1 引言
隨著自動化技術的飛速發展，PLC、現場總線和全數字測量傳動裝置在銅帶材冷軋機的控制系統中得到了廣泛的應用，使得系統安裝、調試及維護工作量大大減少，控制精度和自動化程度越來越高，系統的穩定性得到大幅度提升。同時，隨著銅板帶材產品競爭的日益激烈，對軋機控制系統的要求也在逐漸發生變化，在提高設備自動化程度和控制精度的前提下，要求實現生產過程自動化和進一步提高生產效率。因此，控制系統的模塊化、網絡化已是發展的必然趨勢。

2 銅帶材冷軋機控制系統結構
圖1是某有色金屬加工廠設計改造的一臺銅冷軋機的控制系統結構圖。該系統采用了三層網絡控制方案，最底層為現場設備級網絡，中間為環形對等網絡，最上面是工業以太網。

圖1 銅帶材冷軋機控制系統結構圖
在本系統中，為了控制的方便性，在現場設置了多個遠程IO子站。每個操作臺的按鈕、指示燈等直接接入各自臺內的遠程子站，現場的檢測元件和電動執行元件就近接入附近的現場控制箱。這些遠程IO通過現場以通訊的方式連入主控室內的PLC主站。遠程IO的通訊介質為屏蔽絞線，通信速率為2.5Mbit/s。采用遠程IO方式，不但減少了電纜用量，同時也更加便于維護，減少了生產輔助時間。
軋機的控制系統包括6臺PLC和1個觸摸屏式操作屏。每臺PLC均各自構成一個獨立的子系統，分別控制AGC(自動厚度控制)、AFC(自動軋力控制)、傳動系統和輔助系統;觸摸屏式操作屏放置在主操作臺。為了使這些獨立的控制系統更好地成為一個整體，設置了環形對等網，將6臺PLC鏈接到同一個網絡平臺。在網絡中，各個PLC讀取所需要的數據，實現數據的實施共享。通訊介質為光纖，通訊速率為10Mbit/s。
三層網絡的最頂層是與工業控制計算機相連接的工業以太網，PLC通過工業以太網與工業控制計算機進行通訊連接。在環形對等網上的6臺PLC中，輔助系統PLC上設置了以太網接口板，這臺PLC從對等網收取所有需要發送的運行數據，進行分類打包處理，發送給工業控制計算機系統。工業控制計算機系統將一級系統發送來的數據解包，進行運算處理，再將需要的數據發送回輔助系統PLC，其他PLC通過對等網讀取各自需要的數據。
為了方便操作手對工業控制計算機的使用，在主操作臺設置了一臺HMI(人機界面)，供操作手查看工業控制計算機中與操作相關的數據，同時可以對權限內的一些內容進行設置與修改。另外，還設了一套工程師站，用于整個控制系統的本地維護，必要時也可以接上網絡或電話線，對現場進行遠程維護。HMI和工程師站都連接在以太網上，通訊介質是標準5類線，RJ45接頭，通訊速率為100Mbit/s。

