（系统工程专业论文）基于模糊控制的剪切线控制系统.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 我国的钢铁产量早已经居于世界前列，但相对于产量来说，目前我们的加工水平却 相对落后。对于轧钢卷材加工的首道工序定尺剪切而言，有两种加工设备：飞剪机 组和停剪机组。飞剪机组的生产效率高，但是控制系统复杂，设备价格昂贵，而停剪机 组设备相对简单，投资较少，为我国中小型钢铁加工企业所广泛采用。 国内中小企业所使用的停剪机组大多设备陈旧，自动化水平不高，特别是效率底、 剪切误差大。针对这种情况，沈阳工业大学系统工程研究所开发了2 2 5 0 m m 中厚板剪切 生产线。该系统以计算机和p l c 为控制系统的核心，成功的应用了计算机控制技术和 控制理论的最新研究成果，结合先进的西门子硬件产品，使停剪机组的生产质量和效率 得到了质的提高。相对于同性能的进口设备，该系统的成本低，性价比高，可以满足中 小企监陈旧设备的更新改造的需要，具有极大的市场价值。 本文介绍了整个横切机组的设备构成，电气组成，介绍了由可编程序控制器和数字 变频装置组成的定尺控制系统，以及模糊控制方法在定尺剪切的位置控制中的应用。其 中在第四章重点论述了模糊控制方法与p i d 控制技术相结合的模糊自适应p i d 控制器 在剪切线位置控制系统中的应用。 关键词：模糊控制p i dp r o f l b u s 自适应可编程控制器 姿塑三、业查兰堡主堂焦丝兰 一 t h ec o n t r o ls y s t e mf o rc u t t i n gp r o d u c t i o n l i n e b a s e do n f u z z y c o n t r o l a b s t r a c t t h es t e e lo u t p u to fo m c o u n t r yh a s b e e nl a i di nt h ef i r s tl e v e | l i s tf o ra l o n gt i m e ，b u tw i t h t h ec o m p a r i s o no ft h es t e e lo u t p u t ，o u r p r o c e s sm e t h o d sh a v eb e e nl a g g e da tp r e s e n tt i m e a s f o rt h ef i r s tw o r k i n g p r o c e d u r e i ns t e e lc o i lp r o d u c t i o n - f i x e dl e n g t hc u t t i n g ，t h e r ea r et w ok i n d p r o c e s se q u i p m e n t si nu s i n g s u c ha s f l y i n g c u ts e t sa n ds t o p p i n go n e s t h ep r o d u c t i o n e f f i c i e n c yi sh i 曲w h e nu s i n gf l y i n gc u ts e t s ，b u tc o n t r o ls y s t e m sc o m p l e x i t ya n d t h ee x p e n s i v e 曲c em a k ei t d i f f i c u l tf o ru s i n gi nl a r g er a n g e w h i l et h e s t o p p i n gc u ts e t si n v e s t m e n ti s r e l a t i v e l yl o w a n di t sc o n t r o ls y s t e m si sc o m p a r a t i v e l ys i m p l e ，t h es t o p p i n gc u ts e t sh a v eb e e n u s e d w i d e l y i nt h es t e e lp r o d u c t c o r p o r a t i o n t h e s t o p p i n gc u ts e t si nu s i n ga l em o s t l yo l da n dh a v i n gl o wa u t o m a t i o n ，e s p e c i a l l yl o w e f f i c i e n c ya n dl a r g ec u t t i n ge r r o r a i m e da ts o l v i n gt h e s ep r o b l e m s ，s h e n y a n gu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g ys y s t e m se n g i n e e r i n gg r a d u a t es c h o o lr e s e a r c h e sa n dd e v e l o p sa k i