CN107790499A - 一种冷轧机换辊推拉车定位控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种冷轧机换辊推拉车定位控制方法，包括位置检测编码器参数设定、换辊推拉车的位置定位判断与控制和换辊推拉车的速度设定输出三部分。通过位置定位判断设定功能块输出换辊推拉车当前位置状态以及位置设定值，由位置定位控制功能块根据位置设定值进行换辊推拉车位置的定位控制。本发明在冷连轧生产线的自动换辊过程中应用后，实现了换辊推拉车移行距离的准确控制，减少了换辊车移行故障的发生，从而缩短了换辊时间，提高了作业效率和设备作业率，满足了生产工艺的要求。

Description

一种冷轧机换辊推拉车定位控制方法

技术领域

本发明属于冷连轧生产线的换辊过程自动化技术领域，具体涉及一种冷连轧生产过程中换辊推拉车的定位控制方法。

背景技术

现代高速冷轧机的轧制速度越来越大，极大加速了轧辊的磨损，使轧辊的更换次数越来越频繁，冷轧机的工作辊至少每班更换一次，因此缩短换辊时间，对于保证产品质量，减少停机时间，提高轧机作业率，增加产量和减低成本都是至关重要的。可以说轧辊的快速更换对冷轧机作业具有重大的经济意义。

为了满足生产工艺的要求，保证轧制出的钢板在表面与厚度上达到需求标准，规定每隔一段时间要对轧机工作辊或中间辊进行更换，工作辊及中间辊换辊装置由底车、换辊推拉车、横移车、导向装置四部分组成。底车带动上述各部件移入或退出轧机换辊区域。换辊推拉车用于将旧辊拉出机架，将新辊推入机架。横移车用于更换新、旧辊位置，使新辊放置在轧机中心线上，便于推拉车将新辊推入机架。导向装置为推拉车运行轨道。换辊推拉车是由焊接结构的车体、换辊夹钳(包括中间辊夹钳、工作辊夹钳)、连杆、连杆驱动装置、齿轮马达电机等组成。落放新辊时，换辊采用电机驱动推拉车上的工作辊、中间辊夹钳夹住上、下工作辊和上、下中间辊旧辊并拉出轧机，放入横移车内，横移车横移后再将新中间辊、工作辊推入轧机。

在更换工作辊或中间辊的过程中，要对换辊推拉车的行程进行控制，以保证换辊推拉车准确停在固定位置，换辊推拉车的位置定位控制是顺利实现自动换辊的前提条件，是整个换辊动作过程的关键，定位控制是否准确，将直接影响到手动换辊和自动换辊能否顺利进行。特别是自动换辊时，一旦发生定位控制不准确，从而使换辊推拉车移行不到位，就会造成自动换辊中断，需要操作人员进行手动操作，不仅延长了换辊时间，降低生产效率，同时也增加了生产的不安全因素。

发明内容

本发明提供一种冷轧机换辊推拉车定位控制方法，其目的在于实现冷轧机换辊过程中换辊推拉车位置定位的精确控制，从而缩短换辊时间，提高作业效率和设备作业率。

为此，本发明所采取的技术解决方案是：

一种冷轧机换辊推拉车定位控制方法，通过位置定位判断设定功能块输出换辊推拉车当前位置状态以及位置设定值，由位置定位控制功能块FB_POS根据位置设定值进行位置定位控制。其具体方法和步骤为：

(1)位置检测编码器参数设定

换辊推拉车通过位置检测编码器进行位置检测，构成位置闭环控制；换辊推拉车装有带总线接口的绝对值编码器，通过PROFIBUS DP总线将位置检测值传送到PLC系统中；

在换辊推拉车走行调试过程中对编码器的FACTOR参数进行设置：换辊推拉车在机架前任一位置停下，记录此时换辊推拉车的走行距离S1及编码器实际读数EC1；然后走行一段距离后，记录下该位置的走行距离S2及此时编码器实际读数EC2，编码器参数因子Factor计算公式为：

Factor＝(S1-S2)/(EC1-EC2)

