1）地面各類輥架、安全門、各防護(hù)分區(qū)信號（DI）監(jiān)控。

（2）地面各安全門指示燈信號（DO）監(jiān)控。

（3）與四臺(tái)磨床和一臺(tái)電火花毛化設(shè)備的聯(lián)鎖信號交換。

（4）主控HMI上各類狀態(tài)顯示輸出。

（5）主控HMI上各類控制命令和軋輥數(shù)據(jù)接收。

（6）l#及2#裝載機(jī)各類設(shè)備狀態(tài)接收。

（7）l#及2#裝載機(jī)各類運(yùn)行命令輸出。

（8）1#及2#裝載機(jī)各軸定位距離命令輸出。

由磨床與Loader通訊DB塊示例圖，如圖6所示，系統(tǒng)通過DP/DP Coupler進(jìn)行交換的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括了二者之間的連鎖信號及狀態(tài)信號等。

2、車載控制系統(tǒng)完成的功能

（1）向地面主控PLC發(fā)送車載各設(shè)備狀態(tài)。

（2）接收地面主控PLC發(fā)送的運(yùn)行命令及定位距離命令。

（3）車載各安全門、防撞、限位（DI）信號監(jiān)控及（DO）輸出。

（4）大車、小車、升降、調(diào)寬位置實(shí)際值采集及定位控制。

（5）采集車載各變頻、伺服設(shè)備的狀態(tài)和控制它們的運(yùn)行。

（6）無線手動(dòng)遙控控制。

（7）設(shè)備的自動(dòng)步控制。

在大車、小車、升降和調(diào)寬位置實(shí)際值采集及定位控制的S120系統(tǒng)調(diào)試時(shí)候，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)速度環(huán)點(diǎn)動(dòng)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)很好，但位置環(huán)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)速度不穩(wěn)現(xiàn)象，可以通過對位置環(huán)的Kp（P2538）進(jìn)行調(diào)整，通常減小Kp值，速度會(huì)趨于穩(wěn)定但同時(shí)栢應(yīng)變慢（帶來速度上升和下降的斜率時(shí)間加長）;反之加大Kp值，速度易波動(dòng)，是因?yàn)橄鄳?yīng)變快（帶來速度上升和下降的斜率時(shí)間縮短），因此位置環(huán)的Kp（P2538）該值很重要，需要根據(jù)不同的負(fù)載和工況進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整在：Technology→Position control→Positioncontroller畫面中，如圖7-11所示。

（1）Kp：3.0Tn72ms。

大車、小車、升降和調(diào)寬等伺服系統(tǒng)在調(diào)試時(shí)候需要不斷觀察和記錄運(yùn)行曲線，不同機(jī)構(gòu)對驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行曲線的要求也不盡相同，調(diào)試過程中記錄的運(yùn)行曲線，如圖12所示。

3、HMI系統(tǒng)完成的功能

冷軋磨輥間地面HMI系統(tǒng)的主要任務(wù)就是與磨輥間地面主控系統(tǒng)一起配合對磨輥間庫區(qū)進(jìn)行監(jiān)控和管理，編程語言采用目前在工業(yè)智能制造領(lǐng)域使用較多的微軟C#編寫。冷軋磨輥間地面HMI系統(tǒng)具備部分MES系統(tǒng)的功能，涉及的范圍為：

（1）監(jiān)控磨輥間栢關(guān)設(shè)備狀態(tài)。

（2）編制操作人員發(fā)送的指令。

（3）記錄和顯示當(dāng)前系統(tǒng)故障。

（4）管理系統(tǒng)參數(shù)。

（5）自動(dòng)步顯示。

（6）Loader工作模式切換。

冷軋磨輥間地面HMI系統(tǒng)的總體功能層次圖，如圖13所示。

冷軋磨輥間地面HMI系統(tǒng)的主畫面示意圖，如圖14所示。

冷軋磨輥間地面HMI系統(tǒng)控制中根據(jù)庫區(qū)信息規(guī)劃自動(dòng)生成吊運(yùn)指令功能示例，如圖15所示。

冷軋磨輥間地面系統(tǒng)的庫區(qū)規(guī)劃的目標(biāo)函數(shù)的約束條件涉及工藝約束及設(shè)備約束等，如軋輥堆放涉及的輥種、直徑和重量等，目前系統(tǒng)已經(jīng)支持的全自動(dòng)吊運(yùn)軋輥類型包括1550酸扎中間輥ZBZI、1550酸扎工作輥ZBZW、1550連退工作輥ZBPW、1550連退中間輥ZBPI、1550鍍鋅工作輥ZBGW、2030鍍鋅工作輥AGW、2030酸扎工作輥AZW、2030連退中間輥API和2030連退工作輥APW，共9種。設(shè)備約束主要指不同廠家的磨床（特別是可以磨削支撐輥的萬能磨床）或EDT等設(shè)備，這些設(shè)備由于工作方式及設(shè)備尺寸的不同會(huì)對Auto Loader在吊運(yùn)和軋輥鞍座規(guī)劃產(chǎn)生一定的設(shè)備約束。

五、結(jié)論

項(xiàng)目于2016年11月上線運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行良好穩(wěn)定，設(shè)備總圖，如圖16所示。國內(nèi)第一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的冷軋2030磨輥間全自動(dòng)無人裝載機(jī)在寶鋼湛江的順利應(yīng)用，引起了國內(nèi)業(yè)界的高度關(guān)注。2017年6月冷軋1550磨輥間全自動(dòng)無人裝載機(jī)也順利投入使用。采用不同類型的自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)及控制產(chǎn)品，在項(xiàng)目集成的過程中，我們搭建了一個(gè)可靠強(qiáng)壯的軟硬件系統(tǒng)。