n do fc o n t r o l s y s t e mo f2 2 5 0 m m m e d i aa n dm i c ks t e e lp l a t ec u t t i n gp r o d u c t i o nl i n e t h i sc o n t r o ls y s t e mi s b a s e do n c o m p u t e r a n dp l ca n d s u c c e s s f u l l yr i s e st h eu p t od a t er e s e a r c hr e s u l t si nc o m p u t e r c o n t r o lt e c h n o l o g ya n dc o n t r o lt h e o r ya n dc o m b i n e sa d v a n c e ds i e m e n sh a r d w a r ep r o d u c t i o n ， t h i sc o n t r o ls y s t e mi m p r o v e st h ep r o d u c t i o nq u a l i t ya n de f f i c i e n c y c o m p a r e dw i t ht h es a m e p e r f o r m a n c ei m p o e q u i p m e n t ，t h i ss y s t e mh a s l o wc o s ta n d h i g hq u a l i t ya n dp r i c e r a t i o i tc a n m e e t t h e n e e d so f r e n e wa n d r e c o n s u l l c t e q u i p m e n t i n t h e m e d i a a n d s m a l la n d h a s h u g e m a r k e t v a l u e i nt h i sp a p e rw e p r e s e n tt h ee q u i p m e n ta n de l e c t r i cs t r u c t u r eo f t h ew h o l et r a n s v e r s e l y s e t s ，i n t r o d u c et h ef i x e ds i z ec o n t r o ls y s t e mc o m p o s e db yp l ca n dn u m e r i cf r e q u e n c y c o n v e r s e ra n da p p l yf u z z yc o n t r o lm e t h o di np o s i t i o nc o n t r 0 1 i nc h a p t e r4w es 仃e s st h e a p p l i c a t i o no ff u = ya d a p t i v ep 1 dc o n t r o l l e rw h i c hc o m b i n e sf u z z yc o n t r o la n dp i dc o n 仃o l t e c h n o l o g y i n c u t t i n g l i n ep o s i t i o nc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：f u r y c o n t r o lp i l lp r o f i h u s s d f - a d a p f i v e p l c 2 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：勇笪卷犟日期：塑壁! 曼! 堑 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 期：工丘夏拶 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的背景和意义 伴随着我国工业技术的蓬勃发展，对钢材的需求量日益增大，特别是造船、汽 车、建筑等行业的快速发展对钢材的精加工也提出了更高的要求。2 2 5 0 m m 中厚板剪 切生产线正是在这些需求下研制生产的。 中厚板材是国民经济发展的重要钢铁材料之一，是我国现代化建设必不可少的 钢铁产品，其广泛应用于大直径长输油气管线、造船、桥梁、锅炉、压力容器、机 械制造、海洋平台及石油化工等部门。需求在整个钢材需求中有较大比重，平均中 厚板需求占全部钢材生产总量的1 1 1 3 。近几年中厚板消费需求增长很快，预计我 国2 0 0 5 年中厚板需求至少为2 1 0 0 2 2 0 0 万吨【1 1 。 钢板剪切线完成钢板精加工的第一道工序，完成轧钢卷的开卷、钢板矫平、定 尺剪切等一系列任务。其电气控制系统是一个典型的非线性系统。其中对活套、矫 直机、定尺剪切装置的控制极为复杂。