(2)换辊推拉车的位置定位判断与控制

换辊推拉车的控制位置包括停车位P1、横移位P2、机前等待位P3和机架位P4；控制位置的到位判断公式为：

停车位P1到位信号判断公式为：POS1-TOL_S≤ACT_POS≤POS1+TOL_S；

横移位P2到位信号判断公式为：POS2-TOL_S≤ACT_POS≤POS2+TOL_S；

机前等待位P3到位信号判断公式为：POS3-TOL_S≤ACT_POS≤POS3+TOL_S；

机架位P4到位信号判断公式为：POS4-TOL_S≤ACT_POS≤POS4+TOL_S；

其中，POS1为停车位P1设定值，POS2为横移位P2设定值，POS3为机前等待位P3设定值，POS4为机架位P4设定值，ACT_POS为编码器检测到的实际位置，TOL_S为位置定位设定公差范围。P1表示为换辊推拉车行进到停车位，P2表示为换辊推拉车行进到横移位，P3表示为换辊推拉车行进到机前等待位，P4表示换辊推拉车行进到机架位；

换辊推拉车启动位置定位判断设定功能块进行位置到位判断，实现过程为：首先通过实际位置ACT_POS与各位置设定值POS1、POS2、POS3、POS4比较，从而判断出换辊推拉车所在的实际位置，对应的位置状态信号P1、P2、P3、P4设置响应到位，输出对应的位置到位状态信号。当换辊推拉车实际位置编码器读数ACT_POS小于停车位设定值POS1时，信号PMIN被设置，表示位置到下限位；当换辊推拉车实际位置编码器读数ACT_POS高于机架位设定值POS4时，信号PMAX被设置，表示换辊推拉车到达位置上限位；

当位置定位命令任一位有信号时，相应的位置设定值被选择，并通过输出端任一到位位置设定值SETVALUE输出。

然后，启动换辊推拉车的位置定位控制功能：

位置定位控制功能块FB_POS根据位置设定值和实际值控制速度的输出，通过传动设备，使实际位置更精确的达到设定位置。

当换辊推拉车采用变频电机驱动时，由位置定位判断设定功能块发送一个位置设定值给位置定位控制功能块FB_POS，启动位置定位控制功能后，传动命令通过接口结构发送给传动控制功能块FB_2D2V，然后由传动控制功能块FB_2D2V输出命令给速度设定控制功能块，速度设定控制功能块根据命令来选择相应的速度输出。

当换辊推拉车采用双速电机驱动时，由位置定位判断设定功能块发送一个位置设定值给位置定位控制功能块FB-POS-B，当接近目标位置时速度由高速切换为低速；输出命令通过接口结构与传动控制功能块FB_2D2V连接，通过传动控制功能块FB_2D2V驱动传动设备，使换辊推拉车的实际走行位置达到设定位置；在定位时间参数T_FINISH设定的时间内，当实际值达到定位允许公差TOL的范围内，则定位结束，输出定位完成信号POS_FIN，并且输出停止的命令，通过接口结构发给FB_2D2V传动块。

换辊推拉车定位控制参数配置的基本原则为：

换辊推拉车的位置判断设定功能块的位置定位公差范围的大小对定位控制有着很大的影响，如果位置定位公差太大，会使定位误差太大，进而造成运行设备达不到预先设定位置；如果位置定位公差太小，会造成位置信号不被置位，影响下一步程序运行；在位置定位判断设定功能块里设置的位置定位设定公差范围TOL_S的参数值要大于或等于换辊推拉车位置定位控制功能块FB_POS里的定位允许公差TOL的参数值；

(3)换辊推拉车的速度设定输出

当换辊推拉车电机为变频电机时，移行过程中运行速度可调，移行速度给定通过一级基础自动化的PLC系统定位控制程序发出，通过绝对值编码器进行位置检测，构成位置闭环控制；运行速度的切换命令通过位置定位控制功能块FB-POS来实现，根据位置定位控制功能块FB-POS发出的命令来选择相应的速度输出，然后输出设定速度值给速度设定控制功能块。

在定位控制被激活期间，每次设定点的变化都会被立即处理，在定位控制开始之后，速度设定点根据控制距离被设置，当距离接近目标值时，内部减速曲线被激活，速度设定点按照内部减速曲线输出。

内部减速曲线由两段组成，减速曲线第一段内的速度计算公式为：

减速曲线第二段内为一条线性直线，由最小速度设定值V_MIN来限定最小速度输出值，此时速度计算公式为：

式中，V_ab为减速曲线中一、二段切换时间处速度；S_ab为减速曲线中一、二段切换时间处距离；S为实际行进距离；a为加速度。

第一段到第二段的切换时间是由减速曲线中的切换时间T_AB设定的。

当换辊推拉车移行过程中速度控制采用双速电机控制时，换辊推拉车运行速度分为高速、低速两种；运行速度的切换通过位置定位控制功能块FB-POS-B进行比较判断，当换辊推拉车实际运行位置远离定位目标时，为高速运行；当实际运行位置进入到慢速行进区时的公差允许范围TOL-SLOW范围时，速度就转换到低速运行，当实际位置在定位允许公差TOL范围时，设备停止，并发出定位控制完成信号POS-FIN。

