智能堆垛控制技術(shù)研究及應(yīng)用

馬紅利， 王艷強(qiáng)， 王文忠

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司， 河北 唐山 063210）

某鋼廠熱軋產(chǎn)線橫切機(jī)組按照客戶需求將鋼卷剪切成為2～16 m 不同長度規(guī)格的定尺鋼板，鋼板途經(jīng)加速輥道加速運(yùn)輸，途徑堆垛機(jī)下方減速輥道減速，對(duì)中裝置對(duì)中后由真空吸盤吸附橫移至運(yùn)輸輥道進(jìn)行碼垛[1]。堆垛機(jī)控制系統(tǒng)采用的是西門子S7-400控制器和SIMOTION 控制系統(tǒng)，通過現(xiàn)場(chǎng)傳感器、編碼器測(cè)檢及計(jì)算板坯實(shí)際位置，能夠準(zhǔn)確地將板坯整體進(jìn)行碼垛。堆垛機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，影響著產(chǎn)線產(chǎn)能釋放，因此本文重點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行研究。

1 堆垛機(jī)系統(tǒng)組成及功能介紹

堆垛機(jī)由金屬橫梁結(jié)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)、真空泵裝置、真空吸盤、限速裝置、電氣控制裝置等組成。其主要功能是通過真空吸附的方式將剪切后的鋼板從輥道上吸起來，并將其送到鏈?zhǔn)竭\(yùn)輸機(jī)上的垛板臺(tái)進(jìn)行碼垛[2]。該系統(tǒng)由2 個(gè)獨(dú)立的真空堆垛機(jī)組成，每個(gè)堆垛機(jī)的長度為8 m。2 個(gè)堆垛機(jī)可聯(lián)合使用，可對(duì)8～16 m 長的定尺鋼板進(jìn)行碼垛。堆垛機(jī)采用西門子伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過SIMOTION 控制器內(nèi)置的驅(qū)動(dòng)集成功能（SINAMICS_Integrated）控制，為獲得良好的堆垛效果，需平穩(wěn)、高速地升降和碼放定尺鋼板，所有升降、橫移等動(dòng)作均采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。堆垛機(jī)在極具剛性的框架內(nèi)的線性導(dǎo)向系統(tǒng)中移動(dòng)。

1.1 堆垛機(jī)控制系統(tǒng)

堆垛機(jī)是橫切產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備，堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的工作效率、可靠性及穩(wěn)定性對(duì)于成品碼垛整齊狀況起著重要的作用。堆垛機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)堆垛機(jī)的直接控制和狀態(tài)記錄由PLC 完成，每個(gè)堆垛機(jī)控制系統(tǒng)均采用德國西門子公司S7-400 可編程控制器作為控制核心。該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)圖如圖1 所示。

圖1 堆垛機(jī)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

為了確保堆垛機(jī)安全、平穩(wěn)運(yùn)行，并提高系統(tǒng)的工作效率，需要解決如下關(guān)鍵技術(shù)：

1）堆垛機(jī)必須精準(zhǔn)地將鋼板放到指定的碼垛位置，為此，堆垛機(jī)控制系統(tǒng)選取西門子Simotion 伺服位置控制器。

2）速度控制：為了提高作業(yè)效率，要求堆垛機(jī)具有較高的運(yùn)行速度。同時(shí)，在板坯快速運(yùn)輸過程中，為了防止鋼坯表面因速度沖力導(dǎo)致鋼板與已成垛鋼板發(fā)生嚴(yán)重碰撞，造成表面缺陷問題，要求堆垛機(jī)在下降過程具有低速功能，故需進(jìn)行速度控制。

3）方向控制：由2 臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)真空堆垛完成橫移（X 方向）、升降（Z 方向）方向的運(yùn)動(dòng)控制。

1.2 堆垛機(jī)功能

堆垛機(jī)系統(tǒng)由2 個(gè)獨(dú)立的工作堆垛機(jī)組成，即SS1 與SS2，每個(gè)堆垛機(jī)的長度為8 m。SS1 與SS2 堆垛既可以單獨(dú)交替使用，又可以聯(lián)合使用，對(duì)于板長小于7.35 m 的定尺鋼板可以使用單組交替堆垛的模式。對(duì)8～16 m 長的定尺鋼板必須使用SS1+SS2 模式進(jìn)行碼堆。為了獲得良好的堆垛效果，高速、平穩(wěn)地進(jìn)行升降和放下定尺鋼板，所有諸如升降、橫移等動(dòng)作均采用伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。堆垛機(jī)在極具剛性的框架內(nèi)的線性導(dǎo)向系統(tǒng)中移動(dòng)，堆垛機(jī)結(jié)構(gòu)如下頁圖2 所示。

