连续机组的物流跟踪
1 引言
当今企业正处于一个INTERNET和电子商务飞速发展时代，企业面临经营理念和经营方式的根本性变革，钢铁企业整体产销管理系统应运而生。过去的系统，管理和生产的分离，不能满足整体产销管理的需求，随着生产的信息化管理，物流跟踪作为生产过程控制与基础自动化控制依存的纽带，其地位日益凸显，其功能也要求越来越强。物流跟踪控制经历不断地改进，它丰富了人机界面，使其更为人性化，提高了跟踪精度，使现场状态信息反馈更为及时准确。
2 功能概述
在冷轧连续生产机组中，物流跟踪是整个控制系统的一个很基础也很重要的功能，物流跟踪要准确地追踪每一个钢卷从生产线入口到出口的位置，以及要精确地跟踪钢卷开卷后带钢焊接的每一个焊缝在机组的位置。
2.1 物流跟踪系统的主要功能
(1) 焊缝跟踪
l 生成焊缝映像位图;
l 计算焊缝与控制设备的距离;
l 跟踪故障报警。
(2) 材料跟踪
l 产生与基础自动化跟踪同步的钢卷映像位图;
l 入口步进梁、鞍座的钢卷跟踪;
l 出口步进梁、鞍座的钢卷跟踪;
l 跟踪故障报警。
一般来说，焊缝跟踪是以焊机焊接后产生的焊缝为跟踪目标进行精确的位置跟踪，它的跟踪区域从入口焊机到出口飞剪。例如某带钢的头部当前离开焊机的精确距离、或到达圆盘剪的精确距离等，它对精度的要求很高，由于焊缝的检测信息来源于现场传感器的中断信号，要求响应时间快，现在许多厂家将此功能转向基础自动化控制(一般也称为Level1,简称L1)中来实现。
对于材料跟踪，它以每一个钢卷为跟踪目标进行全线的跟踪，它的跟踪区域从生产机组的入口步进梁到机组的出口步进梁。它需要将每一个被跟踪的焊缝与钢卷数据一一对应起来，该功能的实现是建立在准确的焊缝跟踪基础之上，不少厂家仍将此功能保留在过程控制(一般也称为Level2,简称L2)上实现，如日本的一些公司:三菱、日立等。
2.2 物流跟踪系统的主要用途
(1) 焊缝跟踪
l 画面带钢运行的显示;
l 产生请求L2设定值的动作点;
l 产生切换L2设定值的动作点;
l 产生发送给L2生产实际值的动作点;
l 产生焊缝到达特殊工艺设备的动作点。
(2) 材料跟踪
l 画面入口、出口钢卷显示;
l 产生钢卷数据与焊缝一一对应的跟踪信息;
l 产生发送给L1预设定值的动作点;
l 产生接受L1生产实际值的动作点;
l 产生数学模型计算的动作点。
焊缝跟踪和材料跟踪的用途大体相同，主要是焊缝运行到各控制点时，起到触发其它生产任务执行的作用，同时协助画面显示正确的动态物流跟踪信息。对于跟踪所产生的每一个动作时刻点，一般依据各机组的生产工艺需求和各个厂家硬、软件的开发能力来确定。
2.3 物流跟踪系统的发展
传统控制系统中，物流跟踪由过程计算机来实现，受硬件和网络技术的影响，跟踪的信号均通过PIO(过程I/O)直接连到过程机上，跟踪的控制方法相对较简单，在扰动比较大的跟踪区域，如炉内、活套等，容易产生较大的跟踪误差，进而使跟踪精度降低，画面上的带钢跟踪也比较粗略。
现在跟踪控制系统，焊缝检测信号全部转向基础自动化的PLC系统，焊缝跟踪功能也由基础自动化控制实现，强大的PLC运算功能将跟踪做得非常详细精确，保证了跟踪的精度和跟踪的可靠性，画面效果也更加逼真。
3 焊缝跟踪系统的控制原理
3.1 焊缝跟踪的基本要素
(1) 焊缝跟踪系统的硬件设备
l 焊缝检测器:检测生产线上的焊缝，起到校正的作用，通常安装在纠偏辊的后面;
l 脉冲发生器:测量一个扫描周期内焊缝移动的距离。通常安装在不易打滑的S辊(Bridle Roll)上;
l 焊机:产生焊缝，形成焊缝跟踪系统的跟踪对象。
(2) 焊缝跟踪系统的参数
l 跟踪区的长度;
l 工艺设备到跟踪区入口的长度;
l 焊缝离开跟踪区入口的距离;
l 程序的扫描周期;
l 一个扫描周期内焊缝移动的距离。
(3) 焊缝跟踪系统的分区
l 跟踪区的划分:一般以焊缝检测器为划分点;
l 跟踪段的划分:一般以跟踪区内的设备为划分点。
3.2 焊缝跟踪的原理
冷轧连续生产线上，当焊机将前行带钢和后行带钢焊接起来后，就形成了焊缝，机组运行起来，焊缝跟踪就开始了。
为了保证焊缝跟踪的准确性,生产线上必须装配有焊缝检测器(WPD)，一般来说它们安装在每个工艺段之间，当WPD检测到焊缝时，就表明当前有焊缝达到WPD检测器的位置。
要得到更为详细的跟踪信息，采用计算焊缝移动距离的办法来测量焊缝的位置，这样就引入脉冲发生器(PLG)来测量移动距离，一般焊缝跟踪控制系统采用不易打滑的S辊(Bridle Roll)上的脉冲发生器，其计算公式如下:
Dis=Σ(N*π*D/P) (1)
式中: N: 一个扫描周期PLG检测S辊转动的脉冲数;
D: S辊辊径;
P: S辊转动一周所产生的脉冲数;
N*π*D/P: 为一个扫描周期焊缝移动距离;
Dis: 焊缝移动距离。
通常脉冲测量精度一般在±0.1%到±1%之间，这些误差的产生由于S辊和带钢之间会存在微小的滑动。为了提高焊缝跟踪的精度，焊缝检测器(WPD)主要用来校正由PLG测量焊缝位置而造成的误差等。
为了实现焊缝跟踪以及提高画面的动态性，机组从焊机到出口飞剪的区域被划分为若干个跟踪区，每个跟踪区又将根据不同的控制点再次分成若干个跟踪段。从跟踪区的控制特性来说，依据工艺和控制的需求，跟踪区以工艺段来划分，对于跟踪精度要求很高