引言 隨著自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展，PLC、現(xiàn)場總線和全數(shù)字測量傳動(dòng)裝置在銅帶材冷軋機(jī)的控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，使得系統(tǒng)安裝、調(diào)試及維護(hù)工作量大大減少，控制精度和自動(dòng)化程度越來越高，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到大幅度提升。同時(shí)，隨著銅板帶材產(chǎn)品競爭的日益激烈，對軋機(jī)控制系統(tǒng)的要求也在逐漸發(fā)生變化，在提高設(shè)備自動(dòng)化程度和控制精度的前提下，要求實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化和進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。因此，控制系統(tǒng)的模塊化、網(wǎng)絡(luò)化已是發(fā)展的必然趨勢。 2 銅帶材冷軋機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖1是某有色金屬加工廠設(shè)計(jì)改造的一臺(tái)銅冷軋機(jī)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。該系統(tǒng)采用了三層網(wǎng)絡(luò)控制方案，最底層為現(xiàn)場設(shè)備級網(wǎng)絡(luò)，中間為環(huán)形對等網(wǎng)絡(luò)，最上面是工業(yè)以太網(wǎng)。 圖1 銅帶材冷軋機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 在本系統(tǒng)中，為了控制的方便性，在現(xiàn)場設(shè)置了多個(gè)遠(yuǎn)程IO子站。每個(gè)操作臺(tái)的按鈕、指示燈等直接接入各自臺(tái)內(nèi)的遠(yuǎn)程子站，現(xiàn)場的檢測元件和電動(dòng)執(zhí)行元件就近接入附近的現(xiàn)場控制箱。這些遠(yuǎn)程IO通過現(xiàn)場以通訊的方式連入主控室內(nèi)的PLC主站。遠(yuǎn)程IO的通訊介質(zhì)為屏蔽絞線，通信速率為2.5Mbit/s。采用遠(yuǎn)程IO方式，不但減少了電纜用量，同時(shí)也更加便于維護(hù)，減少了生產(chǎn)輔助時(shí)間。 軋機(jī)的控制系統(tǒng)包括6臺(tái)PLC和1個(gè)觸摸屏式操作屏。每臺(tái)PLC均各自構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，分別控制AGC（自動(dòng)厚度控制）、AFC（自動(dòng)軋力控制）、傳動(dòng)系統(tǒng)和輔助系統(tǒng);觸摸屏式操作屏放置在主操作臺(tái)。為了使這些獨(dú)立的控制系統(tǒng)更好地成為一個(gè)整體，設(shè)置了環(huán)形對等網(wǎng)，將6臺(tái)PLC鏈接到同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。在網(wǎng)絡(luò)中，各個(gè)PLC讀取所需要的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)施共享。通訊介質(zhì)為光纖，通訊速率為10Mbit/s。 三層網(wǎng)絡(luò)的最頂層是與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相連接的工業(yè)以太網(wǎng)，PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊連接。在環(huán)形對等網(wǎng)上的6臺(tái)PLC中，輔助系統(tǒng)PLC上設(shè)置了以太網(wǎng)接口板，這臺(tái)PLC從對等網(wǎng)收取所有需要發(fā)送的運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行分類打包處理，發(fā)送給工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將一級系統(tǒng)發(fā)送來的數(shù)據(jù)解包，進(jìn)行運(yùn)算處理，再將需要的數(shù)據(jù)發(fā)送回輔助系統(tǒng)PLC，其他PLC通過對等網(wǎng)讀取各自需要的數(shù)據(jù)。 