圖2 堆垛機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文主要研究使用單組堆垛機(jī)交替碼堆的控制方法。主要過程：依據(jù)鋼板的尺寸，自動(dòng)選擇真空吸盤的個(gè)數(shù)，真空吸盤將鋼板從輥道提起橫移至運(yùn)輸輥道進(jìn)行碼垛。只有與當(dāng)前運(yùn)輸鋼板的尺寸相匹配時(shí)，相應(yīng)位置的真空吸盤才能投入工作。將不同尺寸鋼板的線性移動(dòng)位置輸入到控制系統(tǒng)中。堆垛周期包括：抽真空吸附鋼板、提升、橫移、下降、放真空、提升、倒橫移、下降，堆垛機(jī)完成一次碼垛的流程如圖3 所示。

圖3 堆垛機(jī)一次交替碼垛流程圖

2 堆垛機(jī)常見故障及原因分析

依據(jù)顧客訂單要求，將不同數(shù)量鋼板堆成垛，在鋼板成垛后必須保持長度、寬度方向整齊、無參差。因此，堆垛機(jī)控制碼垛的長度及寬度兩個(gè)方向決定著鋼板成垛的質(zhì)量。

2.1 堆垛機(jī)碼垛長度方向控制

堆垛機(jī)碼垛長度方向的定位流程：堆垛機(jī)的檢測(cè)傳感器檢測(cè)到帶鋼后，PLC 在一個(gè)掃描周期內(nèi)采集到該點(diǎn)信息，向傳動(dòng)伺服控制器D445 發(fā)送減速命令。當(dāng)D445 控制器接收到減速命令后，立即根據(jù)速度閉環(huán)控制對(duì)減速輥道進(jìn)行減速，達(dá)到預(yù)定的速度，然后碰到活動(dòng)擋板，由此實(shí)現(xiàn)鋼板在長度方向的一致，以保證鋼板在長度方向上的堆垛質(zhì)量。

在日常生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼板進(jìn)入減速輥道后，D445 控制器對(duì)鋼板執(zhí)行減速后，鋼板撞擊擋板前，鋼板的速度不為0，尤其在高速生產(chǎn)時(shí)，鋼板對(duì)堆垛機(jī)的活動(dòng)擋板的沖擊非常大，存在反沖力，易被活動(dòng)擋板反彈出去，由于每塊鋼板的反彈距離不同，造成鋼板在長度方向的不一致，從而影響鋼板長度方向的碼垛質(zhì)量。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)光柵檢測(cè)信號(hào)通過PLC 發(fā)送至傳動(dòng)伺服控制器的響應(yīng)時(shí)間為17 ms，導(dǎo)致D445控制器執(zhí)行減速命令滯后，造成鋼板到達(dá)升降輥道后仍保留一定的速度。

2.2 堆垛機(jī)碼垛寬度方向控制

每組真空堆垛機(jī)有6 套對(duì)中裝置，共計(jì)12 套，均布置于堆垛機(jī)下方減速輥道之間。對(duì)中裝置功能是將成品定尺鋼板在寬度方向上進(jìn)行糾偏，以保證鋼板在寬度方向上一致，從而確保鋼板在寬度方向上的堆垛質(zhì)量。對(duì)中裝置主要驅(qū)動(dòng)單元為電機(jī)減速機(jī)，執(zhí)行單元是裝有車輪可沿著機(jī)架上輥道運(yùn)行的對(duì)中小車，對(duì)中小車上帶有立輥，用來實(shí)現(xiàn)鋼板的夾持糾偏。其工作原理為：通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)渦輪減速箱來帶動(dòng)裝有齒條的對(duì)中小車裝置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼板的夾持對(duì)中。對(duì)中控制采用位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，在鋼板運(yùn)輸過程中，通過兩側(cè)對(duì)中小車的共同作用，將在減速輥道上偏離輥道中心的帶鋼頭部平穩(wěn)地引導(dǎo)到堆垛機(jī)的中心線，并送入堆垛機(jī)，為了確保堆垛機(jī)碼垛整齊的控制，要求其控制過程穩(wěn)定。若對(duì)中裝置動(dòng)作不穩(wěn)定，會(huì)造成動(dòng)作超調(diào)（超出這對(duì)中極限設(shè)定），容易將帶鋼夾鼓，嚴(yán)重情況會(huì)損傷帶鋼邊部。鋼種不同、寬度不同、對(duì)中的短行程不同[3]，對(duì)堆垛及碼垛皆有直接影響，其工作狀況不良會(huì)產(chǎn)生卡鋼、堆垛參差不齊等問題。堆垛機(jī)下方的對(duì)中裝置結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 堆垛機(jī)下方的對(duì)中裝置