3 底層PLC控制系統
3.1 速度控制
軋機控制的核心是板形和厚度控制。要達到良好的板形和保證可接受的厚度公差，軋機就必須保證良好的速度、張力的穩定性。在控制方式上，主機為速度控制，給整個軋機提供穩定的線速度基準。開卷機和卷取機為恒張力控制。
速度設定由主操作手在操作臺控制，數據發送到PLC處理后傳送各個傳動系統。速度設定是以主機為線速度基準速度，通過設定工作輥的直徑與減速箱的減速比，從而給出電機的轉速給定值。根據控制功能，速度設定有正反向點動功能，用于故障處理;穿帶速度設定，用于生產前軋機穿帶;軋機線速度設定，用于正常軋制。按照線速度相等的原則以轉速的形式分配給各傳動系統，其中要考慮前后滑系數的成分。
3.2 張力控制
張力控制在整個軋機控制中至關重要。因系統中未配備張力計，所以采用了間接張力控制方式。
就卷取機系統而言，若忽略電動機的空載損耗，則有如下關系:
MD=CM∮I=FD/2i
式中:MD為電動機的電磁轉矩;∮為電動機磁通;I為電動機額定電流;CM為機電時間常數;F為卷取機張力;D為卷徑;i為機械減速比。由此可知，卷取機的張力控制可以近似看成轉矩控制。而要保證張力控制的精度和穩定性，在就要獲得兩個重要的變量:線速度和卷徑。
(1) 線速度的測量
通過PLC系統讀取卷取機前的偏導輥上的脈沖編碼器進行計算而獲得的。是卷徑計算需要的一個重要變量。轉速測量的精度與脈沖編碼器每轉脈沖數及采樣時間有關，在轉速恒定的情況下，脈沖編碼器每轉脈沖數越多，采樣時間越長，測量精度越高。
(2) 卷徑計算
卷徑計算有線速度法和直接測量法兩種，在實際應用中發現直接測量法比較穩定和精確。一般采用超聲波測距儀或激光測距儀，其中激光測距儀可以達到很高的測量精度和穩定性，完全可以滿足卷徑測量的需要。
在間接張力控制中，為保證張力控制的準確性，要充分考慮卷取機在加減速過程中轉動慣量以及機械本身固有的摩擦力對轉矩的影響。因此，在系統中設計了加減速和摩擦轉矩補償環節，轉矩補償量即為轉矩預控值與轉矩設定值疊加，作為卷取機系統的合力矩，對卷取機進行控制。
3.3 入口上卷原理
入口上卷自動的關鍵是卷材卷徑和寬度的測量精度。在小車輥道上安裝了一套對射式的光電開關，配合小車升降機上的脈沖編碼器實現卷材卷徑的測量，在小車行走輥道的側面基礎上安裝了另一套對射式的光電開關，配合小車行走方向的脈沖編碼器完成卷材寬度的測量。
上卷自動的起點是卷材儲運軌道，小車搭載著卷材離開儲運輥道后向前行進，到升降位置時小車停止同時小車升降機開始下降，在下降的過程中利用第一套光電開關和脈沖編碼器的配合測量了卷材的卷徑。小車下降到下極限后，繼續向前行進，行進過程中利用第二套光電開關和脈沖編碼器測量出了卷材寬度。當小車行進到等待位置時停止，根據測量的卷材卷徑小車通過升降動作對中卷材中心，完成后根據測量的卷材寬度向前繼續行進對正卷材寬度中心點。這樣卷材就被自動放置在開卷卷軸上了。
另外還有上卸套筒自動，卸卷自動等。

3.4 軋制力閉環AFC原理
軋制力閉環控制系統由AutoMax系統、伺服閥放大器、伺服閥、油缸及壓力傳感器等環節組成，其工作原理為:當軋制力設定信號加入該系統的輸入端時，由于此時工作輥并未接觸，故軋制力反饋信號為零，系統偏差既等于輸入信號，在此偏差信號作用下，油缸迅速動作，起動軋輥向上移動，直到工作輥互相接觸，靠實產生軋制力。當實際軋制力隨著軋輥的繼續上壓而增加到等于設定值時，油缸停止移動，使實際軋制力等于設定值保持不變。
AFC只有在軋輥壓靠進行輥縫清零操作或做為平整時才使用，正常軋制時，AFC將被切除。
3.5 張力AGC控制原理(T-AGC)
當出口厚度小于0.5mm并接近0.1mm時，由于軋輥壓扁影響的增加及帶材寬度以外的工作輥之間開始接觸，導致軋制力對厚度的作用減小，而軋機速度及入口張力對厚度的影響逐漸增大，最終在鋁板軋制過程中起主導作用。張力AGC是通過調節張力來改變板帶的塑性系數的大小來實現厚度調節的。
3.6 速度AGC控制原理(S-AGC)
速度AGC是通過速度調節來改變板帶摩擦系數的大小來實現厚度控制的。

