CN1979364A - 精密数字步距控制器 - Google Patents

Abstract

本发明是精密数字步距控制器，是一可编程序控制器，其特征在于，按以下步骤控制水平方向精度：(1)活动梁从原始点上升到顶部后，此时水平传感器的值作为初始值，计为A；(2)当活动梁从顶部进到高速位时，处理器将这时水平传感器的值减去上一步的误差D作为原控制器的水平传感器输入；(3)活动梁到达前进位下降处，这时水平传感器的值作为终了值，计为B；(4)在处理器中完成B减A，得出当前的实际读数步距，加上前一步的误差得出当前步距，计为C；(5)假定步距设定为W，在处理器中完成W减C，作为当前的步距误差，计为D；(6)当活动梁从底部后退到高速段时，将水平传感器的输入直接作为对原控制器的输入；(7)当活动梁进行下一次动作时，重复步骤(1)到(6)。

Description

精密数字步距控制器

技术领域：

本发明涉及数字控制步距的方法及控制部件。

背景技术：

在轧钢厂中用到步进梁式加热炉，步进梁式加热炉的主要设备是步进梁。一根钢坯从进入炉开始到加热完毕出炉通常要经过60到80步的运动过程，承载这些钢坯运动的就是步进梁。步进梁都是采用液压系统推动，步进梁承载的总重量通常有几百吨重。

步进式加热炉是冶金系统热轧厂的第一道工序，主要作用是用于钢坯的加热，加热到1150~1250度之间，出炉后进入轧机，轧成各种规格的产品。

对于方形钢坯加热炉来说，目前较选进的工艺是用入炉辊道进钢，出炉辊道出钢的方式，这种工艺加热炉最省能耗，且容易实现全自动化。步进式加热炉的平面图见图1所示，炉子设计好后，入炉辊道中心线与出炉辊道中心线的距离是固定的，且钢坯从入炉辊道到出炉辊道要走多少“步”也是设计好的，也就是说钢坯从入炉辊上前进开始直到走完最后一步后必须刚好到达出炉辊道上。其中有些梁是固定不动的，叫固定梁，有些梁是活动的叫活动梁，炉内的钢坯就是由这些活动梁托着运动一步一步向前移动的。这些活动梁的运动是由液压系统来推动的。活动梁的运动轨迹见图2所示：步进梁前进时动作周期是“上升—前进—下降—后退”，当活动梁上升后托起固定梁上的所有钢坯，然后前进下降时又将所有的钢坯放到固定梁上，不过这时所有的钢坯已往前走了一步了。如此往复运行，直到钢坯到达出炉辊道上，然后启动出炉辊道将钢坯运出炉外进入轧线的轧机，在正常生产中是一边进钢一边在出钢的。

步进梁的动作周期一般是上升下降各占12秒，前进后退各占6秒，只有达到这样的速度才能满足轧钢速度的要求，不然产量就达不到。

如果钢坯从入炉辊道到出炉辊道设计的行程是60步，那么满炉坯的情况下梁上共有60根坯，液压承载的总重量是60*2.5(每根钢坯的重量)+活动梁自重，约为200吨。在如此负重的情况下，还要达到这样的运行速度和精度，对梁的控制的要求是很高的。

活动梁是分别由升降液压缸和平移液压缸分别推动升降动作和前进后退动作的。速度的控制是通过调节液压系统的比例阀的开度来控制的，通过对比例阀开度的控制也就达到了对速度的控制，但液压的比例阀开度与速度关系不是绝对的比例关系，也不是纯线性的。

对于钢坯在炉内的动作，要满足下面两点要求：1.轻拿轻放，否则很容易损坏炉内步进机械。2.每步前进的行程精度要高，否则会出现“掉钢”或“撞炉膛”事故，影响生产产量。要想做到上面两点，必须对梁的运行速度曲线进行良好的控制。例如上升阶段，起步时要平稳到达高速，当活动梁上升到与固定梁等高位托钢时又要提前放慢速度，以达到轻拿的目的，托起钢以后又要平稳到达高速段，快到顶部位时又要提前减速，慢速停止达到停止时步进机械的平稳(速度曲线见图3)；对于活动梁下降时，必须做到动作起步平稳到达高速段，当快到达与固定梁等高位放钢时又要提前减速，以达到对钢坯轻放的目的，放完钢以后又要平稳到达高速，当快到底部位时又要提前减速，以达到停止时步进机械的平稳的目的(速度曲线见图4)。对于活动梁前进时，起步要平稳到达高速，快到停止位时又要提前减速，以达到停止平稳，步进精度准确的目的；对于活动梁后退时，起步要平稳到达高速，快到后退位时又要提前减速，以到停止平稳，步进精度准确的目的(速度曲线见图5)。对于升降的控制主要做到起动停止平稳，以及中位线托钢和放钢的轻拿轻放。对于精度的控制没有很精密的要求，因为升降距离过冲一点不会影响到水平方向的步距精度。