所述定位时间参数T_FINISH设定的时间为0.9～1.1s。

本发明的有益效果为：

本发明在冷连轧生产线的自动换辊过程中应用后，实现了换辊推拉车移行距离的准确控制，减少了换辊推拉车移行故障的发生，从而极大缩短了换辊时间，提高了作业效率和设备作业率，满足了生产工艺设计的要求。

附图说明

图1是变频电机驱动的换辊推拉车位置定位控制系统结构图；

图2是双速电机驱动的换辊推拉车位置定位控制系统结构图；

图3是换辊推拉车精确定位区间与慢速区间计算原则示意图；

图4是换辊推拉车速度减速曲线图。

具体实施方式

以某冷轧硅钢厂五机架冷连轧机为例，前3机架具有工作辊在线横向窜辊功能。

1、位置检测编码器的参数设定

在换辊推拉车定位控制过程中，对编码器参数因子Factor参数进行设定的过程如下：换辊底车在停车位并且锁紧，推拉车后退到停车极限位，这时候位置检测编码器标定为零位，然后推拉车开始前行，换辊推拉车在机架前任一位置(S1)处停下并记录此时编码器读数EC1，然后继续前进一段距离并记录下该距离数值(S2)，停下后再次记录此时编码器读数EC2，然后用这两处位置的相对距离以及编码器的两处读数计算出Factor：

Factor＝(S1-S2)/(EC1-EC2)＝(1.621-1.066)/(1047767-1445511)＝1.396

S1、S2单位为米。

然后将Factor(1.396)送给编码器数据读取和标定功能块里的输入管脚，完成编码器的参数计算和设定。

2、换辊推拉车的位置定位判断与控制

换辊推拉车控制位置包括停车位、横移位、机前等待位和机架位。

首先确定换辊推拉车控制位置设定值，具体步骤为：

首先将换辊底车停在起始位，并且换辊底车正常锁上，然后换辊推拉车后退到停车极限位(由极限开关确定)，此处认为是停车位POS1，此时在停车位把位置检测编码器标定为零位。即POS1＝0。然后将换辊推拉车行进到能确保装备新辊的横移车能够横移到机架前而不被换辊推拉车刮到的位置，由于该条生产线工作辊具备窜辊功能，其辊身长度相比传统工艺的工作辊要长很多，所以经过多次谨慎走行调试，由现场机械人员确认位置，确保不刮辊，记录此时码盘数，前3个机架各机架的测试步骤是一样的，由于只有前3个机架进行了工作辊窜辊改造，所以只需要重新设定前3个机架的设定值。

最后确定前3个机架的横移位POS2设定值为：

#1机架：POS2＝1450mm；#2机架：POS2＝1455mm；#3机架：POS2＝1453mm。

然后，当换辊推拉车走行到机架前某位置时，等待机架内平衡、轨道等动作完成后再前进到机架位进行抽辊动作，这里的位置设定值即为机前等待位位置，一般情况下该位置是根据现场实际情况和经验确定。设定前3个机架的等待位POS3设定值为：#1机架：POS3＝5210mm；#2机架：POS3＝5214mm；#3机架：POS3＝5211mm。

四个位置定位中，机架位的定位设定是最重要的。此时将换辊推拉车从机前等待位前进到机架位极限位(由极限开关确定)，并需要机械人员协助确认位置无误后，记录此时编码器实际位置的读数作为机架位位置设定值，反复进行几次此过程并不断修正设定值，最终得到的前3个机架的机架位POS4位置设定值分别为：#1机架：POS4＝6163mm；#2机架：POS4＝6170mm；#3机架：POS4＝6173mm。

在换辊控制PLC程序里把单位转换成米后，将小数部分输出给机架位偏移量offset参数。

然后进行位置判断，根据控制位置的到位信号判断公式，如果实际反馈位置等于POS1—POS4中的任一值，或者二者差值在位置定位设定公差范围TOL_S之内，则表示P1-P4对应的位置响应到位。TOL_S设定的原则为：

