平整定位輥電液比例控制及在線監(jiān)控

平整定位輥是某熱軋帶鋼廠平整線人口的關(guān)鍵設(shè)備之一，由兩套獨(dú)立的電液比例系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動，同時還裝有以可編程控制器和組態(tài)軟件為核心的計算機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)，可方便地對工作過程進(jìn)行控制與監(jiān)測。

1．液壓系統(tǒng)

兩個定位輥采用獨(dú)立的系統(tǒng)驅(qū)動，當(dāng)使用一段時間后，兩輥道機(jī)械零部件磨損不一致、電液比例系統(tǒng)零點與增益改變或負(fù)載不平衡時，其轉(zhuǎn)速也會不相同，從而導(dǎo)致其中某一個定位輥成為另一個的負(fù)載，使工況劣化，設(shè)備壽命降低。兩個定位輥支撐的鋼卷重力為330kN左右，屬重載工況，在正常操作（尤其是正反轉(zhuǎn)切換）時，慣性大、沖擊大，定位精度難以保證。

考慮上述問題，采用如圖43所示的電液比例系統(tǒng)。

驅(qū)動定位輥：選用帶壓差補(bǔ)償器的比例方向閥3.1和3.2作為主要控制元件，調(diào)節(jié)方便，速度剛度大，同時通過輥道端部的編碼器18.1和18.2對轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量與反饋，實現(xiàn)數(shù)字閉環(huán)控制，能達(dá)到較高的同步控制精度。比例方向閥便于設(shè)定起停斜坡時間和速度切換控制，能使輥道在起動、停止、變速時運(yùn)動平穩(wěn)、同時在液壓馬達(dá)的進(jìn)出口間設(shè)置雙向溢流緩沖閥4.1和4.2，能避免液壓馬達(dá)兩個油口的壓力出現(xiàn)異常，吸收系統(tǒng)的沖擊和振動，使設(shè)備運(yùn)行更加平穩(wěn)，定位精度更高。液壓馬達(dá)直接安裝于定位輥道頭部，處于鋼卷升降與平移的通道區(qū)。若馬達(dá)尺寸過大，容易被運(yùn)行的鋼卷碰撞；若馬達(dá)尺寸過小，又不能直接輸出所需的工作轉(zhuǎn)矩。為解決安裝空間尺寸小與輸出轉(zhuǎn)矩大的矛盾，考慮選用帶行星減速機(jī)的一體化液壓馬達(dá)6.1和6.2作為驅(qū)動裝置，尺寸小，驅(qū)動力矩大。另外為保證電液比例系統(tǒng)正常工作，設(shè)置有液位、清潔度和溫度監(jiān)控元件，液位傳感器19、帶壓差報警過濾精度為10pin的精過濾器8、PT100溫度傳感器15、電加熱器16、冷卻水閥17、冷卻器16。

2．計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)硬件

(1)下位機(jī)系統(tǒng)分析與設(shè)計。所設(shè)計的電液比例系統(tǒng)含有數(shù)字量和模擬量輸入、輸出、脈沖量輸入等參量，還需進(jìn)行數(shù)字閉環(huán)控制，對運(yùn)動速度實時修正。根據(jù)這一特點，選擇性能可靠、編程簡單、具有開關(guān)量和模擬量輸入、輸出、運(yùn)算、定時、計數(shù)、順序控制、PID控制等功能的西門子S7-300可編程控制器作為下位機(jī)核心控制元件。其配置為：電源模塊PS307 SA、CPU模塊CPU 3130-2 DP（集成D116/D016，可作高速計時計數(shù)用）、開關(guān)量輸入模塊Dl4、模擬量輸入、輸出模塊A14/A02。為使液壓泵電動機(jī)安裝、調(diào)試與檢修方便，設(shè)置有本地手動起?？刂瓢粹o，其他均在監(jiān)控計算機(jī)畫面上進(jìn)行操作與監(jiān)視。可編程控制系統(tǒng)I/O地址分配見下表。