对于步进梁的精度控制主要是指水平方向的精度控制。在水平方向通常的步距是240-320毫米之间，每步的误差必须控制在0.5个毫米之内，走完60步后的总累积误差在30毫米之内，在出炉侧的钢坯位置虽然有偏差，但钢坯依然能出来，不至于出现“掉钢”或“撞炉膛”的事故。

目前国内外所有的步进梁运行一段时间以后都存在较大的误差，这个误差是很难调整的。首先，误差的调整依赖于液压机械设备，误差的调整是通过调整运行速度曲线中的动作拐点及速度的设定来实现的，只能定性不能定量，只能控制趋势不能精确设定。这对于一般用户来说调整是很困难的，通常要花费很长的时间才能有所改进，但不能彻底消除误差，运行一段时间后，偏差又出现了。在生产中要定时(约1.5小时)人工手动的纠正累积的误差，调整一次约要花时60-120秒的时间，影响生产产量3到5吨。

发明内容：

本发明的目的是提供一种步进梁水平方向的精度控制新方法及实现该方法的装置——精密数字步距控制器。看一下平移的运行速度曲线(见图4所示)，其中有很长的一段距离是高速段，就这一段而言是没有速度变化的，能否将误差在高速段悄悄地消失掉呢？本发明的核心思想就在这里。

跟常规的控制方法一样，在这里也进行误差计算。当活动梁前进到达高速段后，将现场传来的传感器距离值减去前面一步的误差作为传感器的实际输入值作为控制参考值。就这一点思想，在控制的方式和效果上却产生了戏剧性的变化，精度的控制及步距的调整变得非常简单，让我在下面进行分析。

速度控制曲线是依据传感器从现场传来的实际行程值作为参考的，将带有累积误差的数值称为“假数”作为控制软件的参考值，这样保持了完整的运行曲线，保证了机械的稳定，而又将累积误差悄悄地消失在曲线中。这出现了意想不到的非常有用的效果，在整个运行过程中系统会自动将误差“化零为整”又“化整为零”。不管钢坯走多少步，累积误差始终在一步的误差之内，理论上通常在1毫米之内。

这理有三点需要说明：

1.每步的误差达到0.1毫米时，如何进行实际的测量呢？实际上并不难，让钢坯从入炉辊道运行到出炉辊道，最后一步与出炉辊道中心线的距离是可以测量出来的，因为这是累积误差，将这个误差除以60(假定总步数为60步)就是每步的误差。况且在实际生产中，可以慢慢地修改数值，直到累积误差合适为止。这样数值的调整并不影响生产，可以一边调试一边生产，与过去的必须停产调整液压系统有天壤之别。

2.还有一点要说明的，就是本分析是假定传感器的测量值与实际值是一致的，用我发明的控制方法，当测量值与设定步距值不一致时，系统如何自动纠正误差，让设定值与实际值一致。因为如果我发明的调整控制方法是可行的，传感器的测量值与实际值不一致的情况是很容易通过改变步距设定值来改变的。

3.用“假数”作为控制参考值的办法，当前进到中间位减去误差的瞬间，参考值会有微量的突变，但不会影响运行的速度曲线和稳定性。因为速度曲线是按当前的距离来设定相应的速度，给定的速度是一致的，小量的误差补偿后的新值不会超出该行程范围。

依据自动调节控制原理：假定活动梁从原始点出发，经过设定的步距后到达M点，步距设定为B，实际传感器的读数步距为A。第一步后产生的误差为B-A，当第二步动作前进到B/2的位置(处于高速段)时开始，将实际的传感器输入值减去前一步的误差作为传感器的输入参考控制值，当步进梁依照已定的控制曲线到达终点后还是到达A点(实际足假A点)，但这时的实际步距为A+(B-A)＝B，由些可见，可达到实际步距与设定步距一致的目的。

前面的分析是基于梁的动作每个周期都是稳定情况下分析的，但实际上每步不可能都是稳定的，可能一步走多了，另一步却走少了，如果是传统的控制方法，这种情况是很糟糕的，但用我的控制方法，却可以自动将误差“化零为整”及“化整为零”，始终保持在一步的误差之内，下面进行分析。

