1 引言

當(dāng)今企業(yè)正處于一個(gè)INTERNET和電子商務(wù)飛速發(fā)展時(shí)代，企業(yè)面臨經(jīng)營(yíng)理念和經(jīng)營(yíng)方式的根本性變革，鋼鐵企業(yè)整體產(chǎn)銷管理系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。過去的系統(tǒng)，管理和生產(chǎn)的分離，不能滿足整體產(chǎn)銷管理的需求，隨著生產(chǎn)的信息化管理，物流跟蹤作為生產(chǎn)過程控制與基礎(chǔ)自動(dòng)化控制依存的紐帶，其地位日益凸顯，其功能也要求越來越強(qiáng)。物流跟蹤控制經(jīng)歷不斷地改進(jìn)，它豐富了人機(jī)界面，使其更為人性化，提高了跟蹤精度，使現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)信息反饋更為及時(shí)準(zhǔn)確。

2 功能概述

在冷軋連續(xù)生產(chǎn)機(jī)組中，物流跟蹤是整個(gè)控制系統(tǒng)的一個(gè)很基礎(chǔ)也很重要的功能，物流跟蹤要準(zhǔn)確地追蹤每一個(gè)鋼卷從生產(chǎn)線入口到出口的位置，以及要精確地跟蹤鋼卷開卷后帶鋼焊接的每一個(gè)焊縫在機(jī)組的位置。

2.1 物流跟蹤系統(tǒng)的主要功能
(1) 焊縫跟蹤
l 生成焊縫映像位圖;
l 計(jì)算焊縫與控制設(shè)備的距離;
l 跟蹤故障報(bào)警。
(2) 材料跟蹤
l 產(chǎn)生與基礎(chǔ)自動(dòng)化跟蹤同步的鋼卷映像位圖;
l 入口步進(jìn)梁、鞍座的鋼卷跟蹤;
l 出口步進(jìn)梁、鞍座的鋼卷跟蹤;
l 跟蹤故障報(bào)警。

一般來說，焊縫跟蹤是以焊機(jī)焊接后產(chǎn)生的焊縫為跟蹤目標(biāo)進(jìn)行精確的位置跟蹤，它的跟蹤區(qū)域從入口焊機(jī)到出口飛剪。例如某帶鋼的頭部當(dāng)前離開焊機(jī)的精確距離、或到達(dá)圓盤剪的精確距離等，它對(duì)精度的要求很高，由于焊縫的檢測(cè)信息來源于現(xiàn)場(chǎng)傳感器的中斷信號(hào)，要求響應(yīng)時(shí)間快，現(xiàn)在許多廠家將此功能轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)自動(dòng)化控制(一般也稱為L(zhǎng)evel1,簡(jiǎn)稱L1)中來實(shí)現(xiàn)。
對(duì)于材料跟蹤，它以每一個(gè)鋼卷為跟蹤目標(biāo)進(jìn)行全線的跟蹤，它的跟蹤區(qū)域從生產(chǎn)機(jī)組的入口步進(jìn)梁到機(jī)組的出口步進(jìn)梁。它需要將每一個(gè)被跟蹤的焊縫與鋼卷數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)起來，該功能的實(shí)現(xiàn)是建立在準(zhǔn)確的焊縫跟蹤基礎(chǔ)之上，不少?gòu)S家仍將此功能保留在過程控制(一般也稱為L(zhǎng)evel2,簡(jiǎn)稱L2)上實(shí)現(xiàn)，如日本的一些公司:三菱、日立等。