為了方便操作手對工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的使用，在主操作臺(tái)設(shè)置了一臺(tái)HMI（人機(jī)界面），供操作手查看工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中與操作相關(guān)的數(shù)據(jù)，同時(shí)可以對權(quán)限內(nèi)的一些內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置與修改。另外，還設(shè)了一套工程師站，用于整個(gè)控制系統(tǒng)的本地維護(hù)，必要時(shí)也可以接上網(wǎng)絡(luò)或電話線，對現(xiàn)場進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)。HMI和工程師站都連接在以太網(wǎng)上，通訊介質(zhì)是標(biāo)準(zhǔn)5類線，RJ45接頭，通訊速率為100Mbit/s。 3 底層PLC控制系統(tǒng) 3.1 速度控制 軋機(jī)控制的核心是板形和厚度控制。要達(dá)到良好的板形和保證可接受的厚度公差，軋機(jī)就必須保證良好的速度、張力的穩(wěn)定性。在控制方式上，主機(jī)為速度控制，給整個(gè)軋機(jī)提供穩(wěn)定的線速度基準(zhǔn)。開卷機(jī)和卷取機(jī)為恒張力控制。 速度設(shè)定由主操作手在操作臺(tái)控制，數(shù)據(jù)發(fā)送到PLC處理后傳送各個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)。速度設(shè)定是以主機(jī)為線速度基準(zhǔn)速度，通過設(shè)定工作輥的直徑與減速箱的減速比，從而給出電機(jī)的轉(zhuǎn)速給定值。根據(jù)控制功能，速度設(shè)定有正反向點(diǎn)動(dòng)功能，用于故障處理;穿帶速度設(shè)定，用于生產(chǎn)前軋機(jī)穿帶;軋機(jī)線速度設(shè)定，用于正常軋制。按照線速度相等的原則以轉(zhuǎn)速的形式分配給各傳動(dòng)系統(tǒng)，其中要考慮前后滑系數(shù)的成分。 3.2 張力控制 張力控制在整個(gè)軋機(jī)控制中至關(guān)重要。因系統(tǒng)中未配備張力計(jì)，所以采用了間接張力控制方式。 就卷取機(jī)系統(tǒng)而言，若忽略電動(dòng)機(jī)的空載損耗，則有如下關(guān)系: MD=CM∮I=FD/2i 式中:MD為電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩;∮為電動(dòng)機(jī)磁通;I為電動(dòng)機(jī)額定電流;CM為機(jī)電時(shí)間常數(shù);F為卷取機(jī)張力;D為卷徑;i為機(jī)械減速比。由此可知，卷取機(jī)的張力控制可以近似看成轉(zhuǎn)矩控制。而要保證張力控制的精度和穩(wěn)定性，在就要獲得兩個(gè)重要的變量:線速度和卷徑。 （1） 線速度的測量 通過PLC系統(tǒng)讀取卷取機(jī)前的偏導(dǎo)輥上的脈沖編碼器進(jìn)行計(jì)算而獲得的。是卷徑計(jì)算需要的一個(gè)重要變量。轉(zhuǎn)速測量的精度與脈沖編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)及采樣時(shí)間有關(guān)，在轉(zhuǎn)速恒定的情況下，脈沖編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)越多，采樣時(shí)間越長，測量精度越高。 （2） 卷徑計(jì)算 卷徑計(jì)算有線速度法和直接測量法兩種，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)直接測量法比較穩(wěn)定和精確。一般采用超聲波測距儀或激光測距儀，其中激光測距儀可以達(dá)到很高的測量精度和穩(wěn)定性，完全可以滿足卷徑測量的需要。 在間接張力控制中，為保證張力控制的準(zhǔn)確性，要充分考慮卷取機(jī)在加減速過程中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及機(jī)械本身固有的摩擦力對轉(zhuǎn)矩的影響。因此，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了加減速和摩擦轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償量即為轉(zhuǎn)矩預(yù)控值與轉(zhuǎn)矩設(shè)定值疊加，作為卷取機(jī)系統(tǒng)的合力矩，對卷取機(jī)進(jìn)行控制。 3.3 入口上卷原理 入口上卷自動(dòng)的關(guān)鍵是卷材卷徑和寬度的測量精度。在小車輥道上安裝了一套對射式的光電開關(guān)，配合小車升降機(jī)上的脈沖編碼器實(shí)現(xiàn)卷材卷徑的測量，在小車行走輥道的側(cè)面基礎(chǔ)上安裝了另一套對射式的光電開關(guān)，配合小車行走方向的脈沖編碼器完成卷材寬度的測量。 