CN112024615A - 一种轧机智能送料系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轧机智能送料系统，属于轧机系统领域，该系统包括进行物料抓取和传送的送料模块、对传送的物料进行图像采集的图像采集模块、轧机；轧机包括用来传送金属的主电机和控制送送料模块物料传送速度的伺服电机；控制主电机转速的变频器；驱动伺服电机的伺服驱动器；检测伺服电机转速的速度传感器；和接收图像采集模块传送的物料图像的控制单元，控制单元判断当物料的形状和物料材料满足要求时，则控制送料模块进行物料的抓取和传送，同时控制单元接收主电机的转速和伺服电机的转速对伺服驱动器控制伺服电机的转速进行调整，进而控制送料模块的送料速度，采用BP神经网络PID的控制方式，提高了系统性能、运行效果以及灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及一种轧机系统，尤其涉及一种轧机智能送料系统。
背景技术
对传统冷轧机的送料问题来说，我国依然采用人工送料的方式，此方法不仅工序繁琐、工作效率低下、人力成本高，而且具有很大安全隐患，无法保证工作人员的安全。随着中国制造2025的临近，自动化生产得到了长足发展，它以高效率、低人工、高可靠性等优点逐步代替了传统工业的产生，其中自动送料线用于连接生产过程中的各个优点，是整个自动化生产过程中最通用的技术之一。
对于国外的送料系统来说，现在已经普遍使用应用PLC控制系统。以日本为例，在1974年以前自动送料生产线大概占全部的13％左右，但是到1976年，已有70％为全自动生产线，发展速度异常之快，而且国外的大多数PLC品牌都有相应的开发平台和组态软件，系统的性能被大大提高，人机界面更加完善，但对智能送料系统的研究还有待加强。对于国内的送料系统来说，虽然研究历史较短，技术水平还不够优秀，但近年来，我们的本地技术水平被大大改善了不少，这都是得益于巨大的国内包装市场的推广和国外先进技术的对我们的影响，特别是近几年来，中国的送料市场正在迅速扩大，并且送料系统不断向高端化、智能化趋势发展。因此对于送料系统的研究显得尤为重要。另一方面，目前我国处在新老交替的钢铁生产体系中，初轧机在轧钢生产中的作用仍无法替代，具有着十分重要的作用，轧机可按轧制的材料分为轧辊钢材的和轧辊铝、铜等有色金属的两类。对于轧有色金属板材，针对轧机复杂工业应用场景，市场上尚未见到一种智能送料系统可以应用在轧机上。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种轧机智能送料系统，包括进行物料抓取和传送的送料模块、对传送的物料进行图像采集的图像采集模块、轧机；
所述轧机包括用来传送金属的主电机和控制送送料模块物料传送速度的伺服电机；
控制所述主电机转速的变频器；
驱动所述伺服电机的伺服驱动器；
检测所述伺服电机转速的速度传感器；
和接收所述图像采集模块传送的物料图像的控制单元，所述控制单元判断当物料的形状和物料材料满足要求时，则控制所述送料模块进行物料的抓取和传送，同时所述控制单元接收所述变频器传送的所述主电机的转速和接收所述速度传感器传送的所述伺服电机的转速对所述伺服驱动器控制所述伺服电机的转速进行调整，进而控制所述送料模块的送料速度。
进一步地，所述送料模块包括抓取物料的真空吸盘、控制所述真空吸盘上升和下降的升降气缸、可左右水平移动的滑台、支架Ⅰ、支架Ⅱ和放置物料的载料台；
所述支架Ⅰ和所述支架Ⅱ设置在所述载料台上；
所述滑台包括滑道和连接部；所述滑道和所述连接部活动连接；
所述滑道一端与所述支架Ⅰ的上部相连接，所述滑道的另一端与所述支架Ⅱ的上部相连接；所述滑道的一端与所述伺服电机相连接；
所述连接部的下端与所述升降气缸的一端相连接；
所述升降气缸的另一端与所述真空吸盘相连接。
