现代机械设备中机电一体化技术应用分析

2023-12-21柳维垚

中国设备工程 2023年22期

柳维垚

（本钢集团板材股份有限公司冷轧总厂，辽宁本溪 117000）

在现代机械设备中，采用了大量的机电一体化技术。通过实际运行，了解到机电一体化技术具有良好的实用价值，将其与机械设备相结合，有助于提高机械设备的自动化和智能化发展水平。随着科技的飞速发展，为了保证生产效能，必须对机电一体化技术进行创新研究和推广应用。

1 现代机械设备中机电一体化技术应用要点

从整体层面分析，将系统性技术、机械和信息处理技术结合起来，是现代机械设备中机电一体化技术应用要点。在实施机电一体化技术时，必须对其工作状态和所具有的功能进行综合析，把现代机械设备看成一个整体，对各个系统的各个部分进行综合分析与研究，使之能够最大限度地实现协同性、综合性、同步性，从而使各部分工作效率得到最大的提高。此外，在现代机械设备中运用机电一体化技术时，协同应用机械设备和信息技术，对有关信息进行归纳与优化，以保证设备信息传送与使用品质，进而达到最佳的控制效能与强度。在信息技术与机械装备的结合中，应根据不同的装备种类，采用相应的技术管理方式，使其达到最优的使用结果。

2 现代机械设备中机电一体化技术应用

2.1 建立现代化冷轧机组机电液一体化控制仿真平台

建立现代化冷轧机组机电液一体化控制仿真平台，可用于实际的轧制工艺、操作控制和建模分析，仿真系统包括流程控制、虚拟带钢、模拟管理，是一种较为精密的模拟体系。

第一个环节是建立机械形变系统数学模型，其中包括轧件变形抗力模型、轧制压力模型、轧制力矩模型。在建立轧件变形抗力模型时，应综合考虑屈服强度、硬化系数、出口厚度、入口厚度等要素，从而求得变形抗力值。在建立轧制压力模型件中，必须综合考虑轧件板宽、后张力、前张力、示轧区接触弧长、材料应力状态等要素，从而确定轧制压力模型件。为了构建轧制力矩模型，必须综合考虑压下量、修正系数、摩擦系数等要素，形成轧制力矩模型的数学表达式。

第二个环节是电气转速与直接张力控制模型的构建，主要包括建立电机控制模型、主电机转速控制模型、卷取直接张力控制模型。在建立电机控制模型中，需要考虑到电枢回路时间常数，电力拖动装置时间常数、电枢回路电阻、电感整流装置内阻、平波电抗器电阻、额定励磁下转速电压比、电力运动部分折算到电机轴山的飞轮力矩、额定励磁下转矩电流比等要素。在建立主电机转速控制模型中，速度控制采用双闭环调速系统，内环是电流环，能对电网的电压波进行干扰。在电动机超负荷时，电枢功率的最大限度受到约束，从而实现了安全保护。外环是一个转速环，它可以对速度进行有效的调节，同时也可以对负荷进行干扰。在建立卷取直接张力控制模型中，一般采用恒定的力矩、恒定的功率来实现张力控制，目前，在各种仪器和设备中得到了广泛的使用。为提高张力控制精度，可在实际应用中引入直接张力闭环控制系统，或采用智能控制技术，使其在实际应用中得到最优的效果，从而提高冷轧机组生产效能。就转速检测转换、电流调节器、电流转换等环节而言，在函数传递形式中，转速调节器和主电动机是一样的。张力调整采用了按比例的积分方法。

第三个环节是建立液压控制系统仿真模型，根据传感器的结构特点，将板带厚度控制系统划分为测厚仪反馈、磨损补偿和油缸位移反馈。例如，对压上系统的动力学特性进行研究，选取轧制力和缸位移模拟量闭环方法。压上装置由测厚仪、液压管路、电液伺服阀门、压力传感等构成。在此系统中，采用一种将电压转换成电流的方式来实现对伺服阀门的控制。在解析过程中，可以将该时间常量排除。在求解增量函数过程中，应考虑电流、电压、电流增益等要素。其次，将液压缸与电动液力伺服阀门之间的长管相结合，管路结构采用分配参数模式进行规划。在液压缸的连贯关系中，必须充分地考虑缸杆腔面积、流量系数、压压刚体积弹性模量、缸腔容积、缸位移、控制压力等要素。

