熱卷箱傳動計長的技術實現
王繼紅 趙波 鄭亮
1 前言
傳統的軋機帶鋼長度測量采用在輥道的軸上安裝獨立的光電編碼器通過高速計數模板接入自動化控制系統，自動化系統通過脈沖計數來計算帶鋼長度。在傳動系統如果要求速度精度較高的時候也要在電機的軸上安裝光電編碼器用來做速度閉環控制。這樣就需要安裝2個光電編碼器，不便于安裝和維護。可以只安裝1個編碼器，采用脈沖分配器的方式將其信號分成2路，分別送至傳動系統合自動化系統，但是二者的分辨率要求往往不同，并且信號容易受到干擾。
現在的傳動系統大都通過現場總線與自動化系統連接，可以通過總線將傳動編碼器的信息傳給自動化控制系統，這樣就可以使問題變得簡單明了。
2 局部系統概況
熱卷箱的卷取和開卷都需要進行帶卷長度測量與計算，卷取區在1號托卷輥上進行，開卷區要在2號、3號托卷輥、開尾輥處分別進行。這些輥子的傳動方式都相同，與自動化系統的聯系都是通過Profi-Bus現場總線完成，光電編碼器的配置與安裝位置都在傳動電機上，這里只討論1號托卷輥的實際應用與實施過程。
1號托卷輥位于卷取區與開卷區中間，在卷取時參與卷取，開卷開始至飛剪完成切頭參與開卷工作。在這兩種情況下都需要進行帶卷長度測量與計算。
2.1 傳動系統配置
1號托卷輥采用的是交流變頻調速，由西門子6SE70系列工程型逆變器驅動變頻電機。為了保證調速精度及動態響應速度，在電機同軸安裝增量式光電編碼器完成矢量閉環控制。編碼器為正交增量式，每轉1024脈沖輸出，帶零位脈沖輸出，直接連接到逆變器的CUVC控制板上。
逆變器還裝有CBP2通訊板，通過Profi-Bus DP總線與自動化系統PLC通訊，接受來自PLC的運行控制指令，反饋傳動系統的狀態信息給PLC系統。
2.2自動化系統配置
自動化系統采用西門子S7-400系列PLC控制器，CPU為6ES7 416-2DP，其DP接口連接自動化系統的遠程I/O，另外配置一塊IM467模板用于連接傳動系統的裝置。
3 設計及實現
使用傳動系統的編碼器完成傳動的矢量閉環控制，同時還可以得到電機的轉子角度信息和轉過的角度，將此信息通過DP總線傳遞給PLC，再由PLC進行處理后得到輥子轉過的角度進而計算帶鋼的長度。
3.1 傳動設備設置
首先設置相關參數以使逆變器工作在矢量閉環模式下，在完成了常規的系統設置及電機識別、動態參數優化后，為了能夠得到相應的轉子角度信息，還要對編碼器的形式進行設置：
P130=15，配置帶零位脈沖的編碼器
這樣，在連接器K0090中就可以得到電機轉子角度，KK120中可以得到轉子累計轉過的角度，該值是一個32位的絕對數值。
設置：
P734.04=KK120
P734.05=KK120
完成從CBP2通訊板的第4、5字傳送KK120的雙字內容給PLC系統。
由于采用的是帶有零通道的脈沖編碼器，傳動裝置在電機每轉接收到零通道脈沖時就可以對上一圈所計的脈沖數進行驗證，在受到輕微干擾的情況下校準脈沖數，這樣在后續的角度計算中不會有累計的計數誤差存在。完全可以將其看成是一個絕對型編碼器來使用。
在這里有一點需要注意的是，在逆變器主回路即直流母線沒有電源的情況下，逆變器的電子箱如果沒有單獨的DC24V電源是不能工作的，在電子箱斷電時，KK120內的數值會被清除，因此最好單獨給電子箱提供DC2V4電源。在沒有這樣做的情況下，在自動化系統里就需要注意對此數值的處理。
3.2 自動化系統配置
除了前面提到的硬件配置，還需要對軟件進行相關的配置及設置。
首先，確定與傳動系統的通訊方式，這里采用PPO4類型，這種方式下由PLC主站與逆變器從站間傳遞的數據共有雙向12字。見表1：
表1 PPO4類型主站與逆變器通訊
主站至逆變器 | 描述 | 逆變器至主站 | 描述 |
PZD1/STW1 | 控制字 | PZD1/ZSW1 | 狀態字 |
PZD2/HSW | 速度給定 | PZD2/HIW | 速度 |
PZD3 | 備用 | PZD3 | 電流 |
PZD4 | 備用 | PZD4 | 累計轉角 |
PZD5 | 備用 | PZD5 | |
PZD6 | 備用 | PZD6 | 故障報警 |
然后在PLC中開辟通訊數據塊（區）：針對每臺逆變器從站建立數據交換的緩沖區，發送與接收區域均20字節，其中用到的有12字節，其余備用。