2.2 物流跟蹤系統(tǒng)的主要用途
(1) 焊縫跟蹤
l 畫面帶鋼運(yùn)行的顯示;
l 產(chǎn)生請(qǐng)求L2設(shè)定值的動(dòng)作點(diǎn);
l 產(chǎn)生切換L2設(shè)定值的動(dòng)作點(diǎn);
l 產(chǎn)生發(fā)送給L2生產(chǎn)實(shí)際值的動(dòng)作點(diǎn);
l 產(chǎn)生焊縫到達(dá)特殊工藝設(shè)備的動(dòng)作點(diǎn)。
(2) 材料跟蹤
l 畫面入口、出口鋼卷顯示;
l 產(chǎn)生鋼卷數(shù)據(jù)與焊縫一一對(duì)應(yīng)的跟蹤信息;
l 產(chǎn)生發(fā)送給L1預(yù)設(shè)定值的動(dòng)作點(diǎn);
l 產(chǎn)生接受L1生產(chǎn)實(shí)際值的動(dòng)作點(diǎn);
l 產(chǎn)生數(shù)學(xué)模型計(jì)算的動(dòng)作點(diǎn)。
焊縫跟蹤和材料跟蹤的用途大體相同，主要是焊縫運(yùn)行到各控制點(diǎn)時(shí)，起到觸發(fā)其它生產(chǎn)任務(wù)執(zhí)行的作用，同時(shí)協(xié)助畫面顯示正確的動(dòng)態(tài)物流跟蹤信息。對(duì)于跟蹤所產(chǎn)生的每一個(gè)動(dòng)作時(shí)刻點(diǎn)，一般依據(jù)各機(jī)組的生產(chǎn)工藝需求和各個(gè)廠家硬、軟件的開發(fā)能力來確定。

2.3 物流跟蹤系統(tǒng)的發(fā)展

傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中，物流跟蹤由過程計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)，受硬件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的影響，跟蹤的信號(hào)均通過PIO(過程I/O)直接連到過程機(jī)上，跟蹤的控制方法相對(duì)較簡(jiǎn)單，在擾動(dòng)比較大的跟蹤區(qū)域，如爐內(nèi)、活套等，容易產(chǎn)生較大的跟蹤誤差，進(jìn)而使跟蹤精度降低，畫面上的帶鋼跟蹤也比較粗略。

現(xiàn)在跟蹤控制系統(tǒng)，焊縫檢測(cè)信號(hào)全部轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)自動(dòng)化的PLC系統(tǒng)，焊縫跟蹤功能也由基礎(chǔ)自動(dòng)化控制實(shí)現(xiàn)，強(qiáng)大的PLC運(yùn)算功能將跟蹤做得非常詳細(xì)精確，保證了跟蹤的精度和跟蹤的可靠性，畫面效果也更加逼真。
3 焊縫跟蹤系統(tǒng)的控制原理
3.1 焊縫跟蹤的基本要素
(1) 焊縫跟蹤系統(tǒng)的硬件設(shè)備
l 焊縫檢測(cè)器:檢測(cè)生產(chǎn)線上的焊縫，起到校正的作用，通常安裝在糾偏輥的后面;
l 脈沖發(fā)生器:測(cè)量一個(gè)掃描周期內(nèi)焊縫移動(dòng)的距離。通常安裝在不易打滑的S輥(Bridle Roll)上;
l 焊機(jī):產(chǎn)生焊縫，形成焊縫跟蹤系統(tǒng)的跟蹤對(duì)象。
(2) 焊縫跟蹤系統(tǒng)的參數(shù)
l 跟蹤區(qū)的長(zhǎng)度;
l 工藝設(shè)備到跟蹤區(qū)入口的長(zhǎng)度;
l 焊縫離開跟蹤區(qū)入口的距離;
l 程序的掃描周期;
l 一個(gè)掃描周期內(nèi)焊縫移動(dòng)的距離。
(3) 焊縫跟蹤系統(tǒng)的分區(qū)
l 跟蹤區(qū)的劃分:一般以焊縫檢測(cè)器為劃分點(diǎn);
l 跟蹤段的劃分:一般以跟蹤區(qū)內(nèi)的設(shè)備為劃分點(diǎn)。

3.2 焊縫跟蹤的原理
冷軋連續(xù)生產(chǎn)線上，當(dāng)焊機(jī)將前行帶鋼和后行帶鋼焊接起來后，就形成了焊縫，機(jī)組運(yùn)行起來，焊縫跟蹤就開始了。
為了保證焊縫跟蹤的準(zhǔn)確性,生產(chǎn)線上必須裝配有焊縫檢測(cè)器(WPD)，一般來說它們安裝在每個(gè)工藝段之間，當(dāng)WPD檢測(cè)到焊縫時(shí)，就表明當(dāng)前有焊縫達(dá)到WPD檢測(cè)器的位置。