针对此系统多参数、非线性、强耦合等特 点，我们应用先进的技术，对定尺剪切的控制中采用模糊控制技术，改进了带钢剪 切的进料方式，采用高性能的进口器件，结合现场总线( p r o f i b u s ) 、p l c 等技术的 最新成果以及先进的检测技术，设计并生产出了全自动化、智能控制的剪切生产 线。经生产实践检验，产品各项性能指标良好，机械性能稳定，且加工范围广( 带 钢厚度：1 2 2 2 m m ，宽度：1 5 0 0 2 2 5 0 m m ，定尺长度：4 0 0 0 1 2 0 0 0 m m ) ，故障率 低。该生产线在国内尚无同性能产品，具有极高的市场推广价值。 剪切生产线是钢材精加工的必须设备，随着钢铁产量的增加，其技术亦不断的 发展。在国外，以德马克等公司为代表，已经开发生产出一系列高性能的生产线。 在国内也有众多厂家在研制相关的产品。但总体上来说，与国外还有较大的差距。 从应用方面讲，在国内普遍存在设备老化现象，急需改造和更新换代。 伴随着我国工业发展对中厚板材的需求的增加，国内对板材精整技术的研究也 不断的深入。我们研制开发的2 2 5 0 m m 中厚板剪切生产线电气控制系统成功的应用 了智能控制技术。在工艺技术的成熟、可靠性上，已达到国内先进水平。不仅可以 3 沈阳工业大学硕士学位论文 提供整条生产线，亦可以提供对老设备的改造技术。而且相对与进口设备，具有不 可比拟的价格优势。 引进国外同样规格的生产线，费用大约在1 0 0 0 万美金。这对大型钢铁企业来 说，因其年产量高，相对来说能够承受。而对小企业、对加工中心来说，它面对的 是市场，面对的是大量零散的、需求量小的、品种规格多的用户，它所需要的是价 格相对便宜，又能保证矫直效果、剪切质量和剪切精度，控制水平高，操作简单、 方便、灵活，适台中国国情的生产线。2 2 5 0 中厚板剪切线的开发完全适应了这种市 场需求。 我们为广东省顺德市乐丛镇百汇平板厂开发的剪切厚度乳_ 2 2 m m 宽度1 5 0 旺 2 2 5 0 m m 的剪切线( 俗称开平线) ，已2 0 0 3 年3 月份投入了试运行，矫直效果、剪 切质量和剪切精度都达到了设计要求。运行至今，已剪切钢板达十二万多吨，按每 吨加工费8 0 1 2 0 元，直接效益约壹千贰百万元，并因此带动了整个企业的销售， 截止到2 0 0 3 年1 1 月份，已产生间接效益近六千万元。若连续运行，年产量可达到 4 0 万吨，必将给企业带来了巨大的经济效益。 1 2 中厚板钢材剪切线简介 我们自行研究开发的1 2 2 2x2 2 5 0 m m 剪切线在国内尚属首创。该横切机组电气 控制系统在方案设计和系统配置上，均采用了西门子最新的技术和方案，系统运用先 进的智能控制技术与优化方法实现剪切板长的精确控制。 基于现场总线技术的计算机控制系统，实现了整个生产过程的自动化控制。现 场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，以下简称f c s ) 是正在兴起的一种基 于现场总线技术的计算机控制系统，它是集当今计算机技术，网络技术和控制技术为 一体的当代最先进的计算机控制技术。是一种全分散、全数字、全开放的控制系统。 它适用于工业过程控制，制造业及楼宇自动化等领域，将成计算机控制系统的主流 2 1 。电控系统主要设备采用国外产品( p l c 等) ，国内配套。 机组参数如下： 带钢厚度：1 2 一- 2 2 m m 宽度：1 5 0 0 2 2 5 0 m m 定尺长度：2 0 0 0 1 4 0 0 0 m m 4 沈阳工业人学硕士学位论文 剪切精度： 机组速度： o + 2 m ( 考核范围4 0 0 0 1 0 0 0 0 m m ) 穿带速度：1 5 m m i n 工作速度：4 5 m m i n ( 板厚5 - 1 4 r o m 且定长 4 0 0 0 m m ) 2 0 m m i n ( 板厚1 4 2 2 m 或定长 4 0 0 0 咖) 总装机容量约为：1 0 0 0k v a 整个控制系统采用p l c 作为控制核心，p l c 选用西门子$ 7 - - 3 0 0 系列，生产线 的参数设定的主要操作通过人机界面( h m i ) 完成，h m i 采用西门子即一2 7 0 ，界 面友好，操作简单方便。在线调速使动装置选用的是西门子6 s e 7 0 系列。矢量型交 流变频调调速系统，由整流逆变单元、直流母线、逆变器等构成。h m i 设定的参数 经p l c 运算输出，由使动装置执行，控制机械设备完成上料开卷、穿带、矫直、定 尺剪切、自动垛板等功能。 采用现场总线( p r o f i b u s ) 技术，其显著特点是开放性，允许不同厂家按照现场 总线技术标准，开发具有特色及自主技术的产品。在此，将现场总线技术引入自动 化控制系统，促使传统控制系统结构演化，逐步形成基于现场总线的控制系统f c s 。 现场总线是用于现场仪表与控制系统之间的一种全分散、全数字化、智能、双向互 联、多变量、多点、多站的通信网络系统。具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力 强、通信速率快，系统安全，造价低廉，维护成本低等特点。现场总线技术使现场 级设备的信息作为整个企业信息网的基础，提高了控制系统的信息处理能力和运行 可靠性，节省了系统的硬件和布线费用，方便了用户对系统的组态、管理和维护 0 1 【4 1 i s l 。 