CN104133490A - 圆坯开坯机自动化***中自动位置控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种圆坯开坯机自动化***中自动位置控制方法，该方法包括以下步骤：步骤一、PLC模块通过绝对值编码器采集传动机构的实际位置S_F；步骤二、PLC的自动位置控制功能块根据目标位置设定值S_R和实际位置值S_F计算差值ΔS，判断设备实际位置所处的区域给出相应的速度给定V_R；步骤三、PLC计算出速度给定V_R通过变频器驱动电动机，对设备位置进行调节；步骤四、PLC在下一个执行周期再执行步骤一，直到达到目标位置停止，此自动位置控制软件具有运动控制策略合理、结构简单、定位精度高等优点。在冶金行业，对于采用电动机驱动的被控设备精确定位有很大的实用价值，具有推广应用前景。

Description

圆坯开坯机自动化***中自动位置控制方法

技术领域

本发明涉及工业自动化控制技术领域，尤其涉及自动位置控制方法，更具体的说涉及一种圆坯开坯机自动化***中自动位置控制方法。

背景技术

在冶金行业，各类轧机上均有大量的自动位置控制环节，通常的定位方式是将位置设定值与位置实际值的差值乘以常数作为速度给定值，当位置实际值达到停止区域后，将速度给定值置零，同时闭合抱闸。这种定位方式有缺陷：1.定位精度较差。2.当位置实际值接近位置设定值时，速度设定值偏小，变频器输出转矩不够，容易在位置设定值附近振荡。圆坯开坯轧机前后配有推床和钩式翻钢机。轧制过程为多道次往复轧制，每个道次根据轧制程序表要进入轧辊相应的孔槽轧制，必要时通过翻钢装置将轧件翻转。开坯机要实现全自动轧制，每一个轧制道次必须按轧制程序表快速、准确地完成自动辊缝调节、自动对轧槽、自动翻钢，因此压下电动机、推床和翻钢钩的位置精确定位至关重要。

发明内容

针对相关技术领域文献和以上现有技术的不足，在大量现有文献研究和长期在相关领域研发实践的基础上，本发明提出按电机加速度值实时计算速度给定斜波变化至相应的目标速度、根据当前速度给定和低速目标速度实时计算减速距离等理念，克服了现有技术中定位精度较差等技术难题，通过减速距离和速度给定在定位控制过程中实时计算，其值在PLC每个扫描周期同步更新，经逻辑判断后准确地发出减速及停止命令，实现被控设备精确定位的有益效果。本发明采用合理的运动控制策略，良好的控制算法，保证被控设备的控制精度，为圆坯开坯机实现全自动轧钢提供保障

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：一种圆坯开坯机自动化***中自动位置控制方法，该方法包括以下步骤：步骤一、PLC模块通过绝对值编码器采集传动机构的实际位置S_F；步骤二、PLC的自动位置控制功能块根据目标位置设定值S_R和实际位置值S_F计算差值ΔS，判断设备实际位置所处的区域给出相应的速度给定V_R；步骤三、PLC计算出速度给定V_R通过变频器驱动电动机，对设备位置进行调节；步骤四、PLC在下一个执行周期再执行步骤一，直到达到目标位置停止。

所述步骤二的速度给定V_R计算，包括下步骤：步骤一、当ΔS＞D₂+D₃时，目标速度为高速V_H；此时若速度给定V_R＜V_H，则按加速度a₁斜坡上升输出给定，即PLC当前扫描周期的速度给定V_R＝V_R′+ΔV＝V_R′+a₁T，其中，D₂为低速距离，D₃为减速距离，V_R′为PLC上一扫描周期的速度给定，T为PLC扫描周期，a₁为电动机加速度；当V_R达到V_H，则V_R＝V_H并保持输出，即电动机在未到减速点前一直处于高速运行状态；步骤二、当D₁≤ΔS≤D₂+D₃时，目标速度为低速V_L；此时若V_R＞V_L，则按减速加速度a₂斜坡下降输出给定，即V_R＝V_R′-ΔV＝V_R′-a₂T；当V_R达到V_L，则V_R＝V_L并保持输出，即电动机在未到停止点前处于低速运行，其中a₂为电动机减速时的加速度；步骤三、当ΔS≤D₁时，目标速度为零；此时若V_R＞0，则按a₂斜坡下降输出给定直至V_R＝0，电动机减速至零，实际位置到达目标位置规定的精度范围内。

