硅钢连续退火线卷取机带尾定位控制的应用
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【摘要】本文主要论述在硅钢连续退火线卷取机带钢甩尾时，实现出口带尾自动减速，并通过TDC系统将带尾控制在预定的位置，确保钢卷顺利的完成卸卷。
【关键词】卷取机；带尾定位；自动减速；TDC
1.引言
中冶南方（新余）新材料技术有限公司（简称“中冶新材”）是专门从事冷轧硅钢研发和生产的公司，现有两条连续退火生产线，年产44万吨中低牌号硅钢。随着工业自动化过程控制技术的高速发展，为了充分发挥机组的生产效率，往往要求在带钢带尾减速的控制功能方面实现高精度的自动控制功能。既可减轻操作人员的工作强度，又可以通过准确减速时机的确定，可以有效节约生产线的减速时间，从而提高生产能力[1]。
2.带尾定位控制原理简介
在中冶新材连退出口段，为了保证生产的连续性，当卷取机带钢即将没有的时候，需要自动减速停车，使带尾停在合适的位置，以方便接下来的操作。为达到自动减速，必须准确设定合适的减速时机。所以要实现精确的带尾定位控制，即实现出口自动减速和定位点的剩余长度计算。带钢在机组运行过程中，当发出停车命令时，由于惯性和速度原因，在减速制动过程中，带钢必定需要向前继续运行一段距离才能停下来。因此制动距离的大小取决于带钢实际速度、最大制动加速度。在实际定位过程中，必须满足检测定位设置点大于制动距离，否则产生定位故障，快停操作模式激活。所以为了使带钢能准确停在定位设置点上，需要控制系统提前发出带钢甩尾和自动减速停车指令。通过闭环控制的方式对带钢甩尾定位进行定点，同时计算出定位点到卷取机上的距离。
3.控制系统硬件配置
中冶新材硅钢连退机组的控制系统由SIMATIC TDC和S7-400可编程控制器为控制核心，由工业以太网连接上位计算机，并通过多条Profibus-DP现场总线以通讯的方式与交流传动控制系统、增量式编码器、光电开关、远程站点ET200M及具备DP通讯能力的仪表建立控制连接，将工艺流程的操作控制集于一体。
4.出口自动减速和带尾定位控制的实现
对于出口卷取机而言，卷取机带卷的初始带长或初始圈数虽然可以通过入口开卷机得到，但是其给出数据精度并不是那么的准确。为了实现入口自动减速控制，只能通过间接的计算方法计算出卷取机卷取过程中的带钢长度或圈数，并通过TDC系统发送的开卷机参数进行比较，当实际值达到目标值时自动发出减速指令，从而实现入口的自动减速功能。且要出口自动减速控制的实现，还需要带钢在进行飞剪分卷动作时得到精准的减速定位点，确保检测定位点大于制动距离，避免产生设备故障。
4.1 卷取机上带钢长度的计算
卷取机上计算带钢的长度的方法有很多，一般采用圆周法进行计算。即采用通过实时的卷径计算出带钢的周长减上一个卷径的周长，再将这些计算出来的周长求和即为带钢长度。但是这种方法容易受卷径计算的影响，增加了不稳定因素。本方案设计中，采用流量相等法来对卷取机上带钢长度进行计算。即实时的计算出出口夹送辊上走过的长度即等于卷取机上带卷的长度，采用出口转向夹送辊轴上安装的脉冲编码器测量计算得出卷取机带钢的长度。测量方法为：TDC系统在每个扫描周期T（20ms）内，通过转向夹送辊脉冲编码器脉冲的变化量乘以脉冲增量（mm/PLS），求得周期T内走过的带钢长度，然后进行累加求出带卷的总长度。当卷取机卷筒涨缩一次后，对带卷长度数据会进行清零复位。
4.2 减速点的计算
