热卷箱传动计长的技术实现
王继红 赵波 郑亮
1 前言
传统的轧机带钢长度测量采用在辊道的轴上安装独立的光电编码器通过高速计数模板接入自动化控制系统，自动化系统通过脉冲计数来计算带钢长度。在传动系统如果要求速度精度较高的时候也要在电机的轴上安装光电编码器用来做速度闭环控制。这样就需要安装2个光电编码器，不便于安装和维护。可以只安装1个编码器，采用脉冲分配器的方式将其信号分成2路，分别送至传动系统合自动化系统，但是二者的分辨率要求往往不同，并且信号容易受到干扰。
现在的传动系统大都通过现场总线与自动化系统连接，可以通过总线将传动编码器的信息传给自动化控制系统，这样就可以使问题变得简单明了。
2 局部系统概况
热卷箱的卷取和开卷都需要进行带卷长度测量与计算，卷取区在1号托卷辊上进行，开卷区要在2号、3号托卷辊、开尾辊处分别进行。这些辊子的传动方式都相同，与自动化系统的联系都是通过Profi-Bus现场总线完成，光电编码器的配置与安装位置都在传动电机上，这里只讨论1号托卷辊的实际应用与实施过程。
1号托卷辊位于卷取区与开卷区中间，在卷取时参与卷取，开卷开始至飞剪完成切头参与开卷工作。在这两种情况下都需要进行带卷长度测量与计算。
2.1 传动系统配置
1号托卷辊采用的是交流变频调速，由西门子6SE70系列工程型逆变器驱动变频电机。为了保证调速精度及动态响应速度，在电机同轴安装增量式光电编码器完成矢量闭环控制。编码器为正交增量式，每转1024脉冲输出，带零位脉冲输出，直接连接到逆变器的CUVC控制板上。
逆变器还装有CBP2通讯板，通过Profi-Bus DP总线与自动化系统PLC通讯，接受来自PLC的运行控制指令，反馈传动系统的状态信息给PLC系统。
2.2自动化系统配置
自动化系统采用西门子S7-400系列PLC控制器，CPU为6ES7 416-2DP，其DP接口连接自动化系统的远程I/O，另外配置一块IM467模板用于连接传动系统的装置。
3 设计及实现
使用传动系统的编码器完成传动的矢量闭环控制，同时还可以得到电机的转子角度信息和转过的角度，将此信息通过DP总线传递给PLC，再由PLC进行处理后得到辊子转过的角度进而计算带钢的长度。
3.1 传动设备设置
首先设置相关参数以使逆变器工作在矢量闭环模式下，在完成了常规的系统设置及电机识别、动态参数优化后，为了能够得到相应的转子角度信息，还要对编码器的形式进行设置：
P130=15，配置带零位脉冲的编码器
这样，在连接器K0090中就可以得到电机转子角度，KK120中可以得到转子累计转过的角度，该值是一个32位的绝对数值。
设置：
P734.04=KK120
P734.05=KK120
完成从CBP2通讯板的第4、5字传送KK120的双字内容给PLC系统。
由于采用的是带有零通道的脉冲编码器，传动装置在电机每转接收到零通道脉冲时就可以对上一圈所计的脉冲数进行验证，在受到轻微干扰的情况下校准脉冲数，这样在后续的角度计算中不会有累计的计数误差存在。完全可以将其看成是一个绝对型编码器来使用。
在这里有一点需要注意的是，在逆变器主回路即直流母线没有电源的情况下，逆变器的电子箱如果没有单独的DC24V电源是不能工作的，在电子箱断电时，KK120内的数值会被清除，因此最好单独给电子箱提供DC2V4电源。在没有这样做的情况下，在自动化系统里就需要注意对此数值的处理。
3.2 自动化系统配置
除了前面提到的硬件配置，还需要对软件进行相关的配置及设置。
首先，确定与传动系统的通讯方式，这里采用PPO4类型，这种方式下由PLC主站与逆变器从站间传递的数据共有双向12字。见表1：
表1 PPO4类型主站与逆变器通讯
主站至逆变器 | 描述 | 逆变器至主站 | 描述 |
PZD1/STW1 | 控制字 | PZD1/ZSW1 | 状态字 |
PZD2/HSW | 速度给定 | PZD2/HIW | 速度 |
PZD3 | 备用 | PZD3 | 电流 |
PZD4 | 备用 | PZD4 | 累计转角 |
PZD5 | 备用 | PZD5 | |