要实现“化零为整”，就是对当前实际步距数值进行处理，必须始终将当前实际传感器的读数步距加上前面一次的动作误差作为本次的当前步距，原因是尽管前一次误差在本次中已得到补偿，但本次的传感器读数步距是补偿后的实际步距。这样自动将“节余”或“亏欠”往下一步推；要实现将误差“化整为零”，即是每步都处于浮动的误差补偿状态。实际上每步都不可能完全补偿准确到位的，但并没有关系。当前步已在“自己的能力范围内”进行了补偿，都尽到了自己的责任了，将“节余”或“亏欠”留给下一步去补偿了。这样总的误差始终在一步的误差之内。

在本发明中采用了不改变原来控制系统，在原来控制系统外增加本精密数字步距控制器的办法来实现对步进梁水平方向的精度控制。

本发明的精密数字步距控制器，它是由处理器(CPU)、信号输入输出模块、操作控制屏及电源部分构成的，其中处理器是对信号的处理计算及存贮，信号输入输出模块是本控制器与原有水平位移传感器、升降传感器及原有步进梁控制系统之间进行信号传递，操作控制屏是对系统内的参数进行设定，所述的处理器存储着控制器的相关设定参数，平移方向的原始点位置设定、平移方向的最大点位置设定、步距值的设定、升降方向的原始点及最高点位置设定，其特征在于，按以下步骤实现对步进梁水平方向的精度控制：

(1)活动梁从原始点上升到顶部后，这时水平位移传感器的值作为初始值保存起来，计为A；

(2)当活动梁从顶部前进到中间高速位开始时，处理器将这时平移传感器的输入值减去上一步的误差D(第一步设定为零)输出作为原控制器的水平位移传感器输入；

(3)前进位下降时，将这时水平位移传感器的值作为终了值保存起来，计为B；

(4)在处理器模块中完成B减A，得出当前步的实际读数步距，加上前一步的误差(第一步时假定为零)得出当前步距，计为C；

(5)假定步距设定值为W，则在处理器中完成W减C，作为当前步距的步距误差，计为D；

(6)当活动梁从底部后退到中间高速段时，将水平位移传感器的输入直接作为输出，作为对原控制器的输入；

(7)当活动梁进行下一次动作时，重复步骤(1)到(6)。

即在原来控制系统外增加本精密数字步距控制器，在本控制器上对步距进行测量和控制，将“假数”通过本控制器的输出作为原控制系统传感器的输入。这就解决了作为一种独立的产品，不用关心原来控制系统的结构和语言，只要在我的控制器产品上输入各种参数，对控制的步距进行数字化的设定即可，是一全新的步距控制模式，一个独立的控制器产品，这对步进梁的精度及步距的控制将产生革命性的改变，极其有广泛推广的意义。对冶金系统将节约大量的人力、物力、财力，将创造区大的经济效益。

附图说明：

图1是步进式加热炉的平面图；

图2是活动梁的运动轨迹图；

图3是托钢运行的速度曲线图；

图4是放钢时的速度曲线图；

图5是平移运行的速度曲线图；

图6是精密数字步距控制器系统框图；

图7是控制方法流程图；

图8是与原控制系统连接使用的信号连接示意图；

图9是与原控制系统连接接线原理图。

具体实施方式：

见图6～图7，本发明是一种精密数字步距控制器，它是由处理器(CPU)、信号输入输出模块(采用模拟量和开关量输入输出模块)、操作控制屏及电源部分构成的，其中处理器是对信号的处理计算及存贮，信号输入输出模块是本控制器与原有水平位移传感器、升降传感器及原有步进梁控制系统之间进行信号传递，操作控制屏是对系统内的参数进行设定，所述的处理器存储着控制器的相关设定参数，平移方向的原始点位置设定、平移方向的最大点位置设定、步距值的设定、升降方向的原始点及最高点位置设定，其特征在于，按以下步骤对步进梁水平方向的精度控制：

(1)当活动梁从原始点上升到顶部后，这时水平位移传感器(简称水平传感器)的值作为初始值保存起来，计为A；

(2)当活动梁从顶部前进到中间高速位开始时，处理器将这时平移传感器的输入值减去上一步的误差D(第一步设定为零)输出作为原控制器的水平位移传感器输入；

(3)前进位下降时，将这时水平位移传感器的值作为终了值保存起来，计为B；

(4)在处理器中完成B减A，得出当前步的实际读数步距，加上前一步的误差(第一步时假定为零)得出当前步距，计为C；

(5)假定步距设定值为W，则在处理器中完成W减C，作为当前步距的步距误差，计为D；

(6)当活动梁从底部后退到中间高速段时，将水平位移传感器的输入直接作为输出，作为对原控制器的输入(不再加上一步的误差，原因是让活动梁每次后退都回退到原始点)；

(7)当活动梁进行下一次动作时，重复步骤(1)到(6)。

市场上很多可编程序控制器(PLC)的生产厂家都生产微型PLC控制器，配上同一厂家生产的或符合相同通讯协议的操作面板即可组成一个完整的控制器。只要将所需的信号按说明书要求接入和接出，以及编写必要的算法软件输入到PLC即可。实施时，本精密数字步距控制器选用日本三菱FX系列PLC。控制器的输入信号包括：

