冷轧磨辊间全自动无人装载机的实现方法

刘志

摘要：本文介绍了西门子SIMATIC$7-400PLC、$7-300PLC、SIMATICSS 120、MICROMASTER 420和SMC20等自动化产品在国内第一套冷轧磨辊间全自动无人装载机系统中的应用，从硬件的组态以及软件实现的方法等方面叙述了系统对关键功能的实现方法。

关键词：全自动无人装载机;S120;自动磨辊间;同步控制

一、项目简介

钢厂冷轧磨辊间主要承担各轧机的工作辊/中间辊表面磨削和毛化等任务，其最重要的设备是工作辊/中间辊磨床和电火花打毛机床（EDT）。

为了满足磨辊间对高质量、高产量、高效益和低能耗的总体要求，减小轧辊在装卸时对磨床的撞击，提高轧辊磨削精度、降低磨床的故障率，一般在磨辊车间配备轧辊自动装载装置。

上海宝信软件股份有限公司智能装备事业本部自主研发的轧辊全自动无人装载机全自动实现了磨辊间轧辊上下磨床的工作，实现了工作区的自动化和无人化、设备操作自动运行控制，建立了全自动的安全的工作环境，提高设备的利用率，减轻了人员的劳动强度。轧辊全自动无人装载机采用五轴伺服定位系统，自动吊运重量最大达10t的轧辊时其定位精度达到±2mm，大大减小了轧辊在装卸时对磨床的撞击，提高了磨辊的精度和质量。

本项目是在宝钢湛江2030及1550冷轧磨辊间，每个磨辊间选用1套（两台）磨辊间全自动无人装载装置，负责磨辊间内4台轧辊磨床及1台电火花打毛机床的自动装、卸轧辊（工作辊、中间辊）的工作。

二、工艺介绍

在磨辊车间规划出磨床安放区间，各机床的前方设有二个单层轧辊支架为轧辊磨削等待缓冲辊架，一个为“待磨缓存辊架”、一个为“磨完缓存辊架”。操作工通过车间行车将待磨削的轧辊（工作辊、中间辊）吊入待磨辊存放区。全自动无人装载机根据磨辊间管理系统（RSMS）下发的生产计划自动由将待磨辊存放区内的轧辊（或“待磨缓存辊架”）吊入机床的工作位置上，由机床自行完成磨削任务，当轧辊磨削完成后，由全自动无人装载机将机床上的轧辊自动卸下吊入成品辊存放区的辊架上（或“磨完缓存辊架”）。轧辊进出自动区域的吊运由操作工通过车间行车完成，轧辊在自动区域内的吊运由全自动无人装载机全自动完成。

三、控制系统构成

全自动无人装载机的控制系统包含地面主控系统和车载控制系统两部分，分别描述如下。

1、地面主控系统

地面主控系统，如图l所示，采用CPU414-2DP的CPU，在主机架上同时集成了I/O模块和CP443-1模块等。CP443-1负责同RSMS系统建立Ethernet-Connection，接收及发送地面系统设备相关的生产数据，同时负责和HMI服务器进行通讯链接。由于磨辊间的磨床、EDT及全自动无人装载机都是独立的DP网络，相互之间的通讯速率及站地址也不尽相同，设备间跨越的距离也较远，因此我们采用西门子的DP/DP Coupler模块来实现地面主控系统与各个地面系统设备之间的控制信号和状态信号的数据信息的传递。

由地面主控系统STEP 7HW配置图，如图2所示，系统通过西门子ET-200M子站的形式与地面各类辊架、安全门和防护区信号进行数据传递。由于整个地面自动化区域的范围较广，ET-200M的子站数量较多，因此我们选用有源背板总线，这样可支持模板热拔插而不会导致CPU停机。

2、车载控制系统

每套全自动轧辊装卸系统包含2台全自动无人装载机，每台全自动无人装载机都有自己独立的车载控制系统。常规状态下两台无人装载机在各自划分的区域中完成轧辊自动装卸任务（两划分区中间有一段重叠区间）;当其中一台故障或检修时，另一台能覆盖整个封闭区域的轧辊自动装卸任务。

由于全自动无人装载机要求做到轧辊在磨床装卸时轻起轻放，杜绝磨床因轧辊的撞击而损坏精度，因此装载机定位精度要求非常高，达到定位精度小于±2mm，为此车载控制系统的传动部分我们采用了SIEMENS SINAMICS五轴伺服定位控制系统，伺服驱动和电机选择了西门子S120书本型模块和1FK7系列伺服电机。采用SINAMICS驱动系统，在电气上保证了同步和定位的精度，可满足梁上大车和地面大车的双电机同步运行要求。同时考虑到系统对位置精度的要求，我们在自带编码器的1FK7系列伺服电机的外部配置了绝对值编码器，通过西门子SMC20编码器信号转换模块直接把外置绝对值编码器接入西门子S120驱动系统。

车载控制系统，如图3所示，采用CPU315-2DP的CPU，在主机架上同时集成了I/O模块和SM331模拟量输入模块等。车载控制系统的子站采用了西门子的ET-200S，它分布在全自動无人装载机的调宽机构的端子盒里面，这样大大节省布线。同时ET-200S相对于地面主控系统使用的ET-200M、ET-200S更加经济和灵活，在满足同枠性能的同时也节省了更多的空间。