PZD6 | 备用 | PZD6 | 故障报警 |
然后在PLC中开辟通讯数据块（区）：针对每台逆变器从站建立数据交换的缓冲区，发送与接收区域均20字节，其中用到的有12字节，其余备用。
在此针对1号托卷辊的具体数据区为：
定义DB60为“Drivers_DB”。
发送到传动装置：DB60.DBW240-DBW250，共6字12字节，见表2：
表2 发送到传动装置数据定义
从传动装置接收：DB60.DBW260-DBW270，共6字12字节，见表3：
表3 从传动装置接收数据定义
在循环程序中调用DP通讯功能块SFC14，SFC15，系统就会完成与逆变器的数据交换。
3.3 程序实现
从传动接收的电机转子转角信息放置在“Drivers_DB”.CR1.Pos_Angle中，它是一个32位的整数。也就是说传动装置将增量的编码器脉冲经过处理后转换成了绝对值信息的形式传送给了自动化系统。任何绝对编码器的输出值都存在过零或溢出的情况，自动化系统要判断并作出相应处理。处理的思路是建立一个更大的计数区域，对将绝对编码器的“圈数”进行计数，再用此数乘以每“圈”的对应长度距离，再加上当前圈的数值对应的距离就得到一个更大的计长区域。在正传溢出时对“圈数”计数器“Drivers_DB”.CR1.Count加1，反之在反转过零时减1。CR1为1号托辊。具体过程如下：
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 //暂存标志位
A DB60.DBX 266.7 //取输入值最高位，字节的高低位颠倒
FP “BOOL”.Drive_Pos.CR1_U //上升沿计数器加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 //下降沿计数器减1
A L 0.0
JNB _04b
L “Drivers_DB”.CR1.Count
L 1
+I
T “Drivers_DB”.CR1.Count
_04b: NOP 0
由传动装置接收到的绝对数的最低4位并不代表脉冲变化，在此需要舍去，采用移位的方式处理：
L “Drivers_DB”.CR1.Pos_Angle
SRD 4 //右移4位
DTR
L 7.427186e-002 //每脉冲对应长度
*R
L 1.000000e+000 //校正系数
*R
T #tmp_real //暂存中间结果
L “Drivers_DB”.CR1.Count
ITD //转成长整数
DTR //转成实数
L 1.993720e+007 //每转对应长度
*R
L 1.000000e+000 //校正系数
*R
T #tmp_real_1
L #tmp_real
+R
T “Drivers_DB”.CR1.Count_Length
经过上面介绍的方法处理过的长度信息只是在保证一个比较大的工作循环中不会出现由于绝对值过零而对控制过程造成影响，但是并不能保证在多个循环后出现“大”计数器不会过零或者溢出，这样就要求在使用中要在每个设备工作循环选择固定的时机对其进行校正与复位操作。
复位是对圈数计数器进行预设值，设置一个固定的常数保证在一个工作循环中不会出现过零或溢出。
校正是要在校正时刻计算出一个偏移量，以使最终的计算长度结果与实际相对应。
4 实际应用效果
采用上述方法用热卷箱托卷辊对带钢进行长度测量及计算，取得了良好的效果，通过带钢长度而计算出的带卷直径与实际吻合的很好。受带卷直径参数控制的设备，包括弯曲辊、托卷辊、开尾销等动作运行平稳，成卷卷眼椭圆度达到标准，卷形良好，紧密圆整。
5 结束语
通过采用传动与自动化共用一个增量形光电编码器来完成传动装置的速度闭环控制和自动化的间接带钢长度计算，在节省了设备投资的同时，也减少了安装及调试工作量。这种方式比对自动化系统专用增量编码器进行计长的另一个优点是不会出现由于干扰而造成计数不准确。该方法可以推广到在机械上具有类似要求的应用领域。
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