定尺功能由p l c 、数据采集卡、测量装置和光电编码器综合完成，可实现板长 设定、板长修正、补偿值设定，设定后全自动工作。定尺理论误差为脉冲当量，补 偿值修正系统误差，精度极高。其数据采自光电编码器，经p l c 处理后转换为长度 值，p l c 随时检测到实际长度并发出控制信号。调节剪切线迸料系统的运行速度。 当检测到实际长度等于设定长度值时，进料的速度正好为零，并发出控制信号，控 制横剪机进行剪切。 5 沈阳工业大学硕士学位论文 1 3 智能控制技术的发展现状和趋势 自从美国数学家维纳在4 0 年代创立控制论以来，自动控制理论经历了经典控制 理论和现代控制理论两个重要发展阶段。前者主要解决单变量系统的反馈控制问 题，以频率法、根轨迹法和微分方程法为代表。而后者则着重解决多变量系统的优 化控制问题，以变分法、最大值原理和动态规划方法为代表，采用卡尔曼滤波器的 随机干扰下的线性二次型系统( l q g ) ，宣告了时域方法的完成。由于它们在国防和工 业等领域获得成功的应用，促进了社会生产力的发展i 6 j 。 进入7 0 年代中期以后，大系统理论的问世，有人曾把它作为第三代控制理论的 雏形。但是，这种观点未能得到实践的认可。实际上，大系统理论仍未突破现代控制 理论的基本思想与框架，除了高维线性系统之外，它对其他复杂系统仍然束手大 策。人们开始认识到，复杂性不仅仅表现在高维性上，更多的则是表现在系统信息 的模糊性、不确定性、偶然性和不完全性上。基于精确数学模型的大系统理论当然 无法解决好它们的控制问题，因此，智能控制理论的研究应运而生，成为当前控制 理论的研究热点之一。智能控制包括基于知识的专家系统、模糊控制、人工神经元 网络控制、学习控制和基于信息论的智能控制网。虽然智能控制理论只有十几年的历 史尚未形成比较完整的体系，但其已有的应用成果和理论发展正成为自动控制的 前沿学科之。 过程控制所采用的技术工具由基地式仪表、气动单元组合式仪表、电动单元组 合式仪表i 型、i i 型、i i i 型发展到现在的可编程单回路、双回路、三回路调节器和 分散综合控靠4 系统以及最近迅速发展起来的现场总线网络控制系统( f c s ) 。计算机在 过程控制中的应用。为控制工程的蓬勃发展奠定了物质基础，创造了应用条件。随 着工业发展与控制要求的提高，以及控制理论发展的指导，过程控制除简单控制系 统外，串级、比值、前馈、选择性、均匀控制等各种复杂控制系统和解耦、时滞补 偿、推断预估、预测、非线性、状态反馈、双重、自适应、人工神经元网络、模 糊、智能等高级控制系统也发展起来了【8 】。 自5 0 年代计算机开始用于工业过程控制以来，过程控制的发展经历了以下几个 阶段、 1 直接数字控制( d m ) 6 - 沈阳工业大学硕士学位论文 7 0 年代以前，计算机在过程控制应用的主要方式是实现集中控制，即直接数字 控制( d d c ) 。控制算法以p i d 、串级、比值和前馈等为主，主要是用计算机代替常 规调节仪表、当时的硬件可靠性低，成本比较高，应用不普及，处于试用阶段。 2 分散集中控制( d c s ) 随着计算机技术的迅猛发展，7 0 至8 0 年代，比较普遍采用分散集中控制 ( d c s ) 。其主要特点是在硬件上将控制回路分散化，数据显示、实时监督等功能集中 化。硬件可靠性大大提高。被大型工业过程的用户普遍采用，效果很好。但在控制 算法上仍无显著改进。工艺操作条件仍由人工给出。 3 两级优化控制 8 0 年代以后开始在d c s 的基础上，实现高级过程控制和优化控制。硬件上采用 上位机和d c s 或电动单元组合式仪表相结合，构成两级计算机优化控制系统。在算 法上，将控制理论研究的新成果，如多变量解耦控制、多变量约束控制、各种预测 控制、推断控制和估计、人工神经元网络控制和估计以及各种基于模型的控制等高 级过程控制，应用于工业生产过程并取得成功。装置优化也开始实现，从而使计算 机在工业过程控制中的应用更上一层楼，取得明显的经济效益。越来越多的用户开 始接受和理解高级控制和优化的效果。国外，特别是在美国开始出现如s e t p o i n t 、 d m c 等专门从事过程控制与优化的软件公司，他们把这些软件大量推向市场，在几百 家大型石化、炼油和钢铁等工厂应用成功，取得巨额利润。两级优化控制目前仍在 互相竞争、发展之中。多变量约束控制等高级控制的应用成功将有可能改变当前过 程控制的实质，即用多变量与优化取代当前的单变量设计的思想与原则，将会使过 程控制出现大的突破，展现出新的面貌。 4 工业过程计算机集成控制( c i p s ) 9 0 年代开始，计划优化、生产调度、经营管理决策，开始引入计算机控制系 统，使市场意识与优化控制相结合，管理与控制相结合，促使计算机控制系统更加 完善，产生更大的经济效益和技术进步，适应全社会信息时代的到来。当代世界市 场的激烈竞争和对资源、环境的要求，正推动世界过程工业追求先进的控制，充分 利用信息及计算机技术，使企业不断增强对市场的应变能力，根据市场需要及时组 织和调整生产，充分挖掘生产潜力，提高效率，降低能耗，保证质量，控制三废， 7 沈阳工业大学硕士学位论文 确保安全，压缩库存，加速资金周转，实现生产过程和经营管理过程的整体优化。 