所述减速距离 $D3=\frac{V_R+V_L}{2}\×\frac{V_R-V_L}{\mathrm{\ΔV}}\×T=\frac{{V_R}^2-{V_L}^2}{2a_2}.$

所述D₁由制动距离和允许的精度范围相加而成。

所述V_R有三段目标速度：V_H、V_L和零速，该速度给定改变时通过电机加速度值a₁、a₂斜波变化至对应的目标速度。

所述的目标速度的方向，当当S_R≥S_F时，发自动向前信号，目标速度为正，反之，目标速度为负。

所述减速距离D₃和速度给定V_R在定位控制过程中实时计算，其值在PLC每个扫描周期同步更新。

所述PLC与变频器装置之间通过Profibus-DP网进行数据交换。

圆坯开坯机压下、前后推床和前后翻钢钩电动机选用变频器驱动，采用带增量编码器的速度闭环矢量控制模式，确保了传动***动态响应指标及速度控制精度。设备的实际位置由绝对值编码器检测并经PLC模块采集，定位控制由PLC中编制的自动位置控制(APC)软件功能块完成。PLC与变频器装置之间通过Profibus-DP网进行数据交换。

APC功能块为形式参数块，针对不同的传动机构调用不同的背景数据块。功能块的变量表定义了每一个变量的声明和数据类型，也就直接决定了其背景数据块的内容与结构。APC功能块的变量表中主要输入、输出参数有：定位开始标志、定位结束标志、目标位置、实际位置、停止距离D₁、低速距离D₂、减速距离D₃、高速目标速度V_H、低速目标速度V_L、电动机加速度a₁、电动机减速度a₂和速度给定V_R。其中，D₁由制动距离和允许的精度范围相加而成；V_H应满足设备快速移动的工艺要求；V_L应满足设备平稳和准确停车的要求；a₁和a₂应满足设备加、减速时的工艺要求。D₁，D₂，V_H，V_L，a₁，a₂需根据经验或调试情况预先赋予固定值，注意必须使D₂＞D₁。

电动机的转速由PLC通过APC功能块输出速度给定V_R来控制。

本发明中设计的自动位置控制功能块是根据目标位置设定值S_R和实际位置值S_F计算差值ΔS,判断设备实际位置所处的区域给出相应的速度给定V_R，V_R有三段目标速度：V_H、V_L和零速，该速度给定改变时按电机加速度值a₁、a₂斜波变化至对应的目标速度。但是在实际应用中情况往往比较复杂，经常是本次目标位置与上一次的目标位置比较接近，位置的调整量小，电动机还未从零加速到V_H就需减速，因此根据当前实际速度给定V_R和低速目标速度V_L精确计算出减速距离D₃，其中D₃和V_R在定位控制过程中实时计算，其值在PLC每个扫描周期同步更新。再依据D₁、D₂、D₃值组合与ΔS比较，准确发出减速及停车命令，确保被控设备的定位精度。

本发明具备的有益效果是：以马钢电炉厂圆坯开坯机压下电机定位(辊缝)控制为例，说明自动位置控制(APC)的应用效果。图3为德国iba公司PDA软件记录的一次圆坯开坯机全自动轧钢过程，整个过程为11个道次往复轧制，PDA设置的采样时间为10ms，图中显示了辊缝目标位置设定值、辊缝实际位置值，压下电动机实际速度和道次号4条曲线，其中辊缝目标位置按二级自动化下发的轧制程序表及辊系表经确认后预先设定。通过对曲线的分析和轧件的检测，开坯机上、下辊辊缝自动位置控制十分完美，其定位精度为±0.25mm，完全达到压下设计精度±0.5mm的要求。从图3看到，由于每个道次之间辊缝的位置调整量较小，因此压下电动机实际速度基本上达不到高速就降至低速，甚至在第9道次就是低速调节。经实际应用表明，此自动位置控制软件具有运动控制策略合理、结构简单、定位精度高等优点。在冶金行业，对于采用电动机驱动的被控设备精确定位有很大的实用价值，具有推广应用前景。

