CN1126615C - 金属板带计重分卷自动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种可根据设定参数控制纵剪分卷生产设备自动完成计量卷取重量或长度并可控制设备按预定加速度自动减速停机的闭环控制系统，由电机、电机调速器、光电编码器、可编程序控制器和人机界面组成，其中可编程序控制器包括运算单元、位置闭环控制单元、工艺操作单元及控制功能执行单元。运算单元输出的定长或定重脉冲数值与光电编码器输出的位置反馈脉冲数值通过位置闭环控制单元比较并与操作单元控制指令信号综合后，由执行单元输出“加速”、“减速”或“保持”信号以控制电机运转，位置反馈脉冲值同时经运算单元逆运算后得到实际卷取重量或长度数值返回人机界面。

Description

金属板带计重分卷自动控制系统

本发明属于金属板带纵剪分卷生产设备中的自动控制系统，涉及一种可根据设定参数控制纵剪分卷生产设备(机组)自动完成金属板带的定长或定重计量卷取并且可以控制设备按预定的加速度自动减速停机的闭环控制系统。

目前公知的金属板带纵剪分卷设备仅具有长度检测功能或简单长度控制功能，即它是以板带的卷取长度作为机组分卷生产控制的执行指令因数，当板带运行达到设定的卷取长度之后便发出停机指令，是一个开环长度位置控制系统，不具有对卷取重量的控制功能。但在实际生产中，往往需要将一定重量的来料大卷等分为几个小卷产品，或根据用户要求以一特定重量的小卷产品成批供货，生产统计中往往也是以产品的重量为统计单位，因此对于纵剪分卷生产中的卷取重量的精确控制就显得尤为重要。显然，采用目前公知的生产设备是难以满足实际分卷生产中卷取重量精确控制的需求的。

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处，提供一种可根据设定参数控制设备自动完成计量卷取重量或长度从而有效解决分卷生产中卷取重量精确控制问题的金属板带计重分卷自动控制系统。另外，由于采用该系统的机组在生产中的速度是由两部分指令来控制的，一部分是卷取重量或长度的闭环控制指令，另一部分是工艺操作的控制指令，因此，本发明的另一目的是解决闭环控制和工艺操作控制对机组的综合控制问题。

用于实现上述发明目的的技术解决方案是这样的：该金属板带计重分卷自动控制系统的工作原理结构如图1所示，它由用于拖动纵剪分卷生产机组工作的电机8、电机调速器7、用于检测板带卷取长度的光电编码器4、可编程序控制器和用于向可编程序控制器输入运算控制参数并显示控制结果的人机界面1组成，其中：可编程序控制器包括一个用于完成板带定长或定重计算及逆运算并根据计算结果给出定长或定重送料模式的运算单元2、一个用于对运算单元2给定数值信号和光电编码器4反馈脉冲进行误差比例运算的位置闭环控制单元3、一个用于人为控制电机调速器7进行工作的工艺操作单元5以及一个通过对位置闭环控制单元3输出信号及工艺操作单元5控制信号进行综合从而控制电机调速器7工作的机组控制功能执行单元6。工作中，由人机界面1输出的运算控制参数信号经运算单元2运算后发出定长度设定脉冲数值或定重量设定脉冲数值进入位置闭环控制单元3，该数值在与光电编码器4发出的测长反馈脉冲值进行比较运算及比例调节后进入执行单元6，在此与工艺操作单元5控制指令信号进行综合后，输出“加速(I)”、“减速(D)”或“速度保持(K)”给定信号进而通过调速器7控制电机8运转，由测长光电编码器4发出的反馈脉冲值同时再经过运算单元2逆运算后，得到实际卷取重量或长度数值返回人机界面。