第四个环节是进行机电液一体化系统仿真，先确定冷轧机组的工艺参数，确定开卷机、卷取机、主电机等参数，并对各参数进行调试和试验，保证参数的正确设定。然后进行模拟操作，通过对模拟的结果进行分析，总结现代化冷轧机组机电液一体化控制仿真平台的实际运行情况，表明模拟的效果与生产实践相吻合，可以有效地提高冷轧机组的生产效率。

2.2 搭建冷轧厂酸轧机组自动化控制系统

冷轧厂酸轧机组自动控制系统流水线设置三间操作车间，分别为酸洗人口、酸洗出口、轧机区。包含两个控制室、一个是酸洗区、一个是轧机区，两个控制室都有工程师站、PDA 计算机、HMI 人机界面，在轧机区的控制室中，增加二级服务器和HMI服务器。在二级系统中，包含伺服器、工程师工作站。在一级系统中，包含相应数量的控制柜、ET200M 站、应急停车设备。在零级系统中，包括传动系统、仪表检测系统、部分现场执行构件。传动系统主要包括交流传动系统和交流辅助调速传动系统。HMI 控制部分包括HMI 伺服器和HMI 客户机。各柜体、服务器、HMI 采用高速网络进行通信。

在冷轧厂酸轧机组自动化控制系统的二级系统中，一台过程控制服务器具备参数的预设定、基于模型的轧制规程计算、基于神经网络的最优计算与自动学习、数据处理和报告等功能作用。另一个是实际数据处理服务器，主要是收集、处理过程数据信息。利用磁盘阵列热备份技术，将一磁盘组作为备用磁盘组，这个磁盘组平不工作，但一旦某磁盘出现问题，磁盘阵列就会对失效的磁盘组进行替换，将失效的磁盘组重新建立到备用磁盘组，磁盘反应速度快，再加上高速读取的记忆体降低了对磁盘组的访问，可以迅速地进行资料重构，即使出现磁盘故障问题，也不会停机。另外，还有工程师工作站供系统的研制与维修，确保冷轧厂酸轧机组自动化控制系统的稳定运行。

在冷轧厂酸轧机组自动化控制系统的一级系统中，控制柜主要应用于流水线的自动化控制、低转速的辅助，控制柜又称为工艺传动控制装置，TDC 是一种专门用于中、高速度闭环和同步化过程的多处理器自动控制系统，在单一平台中，具有最大数目的框架、最少的运行时间等特性，高度集成的工艺和驱动自动化系统。其次，利用ET200 远距离IO 系统，可以有效地改善系统的运行性能，并能有效地降低控制线的使用，从而降低设备的运行和维修费用。除此以外，应急停车设备在紧急情况下发挥功能效用，例如，在装置发生故障或事故时，对紧急情况做出快速响应。PDA 则是一个流程数据采集装置，可以采集、分析、处理数据，实现数据分配。

在冷轧厂酸轧机组自动化控制系统的传动系统中，主要包含主传动系统、交流辅助调速传动系统。在主传动系统中，主要用于对轧机和卷取机的控制，两者都采用了同步交流电动机。同步交流电动机采用控制器实现了对其进行时钟操作。由此可以看出，同步交流电动机的转速调节是一个直线式的，其反应速度要优于直流机。利用交直交调速系统对主电动机定子绕组进行电流的调节，其主动前端去除了高次谐波，并增加了电源的效率。转子的励磁电流由全数字直流调速系统、调速柜与交流电源相连接，并可实现较高的运行效率。两种传动都有集成的开发工具和开发程序，并提供信息显示、操作员控制和监测的诊断功能。交流辅助调速传动系统主要是用于对开卷机、矫直机、张力辊、某些小传动辊等低功耗的异步电机进行控制。