附图说明

图1为本发明具体实施例的定位控制结构图；

图2为本发明具体实施例的APC功能块控制曲线；

图3为本发明具体实施例的圆坯开坯机自动轧钢过程中辊缝定位控制曲线图；

图4为本发明具体实施例的APC功能块控制流程图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的控制***，相互间的连接关系，及实施方法，作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

圆坯开坯机压下、前后推床和前后翻钢钩电动机选用变频器驱动，采用带增量编码器的速度闭环矢量控制模式，确保了传动***动态响应指标及速度控制精度。设备的实际位置由绝对值编码器检测并经PLC模块采集，定位控制由PLC中编制的自动位置控制(APC)软件功能块完成。PLC与变频器装置之间通过Profibus-DP网进行数据交换。定位控制结构如图1所示。

APC功能块为形式参数块，针对不同的传动机构调用不同的背景数据块。功能块的变量表定义了每一个变量的声明和数据类型，也就直接决定了其背景数据块的内容与结构。APC功能块的变量表中主要输入、输出参数有：定位开始标志、定位结束标志、目标位置、实际位置、停止距离D₁、低速距离D₂、减速距离D₃、高速目标速度V_H、低速目标速度V_L、电动机加速度a₁、电动机减速度a₂和速度给定V_R。其中，D₁由制动距离和允许的精度范围相加而成；V_H应满足设备快速移动的工艺要求；V_L应满足设备平稳和准确停车的要求；a₁和a₂应满足设备加、减速时的工艺要求。D₁，D₂，V_H，V_L，a₁，a₂需根据经验或调试情况预先赋予固定值，注意必须使D₂＞D₁。

电动机的转速由PLC通过APC功能块输出速度给定V_R来控制，其控制曲线如图2所示。

在本发明中设计的自动位置控制功能块是根据目标位置设定值S_R和实际位置值S_F计算差值ΔS,判断设备实际位置所处的区域给出相应的速度给定V_R，V_R有三段目标速度：V_H、V_L和零速，该速度给定改变时按电机加速度值a₁、a₂斜波变化至对应的目标速度。但是在实际应用中情况往往比较复杂，经常是本次目标位置与上一次的目标位置比较接近，位置的调整量小，电动机还未从零加速到V_H就需减速，因此根据当前实际速度给定V_R和低速目标速度V_L精确计算出减速距离D₃，其中D₃和V_R在定位控制过程中实时计算，其值在PLC每个扫描周期同步更新。再依据D₁、D₂、D₃值组合与ΔS比较，准确发出减速及停车命令，确保被控设备的定位精度。

自动位置控制(APC)的关键在于速度给定V_R和减速距离D₃的计算

1.速度给定计算

APC功能块中，首先根据目标位置设定S_R和实际位置S_F计算位置偏差ΔS＝|S_F-S_R|，根据ΔS给出相应的目标速度；然后判断目标速度的方向，当S_R≥S_F时，发自动向前信号，目标速度为正，反之，目标速度为负。电动机在加、减速过程中，PLC每个扫描周期内的速度变化T为PLC扫描周期。

以正向给定为例，从图2可以看出，可根据ΔS的大小将目标速度分为下面3段。

(1)当ΔS＞D₂+D₃时，目标速度为高速V_H。

此时若速度给定V_R＜V_H，则按加速度a1斜坡上升输出给定，即PLC当前扫描周期的速度给定

V_R＝V_R′+ΔV＝V_R′+a₁T

式中，V_R′为PLC上一扫描周期的速度给定。

此时若V_R达到V_H，则V_R＝V_H并保持输出，即电动机在未到减速点前一直处于高速运行状态。

(2)当D₁≤ΔS≤D₂+D₃时，目标速度为低速V_L。

此时若V_R＞V_L，则按减速度a₂斜坡下降输出给定，即

V_R＝V_R′-ΔV＝V_R′-a₂T

此时若V_R达到V_L，则V_R＝V_L并保持输出，即电动机在未到停止点前处于低速运行。

(3)当ΔS≤D₁时，目标速度为零。

此时若V_R＞0，则按减速度a₂斜坡下降输出给定直至V_R＝0，电动机减速至零，实际位置到达目标位置规定的精度范围内。

APC功能块根据ΔS的大小给出速度给定，由变频器去驱动电动机，对被控设备的位置进行调节，然后PLC在下一个执行周期再采集实际位置值，再比较，再输出，如此循环直到达到目标位置为止。其控制流程如图4所示。可根据a₁和a₂设定变频器给定通道中斜坡函数发生器的上升、下降时间(变频器速度给定从零速到最高转速的加速、减速时间)，原则是由斜坡时间折算出的加、减速度绝不能小于a₁和a₂。