4 工業控制計算機系統
在軋機的控制系統中，工業控制計算機起著十分重要的作用。以往，國內銅帶軋機的工業控制計算機系統主要偏重于系統的監視，其主要功能為故障顯示與記錄、主要運行參數記錄、實時狀態顯示與監控、設定內容打印等。隨著生產廠家對自動化程度要求的不斷提高，尤其是全自動軋制概念的引入，工業控制計算機系統必須具有更加完善的功能。
全自動軋制是指輸入來料卷材及產品數據后自動生成軋制表，自動按照軋制表進行各道次軋制，軋機可自動進行加減速，并且通過參數自學習可不斷改善軋制參數。自動軋制的實現大大減少了手動操作，減少了人為因素對生產過程的影響。
項目設計改造的這臺銅帶材冷軋機，采用了完善的自動化設計，配合工業控制計算機，可實現自動軋制。其工藝流程如圖2所示。

圖2 軋制過程流程圖
軋機的操作有手動和自動兩種方式。手動操作方式，功能與以往的軋機不同，手動單步實現軋制過程的所有操作。本設計中，手動操作方式作為自動軋機的備用功能。自動操作方式可實現自動上卷、自動上套筒、自動穿帶準備、穿帶自動控制、自動軋制、自動料尾處理、自動卸卷及自動卸套筒等。生產中，操作手根據實際生產情況，啟動相應的過程自動控制程序，設備即可按照預定程序進行工作，不需要過多的人工操作。生產過程中可隨時進行一定的手工干預，并且可隨時由自動狀態切換到手動狀態。
(1) 實時采集軋制數據
實施采集板形、厚度、軋制速度、升降速時間點以及開卷機、卷取機、主機的電機運行參數等。
(2) 軋制數據分析
將采集的數據進行綜合整理，以曲線和列表的方式顯示。這些數據可用于分析軋制工藝對產品質量的影響，為改進生產工藝提供依據。
(3) 卷材管理
每個卷材均建有單獨的檔案，該卷材的軋制表、已完成的軋制道次、將要進行的軋制道次等均以表格形式存儲，在批量軋制時可隨時調取相關數據進行軋制。
(4) 自動生成軋制道次表
按照卷材的合金牌號、規格及成品要求，自動生成軋制表，并可進行人工修改。
(5) 生產工藝參數自學習
根據每個帶卷的生產工藝過程和產品質量進行自學習。
(6) 中間產品及最終產品的質量跟蹤
在軋制過程中，如果出現板形缺陷，可自動記錄該缺陷的起點和終點位置，并在下一道次的軋制中預先提醒缺陷點。
(7) 生產班次管理
按照車間的生產班次，分別統計生產時間、產品種類、數量、成品率等。
(8) 故障診斷與記錄
匯總并記錄一級系統傳來的非正常軋制狀態及其發生時刻，供需要時查詢。
(9) 生產狀況監控
記錄生產過程中一級系統的正常狀態及運行時刻。
生產開始，開卷機上卷，工控機調出該卷材的數據，給出相應道次的軋制參數;開始軋制后，工控機不斷采集軋制過程數據及整個系統的運行狀態，對操作者給出一些指導性建議;在選擇自動操作情況下，可實現輥縫自動調節、自動加減速等功能;軋制完成后，對采集的各種數據進行相關處理，并以數據和曲線的形式在工控機上和HMI上顯示;所有數據以文件形式進行記錄，供日后需要時使用。

5 結束語
通過對冷軋機控制系統功能的改進與提高，使得它的性能得到大幅度提升。
(1) 成品率得到了提高
采用自動加減速后減少了帶頭、帶尾的長度和人為因素的影響，從而提高了帶材成品率。
(2) 提高了生產效率
由于自動化程度的提高，輔助時間自然減少;工控機提供的班次管理，更可以清楚地看出每個班次的有效生產時間及輔助時間，為更加合理有效地安排生產，提高生產效率提供有效依據。
(3) 完整的數據記錄與分析
為工廠的質量跟蹤與管理提供了詳實的資料，也可為后續加工或產品的購買者提供可靠的數據資料。
實際生產運行表明，整個系統工作穩定可靠，有效地提高了產品質量、生產效率及經濟效益，受到用戶良好評價。