要得到更為詳細(xì)的跟蹤信息，采用計(jì)算焊縫移動(dòng)距離的辦法來測(cè)量焊縫的位置，這樣就引入脈沖發(fā)生器(PLG)來測(cè)量移動(dòng)距離，一般焊縫跟蹤控制系統(tǒng)采用不易打滑的S輥(Bridle Roll)上的脈沖發(fā)生器，其計(jì)算公式如下:
Dis=Σ(N*π*D/P) (1)
式中: N: 一個(gè)掃描周期PLG檢測(cè)S輥轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖數(shù);
D: S輥輥徑;
P: S輥轉(zhuǎn)動(dòng)一周所產(chǎn)生的脈沖數(shù);
N*π*D/P: 為一個(gè)掃描周期焊縫移動(dòng)距離;
Dis: 焊縫移動(dòng)距離。

通常脈沖測(cè)量精度一般在±0.1%到±1%之間，這些誤差的產(chǎn)生由于S輥和帶鋼之間會(huì)存在微小的滑動(dòng)。為了提高焊縫跟蹤的精度，焊縫檢測(cè)器(WPD)主要用來校正由PLG測(cè)量焊縫位置而造成的誤差等。

為了實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤以及提高畫面的動(dòng)態(tài)性，機(jī)組從焊機(jī)到出口飛剪的區(qū)域被劃分為若干個(gè)跟蹤區(qū)，每個(gè)跟蹤區(qū)又將根據(jù)不同的控制點(diǎn)再次分成若干個(gè)跟蹤段。從跟蹤區(qū)的控制特性來說，依據(jù)工藝和控制的需求，跟蹤區(qū)以工藝段來劃分，對(duì)于跟蹤精度要求很高的工藝設(shè)備，可以將此工藝段劃分為多個(gè)跟蹤區(qū)，實(shí)際控制中，往往以相鄰兩個(gè)焊縫檢測(cè)器來劃分跟蹤區(qū)，以保證焊縫在到達(dá)每個(gè)跟蹤區(qū)的入口和出口時(shí)都能進(jìn)行誤差校正;從跟蹤區(qū)的物理特性來說，跟蹤區(qū)可分為固定長(zhǎng)度跟蹤區(qū)和可變長(zhǎng)度跟蹤區(qū)，如入口段的區(qū)域?yàn)楣潭ㄩL(zhǎng)度跟蹤區(qū)，活套段的區(qū)域?yàn)榭勺冮L(zhǎng)度跟蹤區(qū)。

跟蹤段在跟蹤區(qū)的基礎(chǔ)上由控制點(diǎn)來劃分，跟蹤段是最后生成映像位圖的基礎(chǔ)，它要求任何一個(gè)跟蹤段的長(zhǎng)度都不能大于機(jī)組的最小生產(chǎn)帶鋼長(zhǎng)度，否則，就會(huì)造成某個(gè)映像區(qū)出現(xiàn)一個(gè)以上的焊縫，引起控制和顯示的混亂。生成映像位圖的計(jì)算公式如下:
ΔDis=L×Dis (2)
L: 為某個(gè)跟蹤段的出口到跟蹤區(qū)入口的長(zhǎng)度
Dis: 為焊縫離開跟蹤區(qū)入口的距離(見式1)
當(dāng)ΔDis=0時(shí)，則焊縫到達(dá)其下一個(gè)跟蹤段

根據(jù)映像位圖，對(duì)每一個(gè)跟蹤的帶鋼賦予顏色代碼，如果約定顏色代碼有四種，分別為綠:1、紫:2、藍(lán):3、紅:4，則在畫面上的顯示如圖2所示。

4 焊縫跟蹤的實(shí)現(xiàn)
4.1 PLG的選用

焊縫跟蹤系統(tǒng)為每個(gè)跟蹤區(qū)分配獨(dú)立的跟蹤計(jì)數(shù)器，用于累計(jì)焊縫的當(dāng)前位置，每個(gè)跟蹤計(jì)數(shù)器使用本區(qū)內(nèi)的某個(gè)主令S輥上的脈沖發(fā)生器(PLG)進(jìn)行計(jì)算，在不影響跟蹤精度的情況下，相鄰的短跟蹤區(qū)也可共用一個(gè)PLG。


