百米重轨冷床同步预弯控制

王春明　江杰

摘要：本文详细讲述了冷床控制系统的各种设备以及相关工艺，并且对电气自动化控制系统做了深入浅出地分析和完善的设计。同时依据控制任务的核心难点一预弯小车同步问题的解决方面，利用编码器位置反馈与预弯模型设定位置通过闭环控制，使在预弯的输送过程中的同步问题，预弯小车横移定位这一控制核心难点得到了解决。实时依据生产过程中发现的问题和冷床控制系统的各种设备以及工艺的特性以及反馈信息，及时通过控制程序自动对运行参数进行修正，形成了一套完善的整个系统之间的闭环控制，保证了预弯工艺的控制精度。同时笔者为以后电气自动化控制系统的不断改进提出了很好的建议和实施方案。

关键词：轨梁厂；冷床；电气自动化；预弯

中图分类号TP3 文献标识码A 文章编号2095-6363（2016）06-0198-02

由于生产工艺的原因，轧制的钢轨进入冷床，钢轨经过自然冷却后，由于钢轨的断面不对称，各部分的应力不同，最终钢轨会形成较大的弯曲度。控制降温后的弯曲度是为了满足矫直工艺的要求。另外，经测定弯曲度较大的钢轨残余应力也较大，这会影响钢轨的使用时间。为了解决这些问题，百米重轨的冷床除了起到降温的功能外，还人工加入了预弯工序。为了使冷却后的重轨产生的弯曲度变小，人工给钢轨弯出一个反变形弯曲度，这样冷却后的钢轨也就接近成直线。这就是控制核心部分预弯控制。

关于冷床横移装置预弯同步控制技术，我国为此引进了西门子的技术，经过不断的调试，掌握了预弯技术。包头钢铁公司轨梁厂的冷床是中国第二条百米重轨生产线。从设计、安装到调试全部实现了国产化。预弯控制的程序和算法全都是工程技术人员白行开发的。通过多次认真预弯测试数据的积累、分析及数学模型的不断修改和补充完善，最终建立了能够满足百米重轨生产的符合实际的完善的数学模型。已达到国内先进水平。

1.冷床预弯装置设备组成

入口横移定位系统。作用是从入口辊道把钢轨通过横移小车输送到步进梁，移送过程中实现对钢轨的预弯。横移装置是由40台横移小车以及相关配套的位置编码器、小车驱动设备构成。横移小车通过变频器控制电机驱动小车前进和后退，液压缸驱动小车升降，PLC通过现场总线控制横移小车变频器的启/停、加速、减速，读取变频器的运行参数。

2.PLC控制系统硬件及网络

控制系统下位系统采用S7-400系列CPU，此CPU是西门子公司系列的高端产品，其具有强大的逻辑处理和浮点运算能力，运行稳定可靠。由此CPU实现整个控制程序，包括读取远程I/0设备数据，逻辑运算和实际输出。主站是采用CP443 5接口模块通过PROFIBUS DP与各远程I/0站的西门子ET200S、ET200M、编码器及变频器的通讯接口进行数据通讯，通讯速率为1.5mbps。

上位机网络。冗余服务器及客户端、工程师站Es与主控制器之间通过工业以太网实现数据交换，与中央机架的西门子SIMATIC系列CP443 1以太网通讯模板进行数据通讯，速率为100兆。

3.冷床横移装置工艺过程

钢轨的输送步骤如下：1）当初始位置开始，所有横移运输小车以相同的速度在轧件下面运行，一直到达钢轨的测量位置为止，通过每台横移装置上高于辊道水平面的部分把钢轨推直；2）当小车到位后上升到上极限，这是钢轨平放在导向板中；3）小车将向冷床运行到达目的位置。横移运输小车将根据存储在控制器中的运行设定距离，控制各个小车同启同停但是不同速到达目标位置；4）到位后小车下降至下极限以高速退回至小车初始位置。

4.冷床横移装置控制方案

4.1小车同步升降

小车其上升、下降动作分别由13个液压缸单独驱动，控制系统控制安装在缸体部分的比例阀，通过调节每个比例阀来实现升降的同步。由于各液压缸使用的液压动力是同一液压管道上，管道线路较长，导致液压缸在同时动作时，其各个液压缸上的液压动力不同，且液压缸在动作过程中，根据反馈位置需要不断的调节速度，使控制的比例阀的开度随时进行调整，同时每个液压缸的动作变化会影响液压总管的压力，即各液压缸之间的动作变化存在耦合关系。因此，在控制程序对这种变化进行各自不同的相应补偿、解耦和调节。

4.2小车同步横移定位

入口小车横移运行分为两步：第一步为同启、同速、同停的位置定位闭环控制，其目的是矫直进入冷床入口辊道的热轨，以便下一步穿靴动作顺利进行；第二步为同启，不同速、同停的位置定位闭环控制，其目的是对热轨进行预弯，保证预弯的参数满足生产工艺需求，为后序钢轨顺利进入矫直机提供保证。第一步的控制为固定目标值控制，此控制目标值根据生产工艺确定；第二步的控制为可变固定目标值控制，其目标值由预弯参数给定，即同启、不同速、同停的闭环控制。入口和出口小车的位置反馈由小车各自的位置编码器检测。由此位置反馈和各自的目标值组成各自的位置闭环定位控制回路。

4.3小车控制原理

每台小车都是用独立的逆变器单独控制，每台小车电机减速机都安装一个编码器作为位置检测。当PLC接到启动指令时，PLC通过数学模型，计算出需要给定的频率，通过Profibus DP网络，将启动指令及给定频率以报文的形式发送给逆变器，逆变器拖动电机启动，匀加速1s至给定频率，到达lls的时候做匀减速运动，12s的时候停止，使小车能够准确的到达设定位置，并且通过编码器实时检测运行距离，如果设定值与实际检测值偏差超过允许范围，PLC通过判断进行报警，根据偏差大小对数学模型进行微调，保证小车下次偏差达到允许范围之内。同时变频器把运行过程的状态字也以报文形式发送到PLC，并且通过人机界面显示变频器运行状态。

4.4数学模型的建立

预弯过程控制的实现是通过入口部分的39部升降/横移小车各自独立且同步运行来完成的。所以冷床入口的39部升降/横移小车各自的横移定位控制精度及同步性是预弯控制精度的关键。针对这一控制难点，根据小车变频给定曲线对每台横移小车建立单位时间内每个频率区间的走行距离的数学模型，小车根据工艺设定预弯距离，自动匹配合适的数学模型，对小车进行对应的频率给定。保证每台小车都能够在单位时间内完成：启动-匀加速-恒速-匀减速-停车，这样既保证了小车运行平稳，而且控制精度控制在20mm内。

操作预弯时，由操作人员根据工艺把每台小车行走的距离通过人机界面的接口，进行设定，当启动预弯程序时，全部39台小车根据设定的距离，同时启动小车根据设定的距离，把钢轨推出一条符合工艺需求的曲线，并且同时停止，保证钢轨均匀弯曲。

5.结论

控制系统在投入使用后，针对预弯及移送同步控制这一核心问题，通过数学模型的建立，闭环的控制算法最终达到了预弯同步控制的效果。保障生产的顺利运行，同时提高了钢轨的质量。本文依据现在冷床的生产情况和今后轨梁厂发展规划，为今后自动化控制系统的升级改造提出了可行的方案。