以下将结合附图对本发明的结构和工作原理做进一步说明。

图1为本发明的系统结构原理图。

图2～图4为本发明之三种实施例的结构原理图。

图5～图6为机组工艺操作单元控制机组速度的两种工作原理图

参见图1，本发明所述的金属板带计重分卷自动控制系统简单地说是一个长度闭环控制系统，它由人机界面1、运算器2、位置闭环控制单元3、光电编码器4、工艺操作单元5、机组控制功能执行单元6、电机调速器7、驱动电机8及电机速度反馈器9等部分组成。系统设计时，首先将来料基本参数转换为所需控制卷取板带长度对应的脉冲数，并由此导出如下给出的按照预设卷取长度进行控制的转换公式(1)和按照预设卷取重量进行长度控制的转换公式(2)： $S_1=\frac{B}{A}---\left(1\right)$ 式(1)中S₁为对应设定长度的脉冲数，B为卷取长度设定值(mm)，A为测长光电编码器的脉冲当量(mm/脉冲)； $S_2=\frac{E}{A\×C\×D\×G}---\left(2\right)$ 式(2)中S₂为对应设定卷取重量的脉冲数，E为卷取重量设定值(kg)，C为来料板宽设定值(mm)，D为来料板厚设定值(mm)，G为来料比重(kg/m³)。生产机组工作时，通过向人机界面1输入运算控制参数使运算器2根据式(2)或式(1)输出定重脉冲数值S₂或定长脉冲数值S₁，由测长光电编码器4检测通过生产机组的板带长度，其反馈脉冲数值S₃与式(2)或式(1)中的S₂或S₁进行比较及比例调节运算，最终得到控制卷取机运转的速度信号S_P，同时，反馈脉冲数值S₃再经与式(2)或式(1)的逆运算，得到实际卷取重量或长度数值返回人机界面1。附图中除功能构件1、4、5、7、8、9外，其它一般都可以是由可编程序控制器软件完成的功能环节。

与典型位置闭环控制系统不同，本发明为了使位置控制过程中的减速控制与生产机组的工艺操作控制相结合，增加了若干特殊环节，根据机组工艺操作形式的不同，特殊环节的数量和工作原理也有所区别。本发明中机组工艺操作控制机组速度的方法由两种，一种是电位器模拟给定，信号的大小和变化斜率均由操作者掌握；另一种是按钮操作，信号变化斜率在系统设计时已确定，操作者只能按图5或图6所示的以三个按钮或两个按钮的操作方式控制机组速度信号的大小变化。图5的操作硬件为三个按钮，即加速按钮(I)、减速按钮(D)和速度保持按钮(K)，当人为操作按钮之后，可编程序控制器便根据指令以预设定的加速度输出“加速”或“减速”的变化给定信号，或者是“速度保持”的恒定给定信号；而图6所示的两个按钮操作的形式则不需要速度保持按钮(K)。

实际工作中，根据对生产机组速度进行干预时不同的工艺要求，本发明之技术方案拥有如图2～图4所示的三种实施例。

实施例一

参见图2，本实施例方案的工艺要求是对任何时刻工艺操作都能对机组速度进行干预，即重量闭环控制已进入减速控制阶段，工艺操作仍能对机组速度实施干预。本实施例结构中的运算单元2包含有四只算术运算器，分别是用于完成定长度计算的定长脉冲数运算器21、用于完成定重量计算的定重脉冲数运算器22以及对长度反馈脉冲进行逆运算的长度脉冲数逆运算器23和对重量反馈脉冲进行逆运算的重量脉冲数逆运算器24；位置闭环控制单元3由减法器31、位置误差调节器32、速度逻辑控制器33、信号变换器35和速度余长运算器34组成；机组控制功能执行单元6由速度逻辑综合器61、选择控制开关63和具有“加速(I)”、“减速(D)”或“速度保持(K)”输出功能的功能执行控制器62组成。图中标号10为转换控制开关，用于完成定长控制或定重量控制的选择；减法器31用于给定脉冲和反馈脉冲的误差运算；信号变换器35用于将光电编码器4的脉冲频率信号转变为速度信号。工艺操作单元5为一组可由操作者通过人为给定速度信号以控制机组工作的按钮。

相对典型的位置闭环系统而言，本实施例系统增加了“减速余长运算”、“速度逻辑控制”和“速度逻辑综合”三个工作单元。

“速度余长运算”单元的工作原理是：根据机组当前时刻的实际工作速度和机组加减速所规定的加速度，计算出减速过程所需要卷取板带长度的对应脉冲数S₀，其量值由式(3)导出 $S_0=\frac{V^2}{2\×a\×A}---\left(3\right)$ 式(3)中V为机组工作速度(mm/s)，a为加减速过程的加速度(mm/s²)，A为脉冲当量(mm/脉冲)。