进一步地，还包括采集所述伺服电机温度的温度传感器Ⅰ和采集所述主电机温度的温度传感器Ⅱ；所述温度传感器Ⅰ将采集的伺服电机的温度和所述温度传感器Ⅱ将采集的所述主电机的温度传送给所述控制单元。
进一步地，所述控制单元的转速调整策略为神经网络PID控制，利用神经网络分配该系统的比例系数、积分系数和微分系数三个指标之间的比例和关系；所述神经网络采用BP神经网络，根据输入层、输出层和隐含层的节点个数确定BP神经网络的结构，所述BP神经网络PID控制器采用三层3—5—3BP网络结构，即三输入三输出，隐含层为五，输入层对应期望值、实际值、偏差，输出层对应比例系数、微分系数和积分系数，在给定一个主电机的速度信号后，测试其误差，通过BP神经网络PID控制器S函数的编写，控制速度信号的信息和PID控制器的参数信息，将此速度信号延时并离散化，并将离散后的转速信号通过脉宽调制来得到三相电压Va、Vb、Vc，将三相电压传送给伺服电机，完成伺服电机的速度调节。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种轧机智能送料系统；
(1)巧妙地采用气动控制和电气伺服控制原理完成送料，物料自动抓取由真空吸盘气动抓取，滑台水平进给，这与现有技术单纯利用真空吸盘的方案相比，有了实质性的进步；
(2)解决了轧制过程中存在异物的问题；轧制过程中的异物问题不可避免，而且对送料过程会产生较大不利影响，本发明利用控制单元判断物料材料是否满足要求，设置的即进行轧制异物检测，可有效地检测异物，从而避免不利的送料条件；解决了送料过程中物料不同的问题；送料过程中会有不同物料，如钢材或者有色金属板材，本发明利用PLC设置的物料识别模块，可有效地识别物料，从而完成准确的送料工作；
(3)解决了送料速度与轧制速度匹配问题；由于送料过程是一个随动过程，即工业生产过程通常是非线性或时变的，如由轧辊速度、辊缝大小、板材厚度等等的变化引起系统动态特性的变化；本发明提出的技术方案，将采用BP神经网络PID的控制方式实现送料过程的智能控制，让送料速度随轧制电机速度变化而变化，这与现有技术单纯利用PID控制的方案相比，提高了系统性能、运行效果以及灵活性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的模块图；
图2是自动送料系统的工作原理图；
图3是送料系统电气接线图；
图4是送料系统速度控制的结构图。
图中：1、送料模块，2、物料图像采集模块，3、轧机，4、主电机，5、伺服电机，6、变频器，7、伺服驱动器，8、速度传感器，9、控制单元，10、真空吸盘，11、升降气缸，12、滑台，13、支架Ⅰ，14、支架Ⅱ，15、载料台，16、滑道，17、连接部，18、温度传感器Ⅰ，19、温度传感器Ⅱ。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
图1是本发明的模块图；一种轧机智能送料系统，包括进行物料抓取和传送的送料模块1、对传送的物料进行图像采集的物料图像采集模块2、进行有色金属轧制的轧机3；
所述轧机3包括用来传送金属的主电机4和控制送料模块1物料传送速度的伺服电机5；
控制所述主电机4转速的变频器6；驱动所述伺服电机5的伺服驱动器7；检测所述伺服电机5转速的速度传感器8；和接收所述物料图像采集模块2传送的物料图像的控制单元9，所述控制单元9判断当物料的形状和物料材料要求时，则控制所述送料模块1进行物料的抓取和传送，同时所述控制单元9接收所述变频器6传送的所述主电机4的转速和接收所述速度传感器8传送的所述伺服电机5的转速调整所述伺服驱动器7控制所述伺服电机5的转速，所述伺服电机5进而控制所述送料模块1的送料速度。
进一步地，所述送料模块1包括抓取物料的真空吸盘10、控制所述真空吸盘10上升和下降的升降气缸11、可左右水平移动的滑台12、支架Ⅰ13、支架Ⅱ14和放置物料的载料台15；