上卷自動(dòng)的起點(diǎn)是卷材儲(chǔ)運(yùn)軌道，小車搭載著卷材離開儲(chǔ)運(yùn)輥道后向前行進(jìn)，到升降位置時(shí)小車停止同時(shí)小車升降機(jī)開始下降，在下降的過程中利用第一套光電開關(guān)和脈沖編碼器的配合測量了卷材的卷徑。小車下降到下極限后，繼續(xù)向前行進(jìn)，行進(jìn)過程中利用第二套光電開關(guān)和脈沖編碼器測量出了卷材寬度。當(dāng)小車行進(jìn)到等待位置時(shí)停止，根據(jù)測量的卷材卷徑小車通過升降動(dòng)作對中卷材中心，完成后根據(jù)測量的卷材寬度向前繼續(xù)行進(jìn)對正卷材寬度中心點(diǎn)。這樣卷材就被自動(dòng)放置在開卷卷軸上了。 另外還有上卸套筒自動(dòng)，卸卷自動(dòng)等。 3.4 軋制力閉環(huán)AFC原理 軋制力閉環(huán)控制系統(tǒng)由AutoMax系統(tǒng)、伺服閥放大器、伺服閥、油缸及壓力傳感器等環(huán)節(jié)組成，其工作原理為:當(dāng)軋制力設(shè)定信號加入該系統(tǒng)的輸入端時(shí)，由于此時(shí)工作輥并未接觸，故軋制力反饋信號為零，系統(tǒng)偏差既等于輸入信號，在此偏差信號作用下，油缸迅速動(dòng)作，起動(dòng)軋輥向上移動(dòng)，直到工作輥互相接觸，靠實(shí)產(chǎn)生軋制力。當(dāng)實(shí)際軋制力隨著軋輥的繼續(xù)上壓而增加到等于設(shè)定值時(shí)，油缸停止移動(dòng)，使實(shí)際軋制力等于設(shè)定值保持不變。 AFC只有在軋輥壓靠進(jìn)行輥縫清零操作或做為平整時(shí)才使用，正常軋制時(shí)，AFC將被切除。 3.5 張力AGC控制原理（T-AGC） 當(dāng)出口厚度小于0.5mm并接近0.1mm時(shí)，由于軋輥壓扁影響的增加及帶材寬度以外的工作輥之間開始接觸，導(dǎo)致軋制力對厚度的作用減小，而軋機(jī)速度及入口張力對厚度的影響逐漸增大，最終在鋁板軋制過程中起主導(dǎo)作用。張力AGC是通過調(diào)節(jié)張力來改變板帶的塑性系數(shù)的大小來實(shí)現(xiàn)厚度調(diào)節(jié)的。 3.6 速度AGC控制原理（S-AGC） 速度AGC是通過速度調(diào)節(jié)來改變板帶摩擦系數(shù)的大小來實(shí)現(xiàn)厚度控制的。 4 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 在軋機(jī)的控制系統(tǒng)中，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)起著十分重要的作用。以往，國內(nèi)銅帶軋機(jī)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要偏重于系統(tǒng)的監(jiān)視，其主要功能為故障顯示與記錄、主要運(yùn)行參數(shù)記錄、實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示與監(jiān)控、設(shè)定內(nèi)容打印等。隨著生產(chǎn)廠家對自動(dòng)化程度要求的不斷提高，尤其是全自動(dòng)軋制概念的引入，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必須具有更加完善的功能。 全自動(dòng)軋制是指輸入來料卷材及產(chǎn)品數(shù)據(jù)后自動(dòng)生成軋制表，自動(dòng)按照軋制表進(jìn)行各道次軋制，軋機(jī)可自動(dòng)進(jìn)行加減速，并且通過參數(shù)自學(xué)習(xí)可不斷改善軋制參數(shù)。自動(dòng)軋制的實(shí)現(xiàn)大大減少了手動(dòng)操作，減少了人為因素對生產(chǎn)過程的影響。 項(xiàng)目設(shè)計(jì)改造的這臺(tái)銅帶材冷軋機(jī)，采用了完善的自動(dòng)化設(shè)計(jì)，配合工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)軋制。其工藝流程如圖2所示。 圖2 軋制過程流程圖 軋機(jī)的操作有手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式。手動(dòng)操作方式，功能與以往的軋機(jī)不同，手動(dòng)單步實(shí)現(xiàn)軋制過程的所有操作。本設(shè)計(jì)中，手動(dòng)操作方式作為自動(dòng)軋機(jī)的備用功能。自動(dòng)操作方式可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上卷、自動(dòng)上套筒、自動(dòng)穿帶準(zhǔn)備、穿帶自動(dòng)控制、自動(dòng)軋制、自動(dòng)料尾處理、自動(dòng)卸卷及自動(dòng)卸套筒等。