当工作辊夹钳或者中间辊夹钳合上时，TOL_S值设为0.01m。

当工作辊夹钳和中间辊夹钳同时打开时或换辊推拉车处于横移位时，或者是处于横移位与机前等待位之间的位置时，TOL_S值设为0.02m。

换辊推拉车在变频电机驱动的情况下，图1为换辊推拉车位置定位控制系统结构图，当定位功能启动时，由位置定位控制功能块FB_POS决定输出的速度，经由传动控制功能块FB_2D2V发送命令给速度设定控制功能块，并输出速度设定值，驱动传动设备即换辊推拉车电机，使换辊推拉车的实际走行位置更精确的达到设定位置。当换辊推拉车采用双速电机驱动时，图2为双速电机驱动的换辊推拉车位置定位控制系统结构图，由位置定位判断设定功能块发送一个位置设定值给位置定位控制功能块FB-POS-B，当接近目标位置时速度由高速切换为低速。输出命令通过接口结构与传动控制功能块FB_2D2V连接，通过传动控制功能块FB_2D2V驱动传动设备，使换辊推拉车的实际走行位置达到设定位置。

此时换辊推拉车的定位允许公差TOL参数设为0.01m。定位完成信号POS_FIN如果为1表示定位完成，如果为0表示定位未完成。

3、换辊推拉车的速度设定输出

换辊推拉车电机采用双速电机时，换辊推拉车运行速度分为高速、低速两种。当换辊推拉车实际运行位置远离定位目标时，为高速运行，当实际运行位置进入到慢速行进区范围时，速度转换到低速运行。高低速切换是由换辊推拉车行进距离确定的，切换距离设定值为5m，图3为换辊推拉车精确定位区间与慢速区间计算原则示意图，换辊推拉车从高速行进切换到慢速行进区时的公差允许范围TOL_SLOW参数设置为0.5m，所以当换辊推拉车行进距离到达(4.5m-5.5m)区间时就切到低速运行。当实际位置在(4.99m-5.01m)精确定位区间内，设备停止，并发出定位控制完成信号。

如图4所示，当换辊推拉车电机采用变频电机时，当距离接近目标值时，内部减速曲线被激活，速度设定点按照内部减速曲线输出。

减速曲线第一段内的速度表达式为：

式中，V_MAX为推拉车最大速度，m/s，T_DEC为减速时间，s。

在减速曲线第二段，最小速度设定值V_MIN来限定最小速度输出值为0.05m/s。该段内的速度表达式为：

Claims (2)

1.一种冷轧机换辊推拉车定位控制方法，其特征在于，通过位置定位判断设定功能块输出换辊推拉车当前位置状态以及位置设定值，由位置定位控制功能块根据位置设定值进行位置定位控制；其具体方法和步骤为：

(1)位置检测编码器参数设定

换辊推拉车通过位置检测编码器进行位置检测，构成位置闭环控制；换辊推拉车装有带总线接口的绝对值编码器，通过PROFIBUS DP总线将位置检测值传送到PLC系统中；

在换辊推拉车走行调试过程中对编码器的FACTOR参数进行设置：换辊推拉车在机架前任一位置停下，记录此时换辊推拉车的走行距离S1及编码器实际读数EC1；然后走行一段距离后，记录下该位置的走行距离S2及此时编码器实际读数EC2，编码器参数因子Factor计算公式为：

Factor＝(S1-S2)/(EC1-EC2)

(2)换辊推拉车的位置定位判断与控制

换辊推拉车的控制位置包括停车位P1、横移位P2、机前等待位P3和机架位P4；控制位置的到位判断公式为：

停车位P1到位判断公式为：POS1-TOL_S≤ACT_POS≤POS1+TOL_S；

横移位P2到位判断公式为：POS2-TOL_S≤ACT_POS≤POS2+TOL_S；

机前等待位P3到位判断公式为：POS3-TOL_S≤ACT_POS≤POS3+TOL_S；

机架位P4到位判断公式为：POS4-TOL_S≤ACT_POS≤POS4+TOL_S；

其中，POS1为停车位P1设定值，POS2为横移位P2设定值，POS3为机前等待位P3设定值，POS4为机架位P4设定值，ACT_POS为换辊推拉车实际位置编码器读数，TOL_S为位置定位设定公差范围；P1表示为换辊推拉车行进到停车位，P2表示为换辊推拉车行进到横移位，P3表示为换辊推拉车行进到机前等待位，P4表示换辊推拉车行进到机架位；