在此針對1號托卷輥的具體數據區為：
定義DB60為“Drivers_DB”。
發送到傳動裝置：DB60.DBW240-DBW250，共6字12字節，見表2：
表2 發送到傳動裝置數據定義
從傳動裝置接收：DB60.DBW260-DBW270，共6字12字節，見表3：
表3 從傳動裝置接收數據定義
在循環程序中調用DP通訊功能塊SFC14，SFC15，系統就會完成與逆變器的數據交換。
3.3 程序實現
從傳動接收的電機轉子轉角信息放置在“Drivers_DB”.CR1.Pos_Angle中，它是一個32位的整數。也就是說傳動裝置將增量的編碼器脈沖經過處理后轉換成了絕對值信息的形式傳送給了自動化系統。任何絕對編碼器的輸出值都存在過零或溢出的情況，自動化系統要判斷并作出相應處理。處理的思路是建立一個更大的計數區域，對將絕對編碼器的“圈數”進行計數，再用此數乘以每“圈”的對應長度距離，再加上當前圈的數值對應的距離就得到一個更大的計長區域。在正傳溢出時對“圈數”計數器“Drivers_DB”.CR1.Count加1，反之在反轉過零時減1。CR1為1號托輥。具體過程如下：
A(
L “Drivers_DB”.CR1.Pos_Angle
DTR
L 1.000000e+005
<R
)
A(
L “Drivers_DB”.CR1.Pos_Angle
DTR
L -1.000000e+005
>R
)
= L 0.0 //暫存標志位
A DB60.DBX 266.7 //取輸入值最高位，字節的高低位顛倒
FP “BOOL”.Drive_Pos.CR1_U //上升沿計數器加1
A L 0.0
JNB _
L “Drivers_DB”.CR1.Count
L 1
-I
T “Drivers_DB”.CR1.Count
_
FN “BOOL”.Drive_Pos.CR1_D //下降沿計數器減1
A L 0.0
JNB _04b
L “Drivers_DB”.CR1.Count
L 1
+I
T “Drivers_DB”.CR1.Count
_04b: NOP 0
由傳動裝置接收到的絕對數的最低4位并不代表脈沖變化，在此需要舍去，采用移位的方式處理：
L “Drivers_DB”.CR1.Pos_Angle
SRD 4 //右移4位
DTR
L 7.427186e-002 //每脈沖對應長度
*R
L 1.000000e+000 //校正系數
*R
T #tmp_real //暫存中間結果
L “Drivers_DB”.CR1.Count
ITD //轉成長整數
DTR //轉成實數
L 1.993720e+007 //每轉對應長度
*R
L 1.000000e+000 //校正系數
*R
T #tmp_real_1
L #tmp_real
+R
T “Drivers_DB”.CR1.Count_Length
經過上面介紹的方法處理過的長度信息只是在保證一個比較大的工作循環中不會出現由于絕對值過零而對控制過程造成影響，但是并不能保證在多個循環后出現“大”計數器不會過零或者溢出，這樣就要求在使用中要在每個設備工作循環選擇固定的時機對其進行校正與復位操作。
復位是對圈數計數器進行預設值，設置一個固定的常數保證在一個工作循環中不會出現過零或溢出。
校正是要在校正時刻計算出一個偏移量，以使最終的計算長度結果與實際相對應。
4 實際應用效果
采用上述方法用熱卷箱托卷輥對帶鋼進行長度測量及計算，取得了良好的效果，通過帶鋼長度而計算出的帶卷直徑與實際吻合的很好。受帶卷直徑參數控制的設備，包括彎曲輥、托卷輥、開尾銷等動作運行平穩，成卷卷眼橢圓度達到標準，卷形良好，緊密圓整。
5 結束語
通過采用傳動與自動化共用一個增量形光電編碼器來完成傳動裝置的速度閉環控制和自動化的間接帶鋼長度計算，在節省了設備投資的同時，也減少了安裝及調試工作量。這種方式比對自動化系統專用增量編碼器進行計長的另一個優點是不會出現由于干擾而造成計數不準確。該方法可以推廣到在機械上具有類似要求的應用領域。
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