2.3 搭建ABB 工业控制系统

（1）ABB 传动系统。ABB 传动系统的关键技术是直接转矩控制。在直接转矩控制中，切换由定子磁通量、转矩的值确定，转矩直接作为被控量，直接控制转矩。通过这种方式，直接转矩控制切换得到了较好的响应速度，其平均切换次数只有2000Hz，与采用高频PWM 方式进行的切换相比，损耗更小。直接转矩控制具有最优的转矩响应及控制，具有较低的转速、较低的噪音、较高的效能等优势特性。

（2）自动化系统。机组通过自动化系统来进行控制。自动化系统具有多种控制级次，各控制级有各自的独立功能。一级是针对产业IT 领域的技术。在一级控制中，包含实时性控制、自动顺序控制、逻辑控制、调整回路控制、传动系统控制、辅助控制、报警及故障控制。在二级封闭状态下，由一级系统对装置进行控制，由操作员手工设定一级界面参数。二级为生产监控和生产优化的控制层，主要的参数由人工输入、从三级接收，并由以太网与一级自动系统相联系。三级是企业资源规划，三级和第二层是用以太网相连的，ABB 的二级系统有三级界面，太钢的三级网络通过三级界面接入二级系统。

（3）故障检测处理。在故障检测处理中，主要分为网络故障、程序故障。在网络故障中，主要故障问题是全部显示屏显示为红色，不能运行。对网络故障原因进行分析，是PLC 柜主电源断路，造成其柜内CN 网络掉电，与PEC 和一级服务器之间的CN 网络被切断，服务器不能获取PEC 的相关数据，因此显示屏显示为红色，显示屏幕不能正常工作。经进一步检验，主电源切换所携带的负荷中有一路为出口活套下层纠偏载波器，当载波开关被切断后，主电源可以关闭，从而证实该电源的失效是由于载波线的短路造成。处理该网络故障，主要分为暂时性操作方法和正规处置方法。在暂时性操作方法中，切断载波的电力供应，其他开关送电，再次载入掉电的PEC 后，即可运行。在正规处置方法中，在停机维修时，对载波机的线路和载波进行重新调整，把PLC柜内的载波电源换成外接UPS 电源，以避免因外接装置如活套纠偏造成PLC 柜掉电。

在程序故障中，主要故障问题是在焊缝经过平整器时，顺控程序尚未启动。对程序故障原因进行分析，是由于程式编制错误，当使用时，在投用平整器时，可以无条件不使用平整器。若在平整部位能够稳定运转，平整辊正常关闭，则选择不使用平整器，焊缝经过平整器时，顺控程序不能被开启。此时，若将钢带焊缝经过平整辊，辊缝不能自行张开，造成辊表面损坏。处理程序故障，具体要改变程序，仅当平整器的工作辊扬升或停机时，可以对是否使用平整器进行选择，以免在平整部位稳定运转时，操作者出现操作失误的情况。

3 现代机械设备中机电一体化技术的未来应用趋向

3.1 网络化

网络通讯技术的进步和使用的领域不断扩大，为整个工业的生产力提升和落后的生产方式的改善提供先进技术支撑。机械装备在机械产品设计、材料选择、产品销售等方面，都可以运用信息技术，使机械工作过程更加完善。随着互联网通讯技术的迅猛发展，使人们能够更加方便地进行各种信息的交换，实现了真正的信息分享，既可以提高公司的核心竞争能力，又可以促进现代机械设备的发展。

3.2 智能化

为提高现代机械设备综合性能，必须强化控制原理的落地执行，将人工智能、心理学等技术融入现代机械设备中，并充分运用人工智能技术，提高对生产过程的优化程度，从而保证现代化机械设备能够长期发展。比如，高分辨率的检测器件能够提高生产率，使机械设备的精确性满足预定的要求，因而应引起更多的关注。

3.3 绿色化

对于现代机械设备，要达到可持续发展的目的和产业发展的需要，必须把环保观念纳入其中。当前，社会发展水平不断提升，但是对生态环境造成了严重的损害，因此，必须加强对机电一体化技术的应用，加强对产品的加工和研发，把环保的思想融入产品的生产中，以确保在现代机械设备使用中不存在资源浪费问题，降低对生态环境的破坏和污染。