全自动无人装载机的吊具采用回旋式自锁型夹钳，由2台西门子MM420采用端子控制驱动涡轮蜗杆传动副。

由于装载设备是无人全自动运行，为了监视吊具锁紧机构及吊运状态，在两侧的定滑轮支座上装有称重仪压力传感器，我们使用西门子SM331模拟量输入模块来动态测量两根钢丝绳的受力状况，当两端钢丝绳受力偏差大于设定阈值或测定力小于设定值时，升降机构停止运行，并声光报警。同时我们在ET-200S上使用了6ES7134-4FB01-0AB02AI模拟量输入模块来读取装在吊具夹钳两端的SICK DT50测量的轧辊距离数据，当轧辊两端的距离偏差大干设定阈值或测定距离小于设定值时，升降机构停止运行，并报警告知轧辊倾斜。

由车载控制系统S7EP 7HW配置图，如图4所示，系统通过组态西门子Profibus总线的形式与SICK公司的激光測距仪DL100进行通讯。

大车位置测量采用测距长度为300m两个DL100激光測距仪，可以避免齿轮齿条传动隔带来的故障率，减少分散驱动控制的大车运行机构可能发生的上下两车的运行位置超差问题。同时大车运行机构的上下两侧均由各自的伺服电机同步驱动，推动大车前后运动，采用电机后部的磁盘式抱闸进行驻车制动，减速机采用西门子减速机。大车上下电机采用主从关系进行运行控制，大车地面伺服电机作为主动轴总是恒定速度运行，大车梁上伺服电机从动轴总是在跟随在后，在运行过程中根据大车上下位置差值进行转速补偿。

（1）差值小于（+/-2mm）时，设定值不作补偿。

（2）差值大于（+/-2mm）并小于（+/-10mm）时，对梁上大车设定值进行补偿。

（3）差值大于（+/-10mm）时，报警（停机）并将设定值清零。

转速补偿控制程序示例如图5所示。

四、控制系统完成的功能

1、地面主控系统完成的功能

（1）地面各类辊架、安全门、各防护分区信号（DI）监控。

（2）地面各安全门指示灯信号（DO）监控。

（3）与四台磨床和一台电火花毛化设备的联锁信号交换。

（4）主控HMI上各类状态显示输出。

（5）主控HMI上各类控制命令和轧辊数据接收。

（6）l#及2#装载机各类设备状态接收。

（7）l#及2#装载机各类运行命令输出。

（8）1#及2#装载机各轴定位距离命令输出。

由磨床与Loader通讯DB块示例图，如图6所示，系统通过DP/DP Coupler进行交换的数据，这些数据包括了二者之间的连锁信号及状态信号等。

2、车载控制系统完成的功能

（1）向地面主控PLC发送车载各设备状态。

（2）接收地面主控PLC发送的运行命令及定位距离命令。

（3）车载各安全门、防撞、限位（DI）信号监控及（DO）输出。

（4）大车、小车、升降、调宽位置实际值采集及定位控制。

（5）采集车载各变频、伺服设备的状态和控制它们的运行。

（6）无线手动遥控控制。

（7）设备的自动步控制。

在大车、小车、升降和调宽位置实际值采集及定位控制的S120系统调试时候，我们发现当速度环点动时运行状态很好，但位置环运行时出现速度不稳现象，可以通过对位置环的Kp（P2538）进行调整，通常减小Kp值，速度会趋于稳定但同时栢应变慢（带来速度上升和下降的斜率时间加长）;反之加大Kp值，速度易波动，是因为相应变快（带来速度上升和下降的斜率时间缩短），因此位置环的Kp（P2538）该值很重要，需要根据不同的负载和工况进行调整。调整在：Technology→Position control→Positioncontroller画面中，如图7-11所示。

（1）Kp：3.0Tn72ms。

大车、小车、升降和调宽等伺服系统在调试时候需要不断观察和记录运行曲线，不同机构对驱动系统的运行曲线的要求也不尽相同，调试过程中记录的运行曲线，如图12所示。

3、HMI系统完成的功能

冷轧磨辊间地面HMI系统的主要任务就是与磨辊间地面主控系统一起配合对磨辊间库区进行监控和管理，编程语言采用目前在工业智能制造领域使用较多的微软C#编写。冷轧磨辊间地面HMI系统具备部分MES系统的功能，涉及的范围为：

（1）监控磨辊间栢关设备状态。

（2）编制操作人员发送的指令。

（3）记录和显示当前系统故障。

（4）管理系统参数。

（5）自动步显示。

（6）Loader工作模式切换。

冷轧磨辊间地面HMI系统的总体功能层次图，如图13所示。

冷轧磨辊间地面HMI系统的主画面示意图，如图14所示。

冷轧磨辊间地面HMI系统控制中根据库区信息规划自动生成吊运指令功能示例，如图15所示。

冷轧磨辊间地面系统的库区规划的目标函数的约束条件涉及工艺约束及设备约束等，如轧辊堆放涉及的辊种、直径和重量等，目前系统已经支持的全自动吊运轧辊类型包括1550酸扎中间辊ZBZI、1550酸扎工作辊ZBZW、1550连退工作辊ZBPW、1550连退中间辊ZBPI、1550镀锌工作辊ZBGW、2030镀锌工作辊AGW、2030酸扎工作辊AZW、2030连退中间辊API和2030连退工作辊APW，共9种。设备约束主要指不同厂家的磨床（特别是可以磨削支撑辊的万能磨床）或EDT等设备，这些设备由于工作方式及设备尺寸的不同会对Auto Loader在吊运和轧辊鞍座规划产生一定的设备约束。

五、结论

项目于2016年11月上线运行，系统运行良好稳定，设备总图，如图16所示。国内第一套具有自主知识产权的冷轧2030磨辊间全自动无人装载机在宝钢湛江的顺利应用，引起了国内业界的高度关注。2017年6月冷軋1550磨辊间全自动无人装载机也顺利投入使用。采用不同类型的自动化驱动及控制产品，在项目集成的过程中，我们搭建了一个可靠强壮的软硬件系统。