“速度逻辑控制”单元的工作原理是：由运算单元2输出并经转换控制开关10拣出的定长设定脉冲数值信号S₁或定重设定脉冲数值信号S₂和由光电编码器4输出的位置反馈脉冲信号S₃通过减法器31进行误差运算后，产生的位置误差信号S₄(S₄为S₃与S₂或S₁相减运算后而得到的位置误差值)送入位置误差调节器32内，得到控制机组运转的速度信号S_P(位置误差调节器为比例调节器即乘法运算器，比例系数为P，S_P＝S₄×P)，由光电编码器4输出的位置反馈脉冲信号S₃同时经信号变换器35转变为速度信号并由速度余长运算器34计算出机组减速过程所需卷取板带长度的对应脉冲数S₀，用位置误差调节器32输出的速度信号值S_P与减速余长运算器34计算出的值S₀进行比较，当S_P大于S₀时，说明卷取长度还未达到进入减速控制的余长值，因此速度逻辑选择机组速度控制状态为“保持”状态，即保持机组现行速度不变；当S_P小于S₀时，速度逻辑选择机组速度控制状态为“减速”状态，这时机组便以确定的加速度a开始减速。上述工作过程是一个循环控制过程，在整个减速过程中速度逻辑控制器33不断地根据S_P与S₀的比较结果，在速度“保持”与“减速”两种状态中切换，直至位置调节器32的输出为“0”，机组工作速度为零，卷取重量等于设定重量。

“速度逻辑综合”单元的作用是：将速度逻辑控制器单元33的结果与工艺操作单元5控制的结果进行综合后通过控制开关63向功能执行控制器62发出指令并使其输出相应的最终速度控制指令。

本实施例的优点在于使位置调节器32对机组速度的控制与工艺操作对机组速度的控制相结合，任何时刻都可以根据要求在两者之间进行切换，在保证闭环控制精度的前提下，可以保证减速过程是按照设定的加速度进行工作。

实施例二

参见图3，本实施例方案的工艺要求是工艺操作只在位置调节器处于饱和状态时对机组速度进行干预，重量闭环控制进入减速控制阶段后，工艺操作不需要再对机组速度实施干预。本实施例结构中的运算单元2仍包括实施例一结构所述的四只算术运算器21～24；闭环调节控制器3由减法运算器31和位置误差调节器32构成，机组控制功能执行单元6由速度逻辑综合器61、退饱和监视器64、选择控制开关63、65和具有“加速(I)”、“减速(D)”或“速度保持(K)”输出功能的功能执行控制器62组成；工艺操作单元5同样为一组可由操作者通过人为给定速度信号以控制机组工作的按钮。

由于本实施例在工艺上只要求工艺操作单元5在位置误差调节器32处于饱和状态时对机组速度进行干预，因此，在典型位置闭环系统中增加了“退饱和监视”单元和“速度逻辑综合”单元。“退饱和监视”单元(64)实质上是一个电平检测器，用于监视位置调节器32的输出状态。“速度逻辑综合”单元的功能与实施例一相比较为简单，只对工艺操作单元(按钮)5的逻辑信号进行综合。系统工作时，由运算单元2输出并经选择开关10拣出的定长设定脉冲数值信号S₁或定重设定脉冲数值信号S₂和由光电编码器4输出的位置反馈脉冲信号S₃通过减法器31进行误差运算后，产生的位置误差信号S₄再送入位置误差调节器32进行比例运算，得到控制机组运转的速度信号S_P；控制开关65根据位置误差调节器32是否处于饱和状态选择对电机实施工艺操作控制或重量闭环控制，当位置调节器32处于饱和状态时，比较器控制开关65选择工艺操作对机组速度进行控制，当位置调节器32退出饱和状态，说明重量闭环控制进入减速控制阶段，比较器控制开关65选择重量闭环对机组速度进行控制，此时工艺操作不再起作用。

本实施例的特点是控制简单，但不如实施例一灵活。

实施例三

参见图4，本实施例中工艺操作单元5为速度给定电位器，机组工艺操作速度控制是通过电位器模拟给定的，工艺要求是任何时刻工艺操作都能对机组速度进行干预，也就是在重量闭环控制进入减速控制阶段后，工艺操作仍能对机组速度实施干预，。因此，在典型位置闭环系统中增加了“限幅控制器”单元，即以一个限幅控制器作为机组控制功能执行单元6。限幅控制器的作用是由工艺操作电位器5的给定信号对位置调节器32输出信号进行限幅控制，其工作原理实质上是一个“小值选择器”，它在工艺操作和重量闭环控制的信号之间选择小者进行输出。当位置调节器32处于饱和状态时，机组工作速度只能跟随机组工艺操作电位器5的模拟给定信号进行变化；当位置调节器32退出饱和状态且输出小于工艺操作电位器5的信号时，则系统进入闭环控制状态，直至位置调节器32的输出为“0”，机组工作速度为零，卷取重量等于设定重量。

本实施例的特点与实施例一的特点类似，只是减速时的加速度是变化的。

Claims (6)