所述支架Ⅰ12和所述支架Ⅱ13设置在所述载料台15上；
所述滑台12包括滑道16和连接部17；所述滑道16和所述连接部17活动连接；
所述滑道16一端与所述支架Ⅰ12的上部相连接，所述滑道16的另一端与所述支架Ⅱ13的上部相连接；所述滑道16的一道与所述伺服电机5相连接；
所述连接部17的下端与所述升降气缸11的一端相连接；
所述升降气缸11的另一端与所述真空吸盘10相连接。
进一步地，该系统还包括采集所述伺服电机温度的温度传感器Ⅰ18；所述温度传感器Ⅰ18与所述控制单元9相连接。
进一步地，该系统还包括采集所述主电机4温度的温度传感器Ⅱ19；所述温度传感器Ⅱ19与所述控制单元9相连接。
进一步地，所述物料图像采集模块2采用相机。
物料的材料要求为：有色金属。
该轧机智能送料系统以西门子S7系列PLC作为控制单元，升降气缸11与伺服电机5作为执行条件，利用组态软件力控设计监控系统，并利用PROFIBUS将PLC和工控机进行通信，在物料加工前利用PLC判断送料条件，送料条件满足则升降气缸开始动作，利用真空吸盘接触物料，进行上下运动，另有滑台12带动真空吸盘10进行左右运动，直到送料结束。送料机构中的速度传感器8实时监测轧机的速度信号，通过神经网络智能控制，确保伺服电机5速度与主电机4速度匹配。
图2是自动送料系统的工作原理图；在按下启动按钮后，用相机将物料信息进行采集，通过直接边缘检测算法进行检测，并将物料检测信号传给可编程逻辑控制器PLC，PLC处理器判断物料形状是否符合要求以及物料有无异物，不满足送料条件即立即停止送料，满足则开始进行送料，可利用气动控制和电气伺服控制，即真空吸盘10气动抓取，滑台12水平进给完成送料，送料完成之后，升降气,11和滑台12回到初始位置，真空吸盘10归位到初始状态，为下一次送料做准备，如此循环工作。
图3是送料系统电气接线图；PLC的CPU型号为226，有24个数字量输入和24个数字量输出，同时连接了一个EM231外部扩展模块用来增加模拟量的输入和输出。PLC输出的脉冲和方向引脚连接伺服驱动器7，伺服驱动器7连接伺服电机5，以及将变频器6的正反转、公共输入端与PLC输出引脚相连，变频器6连接主电机4，并利用台式机与PLC进行数据传递，在台式机上的step7-MicroWIN SMART软件上进行编程，实现PLC的物料检测和异物检测，同时通过对伺服驱动器发出脉冲的速度进行控制，让伺服电机的速度和主电机的速度相匹配，从而实现智能控制。
图4是送料系统速度控制的结构图。由于送料系统本身具有非线性、变结构等特点，所以它是一个随动系统。在图中可见，该随动系统主要由测量元件、放大元件和执行元件几个基本部分组成，是一种反馈控制系统，基本形式是转速负反馈调速系统的组成，在本设计中是一个速度量输入后，测量误差装置中的测量元件测试其误差，并对速度这个信号进行控制，最后将控制信号给到伺服电机，同时伺服电机信号也会反馈给误差检测装置。通过这个速度控制结构图，我们可以在MATLAB/SIMULINK中搭建具体模型，实现BP神经网络PID的控制过程。首先编写基于神经网络PID控制器的S函数算法，再建立该系统的SIMULINK模型，最终使伺服电机5速度跟随主电机4速度变化而变化，利用神经网络可智能地分配系统的比例，积分和微分三个实际指标之间的比例和关系，提高送料系统控制效果；所述神经网络为BP神经网络，根据输入层、输出层和隐含层的节点个数确定BP神经网络的结构，所述BP神经网络PID控制器采用三层3—5—3BP网络结构，即三输入三输出，隐含层为五，输入层对应期望值、实际值、偏差，输出层对应比例系数、微分系数和积分系数，在给定一个主电机的速度信号后，测试其误差，通过BP神经网络PID控制器S函数的编写，控制速度信号的信息和PID控制器的参数信息，将此速度信号延时并离散化，并将离散后的转速信号通过脉宽调制来得到三相电压Va、Vb、Vc(Va表示a相电压、Vb表示b相电压Vc表示c相电压)，将这三相电压电压传送给伺服电机，完成伺服电机的速度调节，根据神经网络分配PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数，从而保证该系统运行效果和灵活性。
