基于粗精耦合控制方法的米巴赫激光焊机对中系统的研究
基于粗精耦合控制方法的米巴赫激光焊机对中系统的研究 ·1·
基于粗精耦合控制方法的米巴赫激光焊机
对中系统的研究
邹鹏程 陈建华 齐杰斌 宋锡友 余 威
（首钢迁钢公司，迁安 064400）
摘 要 激光焊机的对中效果直接决定了带钢运行过程中的跑偏程度，对中效果良好能够有效地降低焊缝处跑偏，防止焊缝处张力过大造成的断带，良好的对中效果是保证生产线顺稳运行的基础。本文重点阐述米巴赫激光焊机的对中原理，并给出如何提高对中精度的方法。
关键词 粗精控制 耦合控制 激光焊机 对中系统
Coarse and Accurate Coupling Control Method for the
Research of Miebach Laser Welder Centering Device
Zou Pengcheng Chen Jianhua Qi Jiebin Song Xiyou Yu Wei
(Shougang Qian’an Iron and Steel Co., Ltd., Qian’ an, 064400)
Abstract The Miebach laser welder has one system of centering device. Good centering quality can make all the line running stably, and also avoid too big force at weld seam position，which can cause breaking of the strip. This system is very important for the line running. In this article, we will research the centering system of the Miebach laser welder, and introduce the hardware and software about it.
Key words coarse and accurate control, coupling control, laser welder, centering system
1 概述
激光焊机是冷轧连续生产线（如酸轧线等）的核心设备[1]。激光焊机处于生产线的入口段，用于完成带钢带头带尾的焊接，保证生产线无间断运行[2]。米巴赫焊机由四套对中装置组成对中系统，用于完成带钢焊接前带头带尾对中过程，防止焊缝处张力波动，焊缝局部张力过大的状况出现[3]。其中，1号及4号对中装置完成带钢带头带尾粗对中，2号及3号对中装置完成带钢带头带尾精对中，从而实现对中误差小于2mm的最终目标。下面将从对中系统的构成、对中系统的控制算法及软件实现等几方面进行讨论。
2 对中系统的硬件组成
对中系统结构图如图1所示：1号及4号对中装置为粗对中，因对中精度要求低，因此结构较为简单，由比例阀控制对中液压缸动作，两侧夹板同时向内高速运动，当有一侧夹板检测到带钢边部时，对中速度由高速变为低速，当两侧夹板同时检测到信号时，完成对中过程。粗对中系统中，由比例阀控制速度输出，由 邹鹏程, 男, 硕士, 工程师, 从事设备管理
·2· 第九届中国钢铁年会论文集
液压缸完成对中过程，由接近开关检测减速位置及停止位置，实现整个粗对中纠偏过程。
图1 对中系统的硬件组成结构图
2号及3号对中装置主要完成精对中过程，精对中过程较为复杂，主要硬件构成有：上位机及S7-300型PLC、对中CCD图像传感器、信号光源、液压缸及电液伺服阀等。其中，对中CCD图像传感器及LED红光灯构成检测系统，液压缸及电液伺服阀组成执行机构，控制过程由上位机及S7-300型PLC完成。 3 对中系统的粗精耦合控制算法
在精度要求较高的过程控制系统中，单通道的控制方法有时难以满足控制精度的要求，因此需要经过双通道的粗精控制以满足于精度性的要求，粗精控制的具体实现方法可概述为：
粗通道进行粗调节，粗通道调节的作用是根据给定值，由粗通道控制器对控制对象进行控制，使粗通道的控制结果尽量接近于设定目标。但是，由于受到粗通道控制精度的限制，粗通道控制结果可能不能满足于现场实际要求，这就需要精通道对于粗通道控制结果存在的偏差进行进一步的纠偏，即精通道继续对精度进行控制，以达到最终精确性的目的。粗精控制方法示意图如图2所示。
图2 粗精控制方法示意图
本套对中系统以粗精控制算法为理论依据，结合对中系统实际对中情况，设计出满足于现场实际要求的粗精控制对中系统。因1号、2号对中装置实现功能同3号、4号对中装置实现功能相同，因此以1号、2号对中装置为例对控制算法进行分析。1号及2号对中装置主要完成带钢带头的纠偏过程，具体设计思路为：高牌号及取向硅钢板型差，带钢跑偏严重，1号对中装置进行粗对中，即针对于带钢跑偏严重情况进行粗纠偏。粗对中结束后，带钢已基本被纠偏至生产线中心位置，但纠偏精度不能满足于2mm的要求。2号对中装置继续针对于粗对中纠偏结果进做进一步纠偏控制，直到纠偏结果符合设计要求为止。