近年来，采用高可靠、智能化仪表和集中分散控制系统( d c s ) ：开发高级控制策略； 在各层次上实现优化；推行管理信息系统( m i s ) ，进行辅助管理和决策：进而组织计 算机集成的管理与控制一体化系统( c i p s ) ，已成为发达国家过程工业自动化和计算 机应用的标准发展模式旧嘲。 1 4 本文的主要工作 结合市场调研的结果，我们确定了2 2 5 0 剪切线的研制方案。根据市场的需求， 以现有的设备为基础，融合先进的控制理论，设计一套自动化水平高、高效率、低 损耗的剪切生产线。据此，我们确定以下研究方向。 ( 1 ) 应用模糊控制器实现位置环p i d 控制参数的自整定，提高定尺剪切精度及 剪切效率。定尺剪切要求系统快速跟踪给定。停车位置准确，响应时闯短，无超 调。采用模糊自适应控制的p i d 调节器能很好的满足以上要求，并且极大的增强了 系统的鲁棒性，使之适应对不同板材精确加工，这是传统的p i d 控制器无法做到 的。 ( 2 ) 对剪切线的剪切方式进行改进。以连续定长送料的剪切方式取代两段式送 料的剪切方式，提高了生产线的生产效率。 ( 3 ) 结合可编程逻辑控制( p l c ) 器及现场总线技术( p r o f i b u s ) ，实现生产全 过程的自动控制。 8 - 沈阳工业大学硕士学位论文 2 中厚钢板剪切线控制系统 2 1 剪切线系统概述 一个典型的工厂自动化系统应该是三级网络结构。基于现场总线p r o f i b u s - - d p p a 控制系统位于工厂自动化系统中的底层，即现场级与车间级。现场总线 p r o f i b u s 是面向现场级与车间级的数字化通讯网络。 ( 1 ) 现场设备层 主要功能是连接现场设备，如分散式i o 、传感器、驱动器、执行机构、开关设 备等，完成现场设备控制及设备间连锁控制。主站( p l c 、p c 机或其它控制器) 负 责总线通讯管理及所有从站的通讯。总线上所有设备生长工艺控制程序存储在主站 中，并有主站执行。 ( 2 ) 车间监控层 车间级监控用来完成车间生产设备之间的连接，如一个车间3 条生产线主控制 器之间的连接，完成车间级设备监控。车间级设备监控包括生产设备状态在线监 控、设备故障报警及维护等。通常还具备诸如生产统计、生产调度等车间级生产管 理功能。 ( 3 ) 工厂管理层 车间操作员工作站可以通过集线器与车间办公管理网连接，将车间生产数据送 到车间管理层。车间管理网作为工厂主网的一个子网。 剪切线控制系统位于工厂自动化网络的现场设备层。本章将详细介绍剪切线控 制系统的工艺要求、设备选型以及控制系统的方案 4 1 1 9 1 。 2 2 工艺概述、技术特性 2 2 1 工艺概述 l 、机组功能 成品扎钢中有一大部分是以钢卷的形式进行存储和运输的。这样，在进行加工 之前，必须对钢卷进行处理。1 2 - 2 2x2 2 5 0 m m 剪切线在生产当中完成热轧板材 9 沈阳工业大学硕士学位论文 精整功能，起到两方面的作用：一方面用于带钢的连续矫直，另一方面用来将带 钢横切成规定长度和宽度的钢板。 2 、1 2 2 2x2 2 5 0 唧剪切线工艺流程 该机组为卧卷上料。用车间吊车将钢卷吊到钢卷存放台上。由钢卷车把钢卷运 输至双圆柱头开卷机下方并对正开卷轴中心线。钢卷车的升降装置上升并托起钢 卷，人工完成钢卷的高度对中。安放于各自滑座上的开卷头作相对的移动，开卷头 插入钢卷内径并涨开，将钢卷固定在开卷机上。升降装置同时落下，小车移出线 外。开卷机的左右开卷轴( 联动) 沿带钢宽度方向移动，根据开卷机移动座上的标 尺，人工完成宽度对中( 即将钢卷中心线对准机组中心线) 。调整好后压辊压下， 在铲头、深弯辊和压辊的辅助下将带卷头部打开，并引导带头经转向夹送辊进入九 辊矫直机。然后铲头摆开，压辊抬起的同时深弯辊压下，带钢经剪切机切头后进入 切边圆盘剪，切下的废边由碎边剪切碎。切边后的带材经活套、对中装置进入九辊 矫直机及定尺剪，完成穿带过程。操作台打自动档，切头后计算机清零，测长装置 投入使用，然后即可由计算机控制进行自动剪切。剪切后的钢板由定尺辊道、抛料 辊进入垛板台并垛成板垛。成品板材由输出辊道移出线外。机组的自动化控制由p l c 完成。设有触摸屏的人机界面，可以根据生产需要修改生产参数。机组有启停剪切 和连续剪切两种工作方式，可根据需要选择。 2 2 2 机组技术特性 原料：热轧带钢 钢种：普碳钢等 强度限：0b 5 4 0 n r u m 2 屈服限：os 3 4 0 n r u m 2 剪切前带钢规格： 带钢厚度：5 2 2 m m 保证值5 2 0 m m 带钢宽度： 1 5 0 0 2 1 0 0 【i 【n 钢卷内径：中6 1 0 由7 6 0 m 钢卷外径：审l 1 0 0 2 2 0 0 m m 钢卷重量：m a x 3 0 t 1 0 沈刚工业大学硕士学位论文 横切后钢板规格 定尺长度：2 0 0 0 1 4 0 0 0 m m 定尺精度：o - - + 5 m m ( 定尺6 0 0 0 m m ) 板垛重量：m a x 1 5 t 机组速度： 穿带速度：8 m m i n 工作速度：4 5 m m i n ( 5 1 4 m m ) ( 矫直机最大速度) 2 0 m m i n ( 1 4 2 2 m m ) ( 矫直机最大速度) 机组标高：+ 1 0 0 0 