2.减速距离计算

在实际应用中情况往往比较复杂，经常是本次目标位置与上一次的目标位置比较接近，位置的调整量小，电动机还未从零加速到V_H就需减速，但是为了在发出停止命令后将位置定在目标位置处，低速V_L稳速运行段必须保证存在，这样电动机在高速段运行时，什么时候开始减速对于精确定位就十分重要了，因此减速距离的准确计算是保证定位控制精度的关键一步。利用速度给定V_R和低速V_L，可确定减速距离。

T为PLC扫描周期

ΔV＝a₂T

∴ $D3=\frac{V_R+V_L}{2}\×\frac{V_R-V_L}{\mathrm{\ΔV}}\×T=\frac{{V_R}^2-{V_L}^2}{2a_2}$

低速V_L确定后，同理可计算出停车的制动距离，再加上精度范围就能确定停止距离D1了，此值需要在调试过程中精确赋值。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的执行步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

本发明并不局限于上述特定实施例，在不脱离本发明精神及其实质情况下，本领域的普通技术人员可根据本发明做出各种相应改变和变形，这些相应对本发明进行的修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护的范围当中。

Claims (8)

1.一种圆坯开坯机自动化***中自动位置控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一、PLC模块通过绝对值编码器采集传动机构的实际位置S_F；

步骤二、PLC的自动位置控制功能块根据目标位置设定值S_R和实际位置值S_F计算差值ΔS，判断设备实际位置所处的区域给出相应的速度给定V_R；

步骤三、PLC计算出速度给定V_R通过变频器驱动电动机，对设备位置进行调节；

步骤四、PLC在下一个执行周期再执行步骤一，直到达到目标位置停止。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述步骤二的速度给定V_R计算，包括下步骤：

步骤一、当ΔS＞D₂+D₃时，目标速度为高速V_H；此时若速度给定V_R＜V_H，则按加速度a₁斜坡上升输出给定，即PLC当前扫描周期的速度给定V_R＝V_R′+ΔV＝V_R′+a₁T，其中，D₂为低速距离，D₃为减速距离，V_R′为PLC上一扫描周期的速度给定，T为PLC扫描周期，a₁为电动机加速度；当V_R达到V_H，则V_R＝V_H并保持输出，即电动机在未到减速点前一直处于高速运行状态；

步骤二、当D₁≤ΔS≤D₂+D₃时，目标速度为低速V_L；此时若V_R＞V_L，则按减速加速度a₂斜坡下降输出给定，即V_R＝V_R′-ΔV＝V_R′-a₂T；当V_R达到V_L，则V_R＝V_L并保持输出，即电动机在未到停止点前处于低速运行，其中a₂为电动机减速时的加速度；

步骤三、当ΔS≤D₁时，目标速度为零；此时若V_R＞0，则按a₂斜坡下降输出给定直至V_R＝0，电动机减速至零，实际位置到达目标位置规定的精度范围内。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：所述减速距离

$D3=\frac{V_R+V_L}{2}\×\frac{V_R-V_L}{\mathrm{\ΔV}}\×T=\frac{{V_R}^2-{V_L}^2}{2a_2}.$

4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：所述D₁由制动距离和允许的精度范围相加而成。

5.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：所述V_R有三段目标速度：V_H、V_L和零速，该速度给定改变时通过电机加速度值a₁、a₂斜波变化至对应的目标速度。

6.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：所述的目标速度的方向，当当S_R≥S_F时，发自动向前信号，目标速度为正，反之，目标速度为负。

7.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：所述减速距离D₃和速度给定V_R在定位控制过程中实时计算，其值在PLC每个扫描周期同步更新。

8.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：PLC与变频器装置之间通过Profibus-DP网进行数据交换。