4.2 跟蹤計(jì)數(shù)器

焊縫跟蹤一個(gè)重要的計(jì)算就是焊縫移動(dòng)的距離，跟蹤計(jì)數(shù)器對(duì)每一個(gè)掃描周期焊縫的移動(dòng)量進(jìn)行累計(jì)，就得到焊縫移動(dòng)的距離。由于跟蹤區(qū)可能出現(xiàn)多個(gè)焊縫，為了讓每個(gè)焊縫都得到精確地跟蹤，在一個(gè)跟蹤區(qū)內(nèi)必須分配與該區(qū)最多能出現(xiàn)的焊縫個(gè)數(shù)相同的跟蹤計(jì)數(shù)器。跟蹤計(jì)數(shù)器的計(jì)算公式見式1。

由于焊縫移動(dòng)的距離通過PLG的間接測(cè)量來計(jì)算，當(dāng)WPD檢測(cè)到焊縫到達(dá)WPD安裝位置，即跟蹤區(qū)出口時(shí)，ΔDis的值可能并不為零，此時(shí)的ΔDis就是由累計(jì)和滑動(dòng)等因素的影響而產(chǎn)生的誤差，為了消除這種情況，必須用WPD對(duì)跟蹤計(jì)數(shù)器進(jìn)行校準(zhǔn)，當(dāng)WPD檢測(cè)到焊縫信號(hào)后，此跟蹤區(qū)的跟蹤計(jì)數(shù)器被校正清零，同時(shí)下一個(gè)跟蹤區(qū)的計(jì)數(shù)器從零開始計(jì)數(shù)。如果某一跟蹤區(qū)內(nèi)有多個(gè)焊縫，則此區(qū)的跟蹤計(jì)數(shù)器與區(qū)內(nèi)每一個(gè)焊縫按其產(chǎn)生的順序一一對(duì)應(yīng)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)產(chǎn)生的焊縫離開此跟蹤區(qū)時(shí)，第一個(gè)計(jì)數(shù)器被校正清零，第二個(gè)計(jì)數(shù)器將計(jì)數(shù)工作移交到第一個(gè)計(jì)數(shù)器繼續(xù)執(zhí)行，依次類推，下面的計(jì)數(shù)器均將工作移交到前一個(gè)計(jì)數(shù)器。

4.3 跟蹤校準(zhǔn)激活區(qū)

在生產(chǎn)的過程中還可能會(huì)出現(xiàn)各種異常現(xiàn)象，如帶鋼跑偏或有沙眼等，WPD就會(huì)產(chǎn)生誤檢測(cè)信號(hào)，WPD還必須設(shè)置校準(zhǔn)激活區(qū)。只有在校準(zhǔn)激活區(qū)內(nèi)被WPD檢測(cè)到的焊縫，即ΔDis的值在校準(zhǔn)激活區(qū)的范圍內(nèi)，才被認(rèn)為是有效焊縫，否則被視為誤檢測(cè)信號(hào)，不予以校準(zhǔn)，校準(zhǔn)激活區(qū)寬度一般為此跟蹤區(qū)長(zhǎng)度的2%，

雖然WPD的校準(zhǔn)是非常準(zhǔn)確有效的，但這是建立在跟蹤控制點(diǎn)到跟蹤區(qū)入口的距離準(zhǔn)確的前提下，作為跟蹤計(jì)算中的一個(gè)重要參數(shù)，跟蹤控制點(diǎn)到跟蹤區(qū)入口的距離如果不準(zhǔn)確，就可能出現(xiàn)真正的焊縫在校準(zhǔn)激活區(qū)外被WPD檢測(cè)到的情況，從而被作為誤信號(hào)不予以校準(zhǔn)，造成累計(jì)誤差。

