1 引言

當(dāng)今企業(yè)正處于一個INTERNET和電子商務(wù)飛速發(fā)展時代，企業(yè)面臨經(jīng)營理念和經(jīng)營方式的根本性變革，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)場狀態(tài)信息反饋更為及時準(zhǔn)確。

2 功能概述

在冷軋連續(xù)生產(chǎn)機(jī)組中，物流跟蹤是整個控制系統(tǒng)的一個很基礎(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 計算焊縫與控制設(shè)備的距離;
l 跟蹤故障報警。
(2) 材料跟蹤
l 產(chǎn)生與基礎(chǔ)自動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，它對精度的要求很高，由于焊縫的檢測信息來源于現(xiàn)場傳感器的中斷信號，要求響應(yīng)時間快，現(xiàn)在許多廠家將此功能轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)自動化控制(一般也稱為Level1,簡稱L1)中來實現(xiàn)。
對于材料跟蹤，它以每一個鋼卷為跟蹤目標(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。它需要將每一個被跟蹤的焊縫與鋼卷數(shù)據(jù)一一對應(yīng)起來，該功能的實現(xiàn)是建立在準(zhǔn)確的焊縫跟蹤基礎(chǔ)之上，不少廠家仍將此功能保留在過程控制(一般也稱為Level2,簡稱L2)上實現(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)生請求L2設(shè)定值的動作點;
l 產(chǎn)生切換L2設(shè)定值的動作點;
l 產(chǎn)生發(fā)送給L2生產(chǎn)實際值的動作點;
l 產(chǎn)生焊縫到達(dá)特殊工藝設(shè)備的動作點。
(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)與焊縫一一對應(yīng)的跟蹤信息;
l 產(chǎn)生發(fā)送給L1預(yù)設(shè)定值的動作點;
l 產(chǎn)生接受L1生產(chǎn)實際值的動作點;
l 產(chǎn)生數(shù)學(xué)模型計算的動作點。
焊縫跟蹤和材料跟蹤的用途大體相同，主要是焊縫運(yùn)行到各控制點時，起到觸發(fā)其它生產(chǎn)任務(wù)執(zhí)行的作用，同時協(xié)助畫面顯示正確的動態(tài)物流跟蹤信息。對于跟蹤所產(chǎn)生的每一個動作時刻點，一般依據(jù)各機(jī)組的生產(chǎn)工藝需求和各個廠家硬、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，物流跟蹤由過程計算機(jī)來實現(xiàn)，受硬件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的影響，跟蹤的信號均通過PIO(過程I/O)直接連到過程機(jī)上，跟蹤的控制方法相對較簡單，在擾動比較大的跟蹤區(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)，焊縫檢測信號全部轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)自動化的PLC系統(tǒng)，焊縫跟蹤功能也由基礎(chǔ)自動化控制實現(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 焊縫檢測器:檢測生產(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:測量一個掃描周期內(nèi)焊縫移動的距離。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)的跟蹤對象。
(2) 焊縫跟蹤系統(tǒng)的參數(shù)
l 跟蹤區(qū)的長度;
l 工藝設(shè)備到跟蹤區(qū)入口的長度;
l 焊縫離開跟蹤區(qū)入口的距離;
l 程序的掃描周期;
l 一個掃描周期內(nèi)焊縫移動的距離。
(3) 焊縫跟蹤系統(tǒng)的分區(qū)
l 跟蹤區(qū)的劃分:一般以焊縫檢測器為劃分點;
l 跟蹤段的劃分:一般以跟蹤區(qū)內(nèi)的設(shè)備為劃分點。

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器(WPD)，一般來說它們安裝在每個工藝段之間，當(dāng)WPD檢測到焊縫時，就表明當(dāng)前有焊縫達(dá)到WPD檢測器的位置。

要得到更為詳細(xì)的跟蹤信息，采用計算焊縫移動距離的辦法來測量焊縫的位置，這樣就引入脈沖發(fā)生器(PLG)來測量移動距離，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，其計算公式如下:
Dis=Σ(N*π*D/P) (1)
式中: N: 一個掃描周期PLG檢測S輥轉(zhuǎn)動的脈沖數(shù);
D: S輥輥徑;
P: S輥轉(zhuǎn)動一周所產(chǎn)生的脈沖數(shù);
N*π*D/P: 為一個掃描周期焊縫移動距離;
Dis: 焊縫移動距離。