可編程控制系統(tǒng)I/O地址分配表

名  稱	輸入地址	輸出地址		名  稱	輸入地址	輸出地址
電動機(jī)本地啟動	I0.0			壓差報警	I0.3
電動機(jī)本地停止	I0.1			閥油箱液位	PIW274
泵吸油閥狀態(tài)	I0.2			比例閥1信號		PQW272
電動機(jī)啟動器		Q124.0		編碼器1信號	IW768
溫度傳感器	PIW272			比例閥2信號		PQW274
電加熱器		Q124.1		編碼器2信號	IW780
冷卻水閥		Q124.2

(2)上位機(jī)系統(tǒng)分析與設(shè)計。上位機(jī)配置西門子通信卡CP5611，并安裝組態(tài)軟件WinCC5.1，用于開發(fā)用戶程序，建立人機(jī)接口。上位機(jī)通過通信卡與可編程控制器的多點接口（MPI）進(jìn)行通信，對現(xiàn)場生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控。監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖44所示。

3．計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件

(1)可編程控制器控制軟件設(shè)計。

1)可編程控制器硬件組態(tài)。在STEP75.1中按上述配置進(jìn)行硬件組態(tài)，并將兩個測速編碼器對應(yīng)的輸入通道設(shè)置為頻率測量，以便測量值與速度呈線性關(guān)系，將AI通道設(shè)置為0～20mA，與模擬傳感器輸出信號匹配；將AO通道設(shè)置為  -10～+10V，與比例放大器匹配。

2)可編程控制器程序結(jié)構(gòu)設(shè)計與編寫。按照系統(tǒng)的工況與連鎖條件，程序結(jié)構(gòu)由一個組織塊( OB1)、兩個功能(FC1、FC2)、一個功能塊(FB1)和三個數(shù)據(jù)塊(DB1、DB10、DB11)組成。

其中OB1作為主循環(huán)程序塊，調(diào)用其他數(shù)據(jù)塊、功能、功能塊實現(xiàn)控制任務(wù)；FCl屬環(huán)境條件檢測功能，用于對液位、油溫、污染進(jìn)行檢測，判斷液壓系統(tǒng)是否具備工作條件；FC2是電動機(jī)控制功能。對本地、遠(yuǎn)程起停條件進(jìn)行運(yùn)算，控制液壓泵電動機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)；FB1是對兩臺比例閥進(jìn)行PID控制的功能塊，因兩比例閥工作方式相同，只是參數(shù)可能不一致，因此用兩個背景數(shù)據(jù)塊DB10和DB11分別為兩比例閥控制提供運(yùn)行參數(shù)。DB1作為共享數(shù)據(jù)塊，是上位機(jī)和下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的區(qū)域，通過它將監(jiān)控計算機(jī)與現(xiàn)場設(shè)備聯(lián)成一體。程序結(jié)構(gòu)如圖45所示。

(2)人機(jī)接口(HMI）軟件。人機(jī)接口主要用組態(tài)軟件WinCC5.1進(jìn)行開發(fā)，包括操作監(jiān)控主畫面、泵站監(jiān)控畫面、定位輥道監(jiān)控畫面、通信模塊、歷史數(shù)據(jù)保存、讀盤和打印等幾個功能模塊。能通過上述功能模塊對液壓系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作與監(jiān)視，并將運(yùn)行信息保存和發(fā)送到廠信息中心，供廠級監(jiān)視診斷中心和遠(yuǎn)程監(jiān)視診斷中心使用。

系統(tǒng)操作人員通過HMI發(fā)出操作指令經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)送到現(xiàn)場PLC站，PLC的AO、DO模塊與設(shè)備總線對液壓系統(tǒng)中的相關(guān)元件進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制；同時液壓系統(tǒng)運(yùn)行過程中的狀態(tài)參數(shù)通過設(shè)備總線與現(xiàn)場PLC站AI、DI模塊經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)送到監(jiān)視站。工程技術(shù)人員可以通過工程師站對系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境、參數(shù)進(jìn)行設(shè)定、修改和維護(hù)。

系統(tǒng)在某熱軋廠平整生產(chǎn)線上投入使用后，生產(chǎn)線自動化程度、管理質(zhì)量和可靠性大大提高，故障診斷和處理直觀，便于維護(hù)和使用，減輕了勞動強(qiáng)度，提高了勞動生產(chǎn)率，取得了良好的效益。