a)水平位移传感器的输入信号①。(从现场来的模拟信号)

b)升降方向的位移传感器的输入信号②。(从现场来的模拟信号)

c)活动梁上升信号③。(从原系统来的开关量信号)

d)活动梁下降信号④。(从原系统来的开关量信号)

e)活动梁前进信号⑤。(从原系统来的开关量信号)

f)活动梁后退信号⑥。(从原系统来的开关量信号)输出信号包括：

a)水平方向的位移传感器信号⑦。(从新控制器到原系统的模拟信号)

b)升降方向的位移传感器信号⑧。(从新控制器到原系统的模拟信号)

在使用了精密步距控制器后，并不改变原来控制系统的运行曲线及控制方式，但将现场来的传感器的信号经过精密步距控制器处理后再送到原控制系统的传感器输入端。

下面对使用和没有使用精密数字步距控制器时的控制过程做一比较：

在没有使用我发明的控制器的情况下，其步进动作是这样的：假如步进梁的工艺要求是每步300MM，那么必须对机械及液压系统进行反复的调试，使之能满足下面的效果：1.步进梁在行进过程中整个机械要稳定，2.前进步距刚好是300MM。为了能满足上述要求，必须对步进梁在运动过程中要按合理的速度曲线进行动作，这个调试过程是一个艰难的过程，在正常使用一段时间后，往往是整个梁的机械动作是平稳的，但步距有误差，如都偏大或都偏小，致使生产中出现事故；使用了精密数字步距控制器后，对步进梁的调试及动作的要求只要满足整个机械动作基本平稳就行，对于步距是可以用简单的步距设定来实现的，并能使实际步距与设定步距永远精确一致，例如步距设定为300MM，但因为有误差实际走了301MM，误差为-1MM，在下一步前进到150MM开始，数据突然变为151MM(称为新数实际为150MM)，这时开始速度曲线中的X轴实际是新数，按速度曲线应该是步距到300MM就停了，如果是这样的话，控制器认为走了300MM，但实际是299MM，但其实情况并不可能刚好是300MM，假如实际是299MM，那么实际是走了298MM，这样前面二步的总误差为1MM(少走了)，第三步时也是因为从中间开始出现“假数”的原因，前进到150MM开始变为149MM，按照固有惯性如果到了300MM就停了，这时实际已走了301MM，这样又把前面的误差补上了，这时前面三步的总误差为0，但实际上不可能刚好到300MM就停了，可能到了301MM才停，这时实际走了302MM，这时当前误差又变为-1MM了，如此类推往复，总的误差永远只有一步的误差之内。

参见图8是本精密数字步距控制器与原控制系统连接使用的信号连接示意图，其中，步进梁控制系统与液压系统之间的控制信号是控制系统已有的控制信号，不在精密步距控制器的信号范围之内。

参见图9是本精密数字步距控制器与原控制系统连接接线原理图。

Claims (1)

1、一种精密数字步距控制器，它是由处理器(CPU)、信号输入输出模块、操作控制屏及电源部分构成的，其中处理器是对信号的处理计算及存贮，信号输入输出模块是本控制器与原有水平位移传感器、升降位移传感器及原有步进梁控制系统进行信号传递，操作控制屏是对系统内的参数进行设定，所述的处理器存储着控制器的相关设定参数，平移方向的原始点位置设定、平移方向的最大点位置设定、步距值的设定、升降方向的原始点及最高点位置设定，其特征在于，按以下步骤实现对步进梁水平方向的精度控制：

(1)当活动梁从原始点上升到顶部后，这时水平位移传感器的值作为初始值保存起来，计为A；

(2)当活动梁从顶部前进到中间高速位开始时，处理器将这时平移传感器的输入值减去上一步的误差D(第一步设定为零)输出作为原控制器的水平位移传感器输入；

(3)前进位下降时，将这时水平位移传感器的值作为终了值保存起来，计为B；

(4)在处理器中完成B减A，得出当前步的实际读数步距，加上前一步的误差(第一步时假定为零)得出当前步距，计为C；

(5)假定步距设定值为W，则在处理器中完成W减C，作为当前步距的步距误差，计为D；

(6)当活动梁从底部后退到中间高速段时，将水平位移传感器的输入直接作为输出，作为对原控制器的输入；

(7)当活动梁进行下一次动作时，重复步骤(1)到(6)。

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