生產(chǎn)中，操作手根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，啟動(dòng)相應(yīng)的過程自動(dòng)控制程序，設(shè)備即可按照預(yù)定程序進(jìn)行工作，不需要過多的人工操作。生產(chǎn)過程中可隨時(shí)進(jìn)行一定的手工干預(yù)，并且可隨時(shí)由自動(dòng)狀態(tài)切換到手動(dòng)狀態(tài)。 （1） 實(shí)時(shí)采集軋制數(shù)據(jù) 實(shí)施采集板形、厚度、軋制速度、升降速時(shí)間點(diǎn)以及開卷機(jī)、卷取機(jī)、主機(jī)的電機(jī)運(yùn)行參數(shù)等。 （2） 軋制數(shù)據(jù)分析 將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合整理，以曲線和列表的方式顯示。這些數(shù)據(jù)可用于分析軋制工藝對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，為改進(jìn)生產(chǎn)工藝提供依據(jù)。 （3） 卷材管理 每個(gè)卷材均建有單獨(dú)的檔案，該卷材的軋制表、已完成的軋制道次、將要進(jìn)行的軋制道次等均以表格形式存儲(chǔ)，在批量軋制時(shí)可隨時(shí)調(diào)取相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行軋制。 （4） 自動(dòng)生成軋制道次表 按照卷材的合金牌號、規(guī)格及成品要求，自動(dòng)生成軋制表，并可進(jìn)行人工修改。 （5） 生產(chǎn)工藝參數(shù)自學(xué)習(xí) 根據(jù)每個(gè)帶卷的生產(chǎn)工藝過程和產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行自學(xué)習(xí)。 （6） 中間產(chǎn)品及最終產(chǎn)品的質(zhì)量跟蹤 在軋制過程中，如果出現(xiàn)板形缺陷，可自動(dòng)記錄該缺陷的起點(diǎn)和終點(diǎn)位置，并在下一道次的軋制中預(yù)先提醒缺陷點(diǎn)。 （7） 生產(chǎn)班次管理 按照車間的生產(chǎn)班次，分別統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)時(shí)間、產(chǎn)品種類、數(shù)量、成品率等。 （8） 故障診斷與記錄 匯總并記錄一級系統(tǒng)傳來的非正常軋制狀態(tài)及其發(fā)生時(shí)刻，供需要時(shí)查詢。 （9） 生產(chǎn)狀況監(jiān)控 記錄生產(chǎn)過程中一級系統(tǒng)的正常狀態(tài)及運(yùn)行時(shí)刻。 生產(chǎn)開始，開卷機(jī)上卷，工控機(jī)調(diào)出該卷材的數(shù)據(jù)，給出相應(yīng)道次的軋制參數(shù);開始軋制后，工控機(jī)不斷采集軋制過程數(shù)據(jù)及整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，對操作者給出一些指導(dǎo)性建議;在選擇自動(dòng)操作情況下，可實(shí)現(xiàn)輥縫自動(dòng)調(diào)節(jié)、自動(dòng)加減速等功能;軋制完成后，對采集的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，并以數(shù)據(jù)和曲線的形式在工控機(jī)上和HMI上顯示;所有數(shù)據(jù)以文件形式進(jìn)行記錄，供日后需要時(shí)使用。 5 結(jié)束語 通過對冷軋機(jī)控制系統(tǒng)功能的改進(jìn)與提高，使得它的性能得到大幅度提升。 （1） 成品率得到了提高 采用自動(dòng)加減速后減少了帶頭、帶尾的長度和人為因素的影響，從而提高了帶材成品率。 （2） 提高了生產(chǎn)效率 由于自動(dòng)化程度的提高，輔助時(shí)間自然減少;工控機(jī)提供的班次管理，更可以清楚地看出每個(gè)班次的有效生產(chǎn)時(shí)間及輔助時(shí)間，為更加合理有效地安排生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率提供有效依據(jù)。 （3） 完整的數(shù)據(jù)記錄與分析 為工廠的質(zhì)量跟蹤與管理提供了詳實(shí)的資料，也可為后續(xù)加工或產(chǎn)品的購買者提供可靠的數(shù)據(jù)資料。 實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行表明，整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，有效地提高了產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率及經(jīng)濟(jì)效益，受到用戶良好評價(jià)。