m m 2 3 基础自动化设备及功能 2 3 1 机械设备概图 1 2 - - 2 2 5 0 横剪切机组机械简图如下图2 1 所示： 图2 1 1 2 - - 2 2 5 0 横剪切机组机械设备示意图 其中各装置： 1 、 上料小车 3 、 五辊矫直机 5 、 切头剪 7 、碎边机 9 、 活套 1 1 、 九辊矫直机 2 、 开卷装置 4 、 1 # 对中装置 6 、 圆盘剪 8 、 废料小车 1 0 、2 # 对中装置 1 2 、板长控制装置 沈阳工业大学硕士学位论文 1 3 、横切剪 1 5 、抛料辊 2 3 2 自动化设备 1 4 、定尺滚道 1 6 、垛板台 ( 1 ) p l c 的选型及配置 可编程控制器( 简称p l c ) 是在顺序控制和微机控制的基础上发展起来的用于 逻辑控制的专用计算机。专为在工业环境下运用而设计，它采用可编程序的存贮 器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制。定时、记数和算术运算等操作的指 令，并通过数字式、模拟式的输入和输出控制各类机械和生产过程【l o l 1 l 】。可编程控 制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的 原则来设计。 p l c 具有以下特点： 1 ) 能承受恶劣的工业环境，具有很强的抗干扰能力。 2 ) 结构化模块，系统配置简单，维修和更换相当方便。 3 ) p l c 可与工业现场信号直接输入输出相连接，针对不同的现场信号有相应的 i o 模块。输入信号即可以是模拟量，又可以是开关量，且不必再考虑放大、a d 、 d a 转换等问题。 4 ) 编程简单且具有在线编程能力。 5 ) 靠性强：p l c 平均无故障间隔在2 至5 万小时以上，并具有很强的自检、监 控、强制功能【1 2 i 【1 4 】【j 6 1 。 在剪切线控制系统中，p l c 要完成的具体控制功能有： 1 ) 根据设定长度自动剪切：根据上位机下发的剪切长度，检测的板材运行速 度、剪刃的状态，并计算交流控制系统的控制参数； 2 ) 剪切张数自动计数：自动累计剪切的张数； 3 ) 板材运行速度检测：可以实时检测板材的运行速度： 4 ) 现场编码器的脉冲计数：可以实时监控进料板材实际位置； 5 ) 与上位机进行数据交换：可以接收上位机下发的备种控制参数，并将采集的 现场数据传递到上位机上显示； - 1 2 沈阳： 业大学硕士学位论文 6 ) 机组操作、控制的各种联锁保护等。 综合以上要求，p l c 选用西门子s 7 3 0 0 型号，c p u 为3 1 5 2 ，带d p 口。p l c 柜 配置一主框架，二扩展框架。主台有一远程i o 框架，由i m l 5 3 扩展模块经 p r o f i b u s d p 现场总线与c p u 相连。另在主台( t 3 ) 配备有一1 0 英寸触摸屏，同样 也经p r o f i b u s d p 现场总线与c p u 相连，以此来完成工艺参数的设定、故障报警、 参数工况显示等功能。在t 2 台则安装一5 英寸触摸屏，也经p r o f i b u s d p 现场总 线与c p u 相连，完成五辊矫直机的压下量显示。 ( 2 ) 五辊矫直机与九辊矫直机的压下显示 五辊矫直机与九辊矫直机的压下驱动为交流电机，经蜗轮蜗杆传动改变矫直机 的压下量。同时，由蜗轮带动一个光电编码器，由光电编码器将压下量送给p l c 的 计数模块，经p r o f i b u s d p 现场总线传输到删i ，进行显示。 ( 3 ) 活套的控制 活套的控制分为手动和自动两种。手动时，在操作点人工控制：自动时，根据 各相应位置光电开关的信号，根据设定板长和运行速度，自动调节头部的速度给定 值和活套调节值，以保证活套的套量。 ( 4 ) 对中装置的自动控制 在对中装置的前部，按有一光电开关，以检测板头。当板头到达光电开关处 时，对中装置启动，自动完成对中过程。自动对中的次数可根据实际情况进行调 整。 ( 5 ) 自动剪切控制 送料带钢长度的检测通过安装在测量装置上的光电编码器来实现，其测量当量为 0 1 n 形脉冲。根据所测板长，控制九辊矫直机的运行和剪板机的剪切，以达到定尺剪 切的目的。所有工艺参数的设定显示均由i t m i 完成。 ( 6 ) 垛板台的自动控制 根据抛料辊前光电开关所检测的板头、板尾信号，由p l c 控制，自动完成前挡 板和侧挡板的垛板动作。 ( 7 ) 板尾减速控制 1 3 - 沈阳工业大学硕士学位论文 在五辊矫直机处安有一光电开关，用来检测板尾。当检测到板尾信号时，全线 自动减速，以防高速过板尾造成对设备的损坏。 2 4 控制系统方案设计 2 4 1p m f i b u s 现场总线技术 ( 1 ) p r o f i b u s 概貌 p r o f i b u s 是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产厂商的现场总线标准。广泛 适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动化。