由于出口段飞剪剪切完成后，卷取机会接到自动减速指令，带钢从当前运行的机组速度到减速结束的过程中，带卷需要走过一定的距离S。为了增加控制的可靠性以及避免系统的惯性走过的长度，须预设定一段带卷低速运行走过的距离进行补偿，即平滑距离Sr。
减速过程中走过的距离S可计算求得：
（4.1）
式中，
VE——转向夹送辊测出来的输出速度，m/s；
Vr——平滑速度，m/s；
a——加速度，m/s?；
减速过程中，须低速运行的补偿量的距离Sr由TDC系统计算设定。故总的减速过程带钢须行走的距离为：。当控制系统激活交换点定位时，立即发出自动减速信号。
4.3 带尾定位长度的计算
在实际生产中，按照工艺的要求带钢在卷取机上卷取结束后，带尾必须停留在卷取机一个相对固定的位置上（本方案设计为5点钟方向），为下一个生产工序打下良好的基础，如出口小车卸卷自动、打捆机包扎捆带等，这样既可以节约人工劳动量，又有效提高了生产效率。鉴于此，控制系统需提供带尾自动定位的功能[2]。
在带尾定位控制过程中，最重要的就是带尾定位长度的计算[3]。提高定位精度的最有效手段，就是研究出带尾定位长度的控制算法。当飞剪分卷完成后，即触发启动TDC系统的带卷定位功能模块。卷取机将以爬行速度（30m/min）运转，本机组中，出口5#转向加送辊或6#转向夹送辊前的光电开关作为带尾检测器。在卷取机卷取运行时，光电开关始终处于遮光状态。当带尾到达5#转向加送辊或6#转向夹送辊前的光电开关时，光电开关处于通光状态，同时向TDC系统发送带尾到达信号。此时TDC系统开始计算卷取卷筒卷取带卷的长度，然后将其与系统计算的定位长度进行比较判断，并发出停车指令。带尾定位长度的组成示意图如图4.1所示。
图4.1 带尾定位长度示意图
图中Dl为出口转向夹送辊的辊径，为带尾停止的5点钟方向，即为40o，A和B为出口转向夹送辊辊心与卷筒中心的纵向及横向间距。那么，带尾定位长度L即可计算出来，其中L1=600m。具体公式如下：
（4.2）
（4.3）
（4.4）
（4.5）
（4.6）
（4.7）
那么带尾定位长度L就可以计算出来了：
L=L1+L2+L3+L4 （4.8）
通过此功能块接受POSITI功能块的定位逻辑，完成相应的定位的实际行程的计算和剩余距离计算。定位1-定位11属于速度线1；定位12-定位21属于速度线2；定位22-定位32属于速度线3。当定位启动时，通过一个脉冲进入定位程序，读取定位控制字，定位末速度，定位距离。通过获取定位控制字的定位高电平来进行定位剩余距离计算。当定位结束时，通过又一个脉冲和定位控制字的定位低电平退出定位程序。当启动一个定位后，定位进入执行状态，如果此时再一次启动这个定位，则此定位继续在原定位的基础上继续执行，前面（原定位）取消。
5.结论
文章以中冶新材冷轧硅钢连续退火机组的出口自动减速系统的实现思想为主体，进行了细致的研究，重点讨论了带卷剩余长度的控制算法；同时对带尾自动定位系统进行剖析，推导出有效的定位长度计算公式，大大减少了TDC系统的运行负荷，提高了控制精度，充分发挥了作业机组的生产效率。经过反复实践论证，带尾定位控制十分精确，从投产未出现故障。此方法同样可以其他同行业连续生产线中使用。
参考文献
[1]葛延津，等.冷连轧卷取机控制模式与带尾定位计算方法[J].冶金自动化，2004.
[2]杨广，曲非.重卷分切机组中的精确分切及准确停车控制[J].一重技术，2001.
[3]曹平.冷轧带钢平整线控制系统设计与应用[D].东北大学，2007.
作者简介：欧阳帆（1987—），男，江西新余人，中冶南方（新余）冷轧新材料技术有限公司助理工程师，研究方向：自动化控制，电气自动化。