1、一种金属板带计重分卷自动控制系统，由用于拖动纵剪分卷生产机组工作的电机(8)、电机调速器(7)、用于检测板带卷取长度的光电编码器(4)、可编程序控制器和用于向可编程序控制器输入运算控制参数并显示控制结果的人机界面(1)组成，其特征在于所说的可编程序控制器包括一个用于完成板带定长或定重计算及逆运算并根据计算结果给出定长或定重送料模式的运算单元(2)、一个用于对运算单元(2)给定数字信号和光电编码器(4)反馈脉冲进行误差比例运算的位置闭环控制单元(3)、一个用于人为控制电机调速器(7)进行工作的工艺操作单元(5)以及一个通过对位置闭环控制单元(3)输出信号及工艺操作单元(5)控制信号进行综合从而控制电机调速器(7)工作的机组控制功能执行单元(6)，由人机界面(1)输出的运算控制参数信号经运算单元(2)运算后发出定长度设定脉冲数值或定重量设定脉冲数值进入位置闭环控制单元(3)，该数值在与测长光电编码器(4)发出的测长反馈脉冲值进行比较运算后进入执行单元(6)，并在与由工艺操作单元(5)控制指令信号进行综合后，输出“加速(I)”、“减速(D)”或“速度保持(K)”给定信号以控制电机(8)运转，由测长光电编码器(4)发出的反馈脉冲值同时再经过运算单元(2)逆运算后，得到实际卷取重量或长度数值返回人机界面(1)。

2、如权利要求1所述的金属板带计重分卷自动控制系统，其特征在于所说的闭环调节控制器(3)由减法运算器(31)和位置误差调节器(32)构成，由运算单元(2)输出并经选择开关(10)拣出的定长设定脉冲数值信号(S₁)或定重设定脉冲数值信号(S₂)和由光电编码器(4)输出的位置反馈脉冲信号(S₃)通过减法器(31)进行误差运算后，产生的位置误差信号(S₄)再送入位置误差调节器(32)进行比例运算，得到控制机组运转的速度信号(S_P)，机组控制功能执行单元(6)将该信号与工艺操作单元(5)控制的结果进行综合后，得到最终的速度控制指令。

3、如权利要求2所述的金属板带计重分卷自动控制系统，其特征在于所说的位置闭环控制单元(3)由减法器(31)、位置误差调节器(32)、速度逻辑控制器(33)、信号变换器(35)和速度余长运算器(34)组成，由运算单元(2)输出并经转换控制开关(10)拣出的定长设定脉冲数值信号(S₁)或定重设定脉冲数值信号(S₂)和由光电编码器(4)输出的位置反馈脉冲信号(S₃)通过减法器(31)进行误差运算后，产生的位置误差信号(S₄)再送入位置误差调节器(32)进行比例运算，得到控制机组运转的速度信号(S_P)，由光电编码器(4)输出的位置反馈脉冲信号(S₃)同时经信号变换器(35)转变为速度信号并由速度余长运算器(34)计算出机组减速过程所需卷取板带长度的对应脉冲数(S₀)，通过速度逻辑控制器(33)将S_P和S₀进行比较，直至位置误差调节器(32)的输出为“0”，机组控制功能执行单元(6)将速度逻辑控制器(33)的结果与工艺操作单元(5)控制的结果进行综合后，得到最终的速度控制指令。

4、如权利要求1或3所述的金属板带计重分卷自动控制系统，其特征在于所说的机组控制功能执行单元(6)由速度逻辑综合器(61)、选择控制开关(63)和具有“加速(I)”、“减速(D)”或“速度保持(K)”输出功能的功能执行控制器(62)组成，速度逻辑综合器(61)将速度逻辑控制器(33)的结果与工艺操作单元(5)控制的结果进行综合后通过选择开关(63)向功能执行控制器(62)发出指令并使其输出相应的最终速度控制指令。

5、如权利要求1或2所述的金属板带计重分卷自动控制系统，其特征在于所说的机组控制功能执行单元(6)由速度逻辑综合器(61)、退饱和监视器(64)、选择控制开关(63、65)和具有“加速(I)”、“减速(D)”或“速度保持(K)”输出功能的功能执行控制器(62)组成，退饱和监视器(64)为一个用于监视位置调节器(32)输出状态的电平检测器，控制开关(65)根据位置误差调节器(32)是否处于饱和状态选择对电机实施工艺操作控制或重量闭环控制。

6、如权利要求1或2所述的金属板带计重分卷自动控制系统，其特征在于所说的机组控制功能执行单元(6)为一个由工艺操作单元(5)的给定信号对位置调节器(32)输出信号进行限幅控制的限幅控制器。

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