它 由三个兼容部分组成，即p r o f i b u s - - d p ( d e c e n l r a l i z e dp e r i p h e r y ) 、p m f i b u s - - p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) 和p r o f i b u s - - f m s ( f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 。p m f i b u s d p 是一种高速低成本通信，用于设各级控制系统与分散式y o 的通信。使用 p m f i b u s - - d p 可以取代2 4 vd c ( 4 2 0 ) m a 信号传输。p r o f i b u s - - p a 专为过程自动 化设计，可使传感器和执行机构连在一根总线上，并有本质安全规范。p r o f i b u s - - f m s 用于车间级监控网络，是一个令牌结构的实时多主网络【1 7 l 。 p m f i b u s 是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场 总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从 而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。与其他的现场 总线系统相比，p r o f i b u s 的最大优点在于具有稳定的国际标准e n s 0 1 7 0 作保证并经实 际应用验证具有普遍性。目前以应用的领域包括加工制造、过程控制和自动化等。 p r o f i b u s 开放性和不依赖于生产厂商的通信的设想，已在l o 多万个成功应用中得以 实现【1 7 】。 ( 2 ) p m f l b t t s 协议结构 p r o f i b u s 协议结构是跟据i s 0 7 4 8 9 国际标准，以开发式互连( o s i ，o p e ns y s t e m i n t e r c o n n e c t i o n ) 为参考模型的。该模型共有7 层。 p r o f i b u s - - d p 定义了1 、2 层和用户接口。第3 层到第7 层未加描述用户接口规 定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同p r o f i b u s d p 设备的设备行为【。8 】【1 9 1 。 p r o f i b u s - - p a 的数据传输采用扩展的p r o f i b u s - - d p 协议。另外，p a 还描述了现 场设备的p a 行规。根据i e c l l 5 8 - - 2 标准，p a 的传输技术可阻确保其本质安全性， 1 4 鲨里三些查堂堡主堂焦丝茎 而且，可以通过总线给现场设备供电。使用连接器可以在d p 上扩展p a 网络。 p r o f i b u s f m s 定义了1 、2 、7 层，应用层包括现场总线信息规范( f m s ，f i e l d m e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 和低层接口( l l i ，l o w e rl a y e ri n t e r f a c e ) 。f m s 包括了应用 协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。l l i 协调不同的通信关系并提 供不依赖设备的第2 层访问接u 1 1 3 1 1 2 0 。 ( 3 ) p r o f i b u s - - d p p r o f i b u s - - d p 用于现场层的高速数据传送，主站周期的读取从站的输入信息并周 期的向从站发送输出信息。除周期性用户数据传输外，p m f i b u s - - d p 还提供智能化设 备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。p r o f i b u s - - d p 的基本特征如表 2 】。 表2 1p r o f i b u s - - d p 技术特性 项目性能 传输技术r s - - 4 8 5 双绞线、双线电缆或光缆。传输速率9 6 k b s 1 2 m b s 总线存取备主站间令牌传递，主站与从站间为主一从传递。支持单主或多主系统。总线上最 多站点( 主一从设备) 数为1 2 6 通信点对点( 用户数据传送) 或广播( 控制指令) 。循环主一从数据传送或非循环主一 从数据传送 运行模式运行、清除、停止 同步控制指令允许输入和输出同步。同步模式为输出同步，锁定模式为输入同步 功能d p 主站和d p 从站间的循环用户有数据传送；指定d p 从站的激活和不激活；d p 从站组态检查；强大的诊断功能，三级诊断信息：输入或输出同步：通过总线给 d p 从站赋予地址；通过总线对d p 主站( d p m l ) 进行配置，每个d p 从站的输入 和输出数据最大为2 4 6 字节 加密和所有信息的传输按海明距离h d = 4 进行：d p 从站带看门狗定时器；对d p 从站的 保护机制i o 进行存取保护：d p 主站上带可变定时器的用户数据传送监视 设备类型第2 类d p 主站( d p m 2 ) 是可进行编程，组态诊断的设备。