4.4 跟蹤自適應(yīng)控制

跟蹤段到跟蹤區(qū)入口的距離一般通過機(jī)械測(cè)量，但實(shí)際上，機(jī)械測(cè)量也會(huì)有一定的誤差;另一方面，含有爐子的跟蹤區(qū)，從理論上講它是固定長(zhǎng)度的跟蹤區(qū)，但當(dāng)爐溫升高或降低時(shí)，也會(huì)影響爐內(nèi)設(shè)備的物理特性，從而影響到各跟蹤段到跟蹤區(qū)入口的距離，導(dǎo)致真實(shí)的焊縫可能在校準(zhǔn)激活區(qū)外被檢測(cè)。由于跟蹤段到跟蹤區(qū)入口的距離實(shí)時(shí)發(fā)生變化，可將此跟蹤區(qū)視為可變長(zhǎng)度的跟蹤區(qū)來控制，但與活套這類可變長(zhǎng)度的跟蹤區(qū)不同的是，活套跟蹤區(qū)的變化量可以通過活套小車的移動(dòng)來進(jìn)行計(jì)算，但爐子跟蹤區(qū)的變化量卻是不可計(jì)算的。這樣參數(shù)L和Dis均為動(dòng)態(tài)變化量，由此引入了自適應(yīng)控制的思想，讓兩個(gè)變量不斷地適應(yīng)對(duì)方的變化，來減少因各種外界因素引起的不確定跟蹤誤差，從而達(dá)到一種動(dòng)態(tài)的平衡，使Δdis趨向于零。

把PLC計(jì)算的焊縫距離作為一個(gè)給定值，式2中的ΔDis是PLG計(jì)算的焊縫距離與跟蹤段到跟蹤區(qū)入口的距離的差值，L為該蹤區(qū)的長(zhǎng)度，當(dāng)焊縫A被WPD1檢測(cè)到時(shí)，記下此時(shí)的ΔDis1值，當(dāng)下一個(gè)焊縫B經(jīng)過時(shí)，記下此時(shí)的ΔDis2值，比較ΔDis1與ΔDis2的值，以零為基準(zhǔn)，如果均朝同一個(gè)方向偏差，且ΔDis2的值在校準(zhǔn)激活區(qū)外，將ΔDis2×K補(bǔ)償?shù)礁檯^(qū)的長(zhǎng)度上，下一次焊縫來的時(shí)候，此時(shí):
跟蹤區(qū)的長(zhǎng)度=L+ΔDis2×K
K為補(bǔ)償系數(shù)，一般為20%左右，系數(shù)K可依據(jù)跟蹤區(qū)的長(zhǎng)度適當(dāng)調(diào)整，如是其他情況則此次不予以補(bǔ)償。經(jīng)過多次補(bǔ)償，焊縫被WPD檢出時(shí)，此時(shí)PLG計(jì)算的焊縫距離與跟蹤區(qū)的長(zhǎng)度的差值ΔDis縮小在校準(zhǔn)激活區(qū)內(nèi)，焊縫被正確有效地檢測(cè)出。

當(dāng)焊縫被在校準(zhǔn)激活區(qū)外檢測(cè)出時(shí)，變量L不斷地適應(yīng)變量Dis的變化，通過多次補(bǔ)償適應(yīng);當(dāng)焊縫在校準(zhǔn)激活區(qū)內(nèi)檢測(cè)出時(shí)，則是變量Dis不斷地適應(yīng)變量L的變化，通過WPD檢出校零適應(yīng)。
5 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)講述了冷軋連續(xù)生產(chǎn)線焊縫跟蹤控制的基本原理和自適應(yīng)控制在跟蹤控制中的實(shí)現(xiàn),該方法在寶鋼的1550、2030連續(xù)退火機(jī)組的應(yīng)用中取得了滿意的效果。在基礎(chǔ)自動(dòng)化控制領(lǐng)域存在很多不同公司的硬件控制系統(tǒng)和開發(fā)體系，跟蹤控制系統(tǒng)的基本原理相同，但跟蹤系統(tǒng)的發(fā)展主要在實(shí)現(xiàn)方法方面，不斷改進(jìn)和完善能極大地提高跟蹤精度和跟蹤的可靠性。