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由粗精控制方法示意图可以看出，1号对中装置根据给出的对中设定值进行粗对中过程，在对中结束后，2号对中装置根据偏差结果进一步对中，以实现2mm的对中目标。此控制系统中，采用的控制算法为粗精控制，1号、2号对中装置和3号、4号对中装置分别完成激光焊机带头带尾的对中过程，经实验验证，粗精控制方法基本能够满足纠偏精度2mm的目标值。如希望提高对中精度及稳定性，仅依靠粗精控制不能满足更高精度的要求，因此可在粗精控制的基础之上，引入耦合控制，将控制算法优化为粗精耦合控制方法，即1号、2号对中装置同3号、4号对中装置同时对中，并将带头带尾对中效果进行比较，再次纠偏，使对中效果进一步提高。粗精耦合控制系统示意图如图3所示。
图3 粗精耦合控制方法示意图
由图3可以看出，1号和2号对中装置完成带头的粗精控制，3号和4号对中装置完成带尾的粗精控制，使各自的控制效果分别达到2mm之内。在两套粗精控制对中系统基础上，引入耦合控制方法，即将两套粗精控制系统输出值进行进一步比较，观察是否满足对中要求，并将信号反馈至设定值，做进一步的纠偏控制，直至满足精度要求为止。增加耦合控制后，会极大地提高控制精度。
4 对中系统的控制算法实现
米巴赫激光焊机粗对中系统控制方法较为简单，主要由接近开关检测带钢位置，带钢完成定位后，PLC向粗对中发出对中指令，粗对中系统开始动作，当一侧接近开关检测到带钢时，开始减速运行，两侧均检测到带钢时，对中结束，主要硬件组成有液压缸、比例阀及用于检测的接近开关。以下将着重介绍精对中装置的控制算法实现：
精对中控制系统由检测系统、执行机构、控制算法软件三部分组成。
检测系统的主要设备有：信号光源、CCD图像传感器、模拟量输入模块等。信号光源主要作用是为CCD图像传感器提供光源。在焊机对中控制系统中,共有4套信号光源，安装于焊机C型小车双切剪两侧基座上；CCD图像传感器可直接将光学信号转换为模拟量电流信号（4~20mA），电流信号经过放大和模数转换，实
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现图像的获取、存储、传输及处理。模拟量输入模块作用是将4~20mA的电流信号发送到S7-300PLC内，在程序内进行模数转换及数据处理。
执行机构主要由液压缸、电液比例换向阀等构成，主要工作原理如图4所示，上位机根据位置检测信息进行运算，输出电流信号至电液比例换向阀，电液比例换向阀控制液压缸做出相应动作。
控制算法实现于程序之中。激光焊机的PLC除完成顺序控制及逻辑控制外，还用于焊机的对中控制。带钢定位完成、粗对中结束后，PLC向精对中控制系统发出对中指令，并把通过模拟量输入模块送至PLC的模拟量信号进行模数转换、解码，根据转换后的像素位置和像素个数计算纠偏量，向电液比例换向阀发出动作指令，控制液压缸动作。CCD图像传感器实时监测现场数值，当误差处于可接受范围内时，完成对中过程[4]。精对中系统工作流程图如图4所示。
图4 精对中系统工作流程图
由图4可看出：整个控制方法实现闭环控制，直至带钢纠偏效果满足设计目标为止，目前现场所采用的就是此种粗精控制纠偏方法，经实际测量，基本保证纠偏结果控制在2mm左右，如果需要进一步提高纠偏效果，就需要引入耦合控制方法。在系统实现过程中，需要在激光焊机的人机交互界面（HMI）操作界面上显示出焊机的CCD图像传感器数据及设定焊机对中精度等参数，米巴赫激光焊机HMI操作界面采用的是Visio Basic编程软件实现上位机功能及同PLC通讯，对中摄像头显示及参数调节界面如图5所示。 5 总结
本文着重讨论了米巴赫焊机对中控制系统的实现原理，并给出了如何进一步提高对中效果的方法。实际生产中，精确性要求需针对于生产线实际情况进行控制，作为现场设备维护人员，选出对中时间短且能满足于实际要求的控制方法以满足于生产需要是我们的最终设计目标。
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图5 米巴赫焊机对中摄像头显示及参数调节界面
参 考 文 献
[1] 徐炜, 李章. 大功率激光焊接技术及其工业应用[J]. 机械工人: 热加工, 2005, 3(1): 32~36.
[2] 王家淳. 激光焊接技术的发展与展望[J]. 激光技术, 2001, 25(1): 48~53.
[3] 牛庆军. 带材纠偏和对中控制系统[J]. 有色金属加工, 2003, 32(6): 49~50.
[4] 冯元崴. 窄搭接焊机带钢自动对中控制技术[J]. 自动化技术与应用, 2010, 6: 93~95.