换辊推拉车启动位置定位判断设定功能块进行位置到位判断，实现过程为：首先通过换辊推拉车实际位置编码器读数ACT_POS与各位置设定值POS1、POS2、POS3、POS4比较，从而判断出换辊推拉车所在的实际位置，对应的位置状态信号P1、P2、P3、P4设置响应到位，输出对应的位置到位状态信号；当换辊推拉车实际位置编码器读数ACT_POS小于停车位设定值POS1时，信号PMIN被设置，表示换辊推拉车位置到下限位；当换辊推拉车实际位置编码器读数ACT_POS高于机架位设定值POS4时，信号PMAX被设置，表示换辊推拉车到达位置上限位；当位置定位命令任一位有信号时，相应的位置设定值被选择，并通过输出端任一到位位置设定值SETVALUE输出；

然后，启动换辊推拉车的位置定位控制功能：

位置定位控制功能块FB_POS根据位置设定值和实际值控制速度的输出，通过传动设备，使实际位置更精确的达到设定位置；

当换辊推拉车采用变频电机驱动时，由位置定位判断设定功能块发送一个位置设定值给位置定位控制功能块FB_POS，启动位置定位控制功能后，传动命令通过接口结构发送给传动控制功能块FB_2D2V，然后由传动控制功能块FB_2D2V输出命令给速度设定控制功能块，速度设定控制功能块根据命令来选择相应的速度输出；

当换辊推拉车采用双速电机驱动时，由位置定位判断设定功能块发送一个位置设定值给位置定位控制功能块FB-POS-B，当接近目标位置时速度由高速切换为低速；输出命令通过接口结构与传动控制功能块FB_2D2V连接，通过传动控制功能块FB_2D2V驱动传动设备，使换辊推拉车的实际走行位置达到设定位置；在定位时间参数T_FINISH设定的时间内，当实际值达到定位允许公差TOL的范围内，则定位结束，输出定位完成信号POS_FIN，并且输出停止的命令，通过接口结构发给FB_2D2V传动块；

换辊推拉车定位控制参数配置的基本原则为：

换辊推拉车的位置判断设定功能块的位置定位公差范围的大小对定位控制有着很大的影响，如果位置定位公差太大，会使定位误差太大，进而造成运行设备达不到预先设定位置；如果位置定位公差太小，会造成位置信号不被置位，影响下一步程序运行；在位置定位判断设定功能块里设置的位置定位设定公差范围TOL_S的参数值要大于或等于换辊推拉车位置定位控制功能块FB_POS里的定位允许公差TOL的参数值；

(3)换辊推拉车的速度设定输出

当换辊推拉车电机为变频电机时，移行过程中运行速度可调，移行速度给定通过一级基础自动化的PLC系统定位控制程序发出，通过绝对值编码器进行位置检测，构成位置闭环控制；运行速度的切换命令通过位置定位控制功能块FB-POS来实现，根据位置定位控制功能块FB-POS发出的命令来选择相应的速度输出，然后输出设定速度值给速度设定控制功能块；

在定位控制被激活期间，每次设定点的变化都会被立即处理，在定位控制开始之后，速度设定点根据控制距离被设置，当距离接近目标值时，内部减速曲线被激活，速度设定点按照内部减速曲线输出；

内部减速曲线由两段组成，减速曲线第一段内的速度计算公式为：

减速曲线第二段内为一条线性直线，由最小速度设定值V_MIN来限定最小速度输出值，此时速度计算公式为：

式中，V_ab为减速曲线中一、二段切换时间处速度；S_ab为减速曲线中一、二段切换时间处距离；S为实际行进距离；a为加速度；

第一段到第二段的切换时间是由减速曲线中的切换时间T_AB设定的；

当换辊推拉车移行过程中速度控制采用双速电机控制时，换辊推拉车运行速度分为高速、低速两种；运行速度的切换通过位置定位控制功能块FB-POS-B进行比较判断，当换辊推拉车实际运行位置远离定位目标时，为高速运行；当实际运行位置进入到慢速行进区时的公差允许范围TOL-SLOW内时，速度就转换到低速运行，当实际位置在定位允许公差TOL范围时，设备停止，并发出定位控制完成信号POS-FIN。

2.根据权利要求1所述的冷轧机换辊推拉车定位控制方法，其特征在于，所述定位时间参数T_FINISH设定的时间为0.9～1.1s。