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

為了實現(xiàn)焊縫跟蹤以及提高畫面的動態(tài)性，機(jī)組從焊機(jī)到出口飛剪的區(qū)域被劃分為若干個跟蹤區(qū)，每個跟蹤區(qū)又將根據(jù)不同的控制點再次分成若干個跟蹤段。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跟蹤區(qū)，實際控制中，往往以相鄰兩個焊縫檢測器來劃分跟蹤區(qū)，以保證焊縫在到達(dá)每個跟蹤區(qū)的入口和出口時都能進(jìn)行誤差校正;從跟蹤區(qū)的物理特性來說，跟蹤區(qū)可分為固定長度跟蹤區(qū)和可變長度跟蹤區(qū)，如入口段的區(qū)域為固定長度跟蹤區(qū)，活套段的區(qū)域為可變長度跟蹤區(qū)。

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

根據(jù)映像位圖，對每一個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 焊縫跟蹤的實現(xiàn)
4.1 PLG的選用

焊縫跟蹤系統(tǒng)為每個跟蹤區(qū)分配獨立的跟蹤計數(shù)器，用于累計焊縫的當(dāng)前位置，每個跟蹤計數(shù)器使用本區(qū)內(nèi)的某個主令S輥上的脈沖發(fā)生器(PLG)進(jìn)行計算，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PLG。


4.2 跟蹤計數(shù)器

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

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

4.3 跟蹤校準(zhǔn)激活區(qū)

在生產(chǎn)的過程中還可能會出現(xiàn)各種異?，F(xiàn)象，如帶鋼跑偏或有沙眼等，WPD就會產(chǎn)生誤檢測信號，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，否則被視為誤檢測信號，不予以校準(zhǔn)，校準(zhǔn)激活區(qū)寬度一般為此跟蹤區(qū)長度的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到跟蹤區(qū)入口的距離準(zhǔn)確的前提下，作為跟蹤計算中的一個重要參數(shù)，跟蹤控制點到跟蹤區(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檢測到的情況，從而被作為誤信號不予以校準(zhǔn)，造成累計誤差。

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)械測量，但實際上，機(jī)械測量也會有一定的誤差;另一方面，含有爐子的跟蹤區(qū)，從理論上講它是固定長度的跟蹤區(qū)，但當(dāng)爐溫升高或降低時，也會影響爐內(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)致真實的焊縫可能在校準(zhǔn)激活區(qū)外被檢測。由于跟蹤段到跟蹤區(qū)入口的距離實時發(fā)生變化，可將此跟蹤區(qū)視為可變長度的跟蹤區(qū)來控制，但與活套這類可變長度的跟蹤區(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來進(jìn)行計算，但爐子跟蹤區(qū)的變化量卻是不可計算的。這樣參數(shù)L和Dis均為動態(tài)變化量，由此引入了自適應(yīng)控制的思想，讓兩個變量不斷地適應(yīng)對方的變化，來減少因各種外界因素引起的不確定跟蹤誤差，從而達(dá)到一種動態(tài)的平衡，使Δdis趨向于零。

把PLC計算的焊縫距離作為一個給定值，式2中的ΔDis是PLG計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)的長度，當(dāng)焊縫A被WPD1檢測到時，記下此時的ΔDis1值，當(dāng)下一個焊縫B經(jīng)過時，記下此時的ΔDis2值，比較ΔDis1與ΔDis2的值，以零為基準(zhǔn)，如果均朝同一個方向偏差，且ΔDis2的值在校準(zhǔn)激活區(qū)外，將ΔDis2×K補(bǔ)償?shù)礁檯^(qū)的長度上，下一次焊縫來的時候，此時:
跟蹤區(qū)的長度=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，此時PLG計算的焊縫距離與跟蹤區(qū)的長度的差值ΔDis縮小在校準(zhǔn)激活區(qū)內(nèi)，焊縫被正確有效地檢測出。

當(dāng)焊縫被在校準(zhǔn)激活區(qū)外檢測出時，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)檢測出時，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

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。