因为送料系统在工业生产过程中往往是非线性的，BP神经网络可有效控制非线性系统，解决了送料速度与轧制速度匹配问题；由于送料过程是一个随动过程，即工业生产过程通常是非线性或时变的，如由轧辊速度、辊缝大小、板材厚度等等的变化引起系统动态特性的变化；本发明提出的技术方案，将采用BP神经网络PID的控制方式实现送料过程的智能控制，让送料速度随轧制电机速度变化而变化，这与现有技术单纯利用PID控制的方案相比，提高了系统性能、运行效果以及灵活性。
应该注意到，上述的实施例均是为了说明本发明而不是限制本发明，本发明不同实施例中的许多技术特征可互换或省略，许多元件的设置可根据需要改变，本发明元件前的“一”或“一个”不排除出现多个这种元件，这些变化均应属于本发明的保护范围；以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种轧机智能送料系统，其特征在于：包括进行物料抓取和传送的送料模块、对传送的物料进行图像采集的图像采集模块、轧机；
所述轧机包括用来传送金属的主电机和控制送送料模块物料传送速度的伺服电机；
控制所述主电机转速的变频器；
驱动所述伺服电机的伺服驱动器；
检测所述伺服电机转速的速度传感器；
和接收所述图像采集模块传送的物料图像的控制单元，所述控制单元判断当物料的形状和物料材料满足要求时，则控制所述送料模块进行物料的抓取和传送，同时所述控制单元接收所述变频器传送的所述主电机的转速和接收所述速度传感器传送的所述伺服电机的转速对所述伺服驱动器控制所述伺服电机的转速进行调整，进而控制所述送料模块的送料速度。
2.根据权利要求1所述的一种轧机智能送料系统，其特征在于：所述送料模块包括抓取物料的真空吸盘、控制所述真空吸盘上升和下降的升降气缸、可左右水平移动的滑台、支架Ⅰ、支架Ⅱ和放置物料的载料台；
所述支架Ⅰ和所述支架Ⅱ设置在所述载料台上；
所述滑台包括滑道和连接部；所述滑道和所述连接部活动连接；
所述滑道一端与所述支架Ⅰ的上部相连接，所述滑道的另一端与所述支架Ⅱ的上部相连接；所述滑道的一端与所述伺服电机相连接；
所述连接部的下端与所述升降气缸的一端相连接；
所述升降气缸的另一端与所述真空吸盘相连接。
3.根据权利要求1所述的一种轧机智能送料系统，其特征在于：还包括采集所述伺服电机温度的温度传感器Ⅰ和采集所述主电机温度的温度传感器Ⅱ；所述温度传感器Ⅰ将采集的伺服电机的温度和所述温度传感器Ⅱ将采集的所述主电机的温度传送给所述控制单元。
4.根据权利要求1所述的一种轧机智能送料系统，其特征在于：所述控制单元的转速调整策略为神经网络PID控制，利用神经网络分配该系统的比例系数、积分系数和微分系数三个指标之间的比例和关系；所述神经网络采用BP神经网络，根据输入层、输出层和隐含层的节点个数确定BP神经网络的结构，所述BP神经网络PID控制器采用三层3—5—3BP网络结构，即三输入三输出，隐含层为五，输入层对应期望值、实际值、偏差，输出层对应比例系数、微分系数和积分系数，在给定一个主电机的速度信号后，测试其误差，通过BP神经网络PID控制器S函数的编写，控制速度信号的信息和PID控制器的参数信息，将此速度信号延时并离散化，并将离散后的转速信号通过脉宽调制来得到三相电压Va、Vb、Vc，将三相电压传送给伺服电机，完成伺服电机的速度调节。
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