真空堆垛機(jī)下方的對(duì)中裝置主要通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)渦輪減速箱來帶動(dòng)裝有齒條的對(duì)中小車裝置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼板的夾持對(duì)中，因此，在對(duì)對(duì)中裝置進(jìn)行日常檢修后，需對(duì)伺服電機(jī)的編碼器進(jìn)行標(biāo)定。

每套對(duì)中裝置都有軟極限位設(shè)定值及硬極限位設(shè)定值，其中，軟極限位的設(shè)定值為2 210 mm，對(duì)中裝置歸基準(zhǔn)位置的條件是實(shí)際板寬+對(duì)中初始位設(shè)定值＜對(duì)中初始位補(bǔ)償值（軟極限值）；硬極限位是安裝在對(duì)中裝置傳動(dòng)側(cè)最小及最大位置的接近開關(guān)處，當(dāng)檢測(cè)到對(duì)中小車后，停止對(duì)中動(dòng)作。

在生產(chǎn)過程中，對(duì)中裝置中的齒條松弛會(huì)造成檢測(cè)對(duì)中裝置的最小位置接近開關(guān)檢測(cè)不到齒條，系統(tǒng)認(rèn)為小車已經(jīng)達(dá)到最小位極限而報(bào)警，使得對(duì)中裝置無法正常工作。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀察與多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)檢測(cè)對(duì)中裝置的IFM接近開關(guān)IM5124 的檢測(cè)距離僅為8 mm，當(dāng)齒輪松弛后即不能檢測(cè)到齒輪，進(jìn)而產(chǎn)生報(bào)警，使得鋼板在寬度方向上碼垛不齊、造成設(shè)備的非計(jì)劃停機(jī)。

2.3 影響堆垛機(jī)碼垛效果因素

因此，影響堆垛機(jī)碼垛效果的主要因素為鋼板進(jìn)減速輥道觸發(fā)減速命令的響應(yīng)時(shí)間及檢測(cè)對(duì)中裝置極限位置開關(guān)的精度。

3 控制策略優(yōu)化

3.1 碼垛長度方向優(yōu)化策略

因減速輥道減速點(diǎn)命令信號(hào)響應(yīng)時(shí)間較長（17 ms），導(dǎo)致鋼板在撞擊升降擋板后才停止運(yùn)動(dòng)，因產(chǎn)生的沖力不同而造成在長度方向碼垛的參差不齊。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，D445 控制器的掃描周期為1 ms＜17 ms，因此，決定更改檢測(cè)帶鋼光柵信號(hào)的傳輸路徑，使D445控制器直接采集現(xiàn)場(chǎng)檢查光柵信號(hào)，執(zhí)行減速命令，這可以提高從現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)光柵到D445 控制器的響應(yīng)時(shí)間，確保鋼板到達(dá)升降輥道后速度恰好為0，從而實(shí)現(xiàn)D445 控制器減速點(diǎn)的硬線改造。

3.2 碼垛寬度方向改進(jìn)

經(jīng)核實(shí)發(fā)現(xiàn)，檢測(cè)對(duì)中的IFM接小車極限位置接近開關(guān)IGS204 的檢測(cè)距離為8 mm，當(dāng)齒輪松弛后，檢測(cè)開關(guān)到凸起的齒輪皮帶的距離為18 mm，大于開關(guān)的檢測(cè)距離，因此，對(duì)中裝置會(huì)產(chǎn)生報(bào)警，進(jìn)而停車。

為此，此次對(duì)對(duì)中裝置檢測(cè)開關(guān)改進(jìn)的策略為選擇檢測(cè)距離大于18 mm 的開關(guān)，以確保可檢測(cè)到對(duì)中小車的齒輪齒條，這樣能滿足設(shè)備功能要求。

剪切生產(chǎn)線其他設(shè)備處檢測(cè)開關(guān)選用的SICK 接近開關(guān)IM18-20NPS 的檢測(cè)距離為20 mm，滿足上述要求。控制策略改進(jìn)后，堆垛機(jī)碼垛質(zhì)量如圖5 所示。

圖5 堆垛機(jī)碼垛質(zhì)量

4 結(jié)語

通過分析真空堆垛碼垛參差不齊的問題，優(yōu)化堆垛機(jī)減速輥道控制程序，改進(jìn)了對(duì)中裝置檢測(cè)設(shè)備，提高了堆垛機(jī)長度、寬度方向上的碼垛質(zhì)量。智能堆垛控制技術(shù)自實(shí)施至今，因碼垛參差不齊引起的質(zhì)量異議事件為零，提高了剪切線產(chǎn)品的合格率，為公司贏得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。