第1 类d p 主站 ( d p m l ) 是中央可编程控制器，如p l c 、p c 等。d p 从站是带二进制的模拟量输 入，输出的驱动器、阀门等 接线和安装某一站的安装和退出不影响其它站；具有可靠和易于安装的双绞线传输技术 1 5 沈阳1 二业大学硕士学位论文 p r o f i b u s - - d p 允许构成单主站或多主站系统：在同一总线上最多可连接1 2 6 个站 点。系统配置的描述包括：站数、站地址、输入，输出地址、输入输出数据格式、诊 断信息格式以及所使用的总线参数。每个p r o f i b u s - - d p 系统可包括以下三种不同类 型设备： 一级d p 主站( d p m l ) ：一级d p 主站是中央控制器，它在预定的周期内与 分散的站( 如d p 从站) 交换信息。典型的d p m i 如p l c 或p c 。 二级d p 主站( d p m 2 ) ：二级d p 主站是编程器、组态设备和操作面板，在 d p 系统组态操作时使用，完成系统操作和监视作用。 d p 从站：d p 从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备( i 0 设 备、驱动器、h m i 、阀门等) p r o f i b u s - - d p 构成的单主站系统，在总线系统运行阶段，只有一个活动主站；而 多主站系统则在总线上连有多个主站，这些主站与各自从站构成相互独立的子系 统。每个子系统包括一个d p m l 、指定的若干从站及可能的d p m 2 设备。任何一个 主站均可读取d p 从站的输入输出映像，但只有一个d p 主站允许对d p 从站写入数 据。 2 4 2 剪切机组总线控制结构的设计 根据生产需要及厂家的要求，剪切机组采用混合型的总线结构，即p r o f i b u s 现场 设备加分散i o 混和使用。当前的情况是现场设备只有部分具备p r o f i b u s 总线接口， 无论旧设备改造还是新建项目，全部使用具备p m f l b u s 接口的现场设备的场合不多， 可见混和型的总线结构是一种灵活、经济的集成方案【1 5 1 1 2 0 l 。 系统构成如下： 一级d p 主站( d p m l ) ：使用西门子$ 7 - - 3 0 0p l c ，位于主控制柜内，完成 对整个系统自动生产过程的控制。 二级d p 主站( d p m 2 ) ：d p m 2 包括工业p c ( 对p l c 编程、监控的功 能) 、总控制台t i ( 剪切参数的设定和系统工作状态的切换) 和位于五辊矫直 机和九辊矫直机旁的控制台t 2 、t 3 ( 矫直下压量的设定) 。 d p 从站：包括分散i o 设备、执行机构、测量装置等。 现场总线控制系统结构如图2 2 所示： 1 6 塑兰些拦堡主兰堡笙奎 + g5 扩晨框榘； 图2 2 现场总线结构示意图 其中，各部份的硬件构成如下： 主框架 1电源p s 3 0 7 2c p u3 1 5 - - 2 d p 扩展框架 宽展模块 i m 3 6 0 计数模块 f m 3 5 0 l 计数模块 f m 3 5 0 - - 2 模入模块 s m 3 3 1 模出模块s m 3 3 2 ( 二路) 模出模块s m 3 3 2 ( 四路) 开入1 6 点( 中断) s m 3 2 1 开出3 2 点s m 3 2 1 开入3 2 点s m 3 2 1 电源p s 3 0 7 扩展模块 i m 3 6 1 开入3 2 点s m 3 2 l 开入3 2 点s m 3 2 1 开出3 2 点s m 3 2 2 1 7 3 4 5 6 7 8 9 m 1 2 3 4 5 沈阳工业大学硕士学位论文 6 8 9 1 0 远程i o 1 4 6 8 9 开出3 2 点s m 3 2 2 开出1 6 点s m 3 2 2 开出1 6 点s m 3 2 2 开出1 6 点s m 3 2 2 开出1 6 点s m 3 2 2 电源p s 3 0 7 扩展模块i m l 5 3 开入3 2 点s m 3 2 1 开入3 2 点s m 3 2 1 开入3 2 点s m 3 2 1 开入3 2 点s m 3 2 1 开入3 2 点s m 3 2 1 开出3 2 点s m 3 2 2 开出3 2 点s m 3 2 2 1 0 开出1 6 点s m 3 2 2 2 5 本章小结 在本章中介绍了停剪机组的设备组成，以及机组工作的工艺流程。其中开卷机、 矫直机、活套、横剪机为主要设备。整个机组在生产过程中要完成对卷材的开卷、 矫直、剪边、定尺剪切、垛板等一系列任务。 针对生产需要，设计了以s 7 3 0 0p l c 为核心的混合型总线控制系统，以完成对 生产过程的全自动控制。混和型总线系统经济、灵活，实用性强，不仅可以满足当 前生产要求，而且升级方便、易扩展。并入生产管理系统，可以实现管理层对生产 情况的直接监控。 1 8 沈阳工业大学硕士学位论文 3 交流伺服系统 3 1 交流伺服系统 3 1 1 交流伺服系统三环控制结构 高性能的交流伺服系统通常具有电流反馈、速度反馈和位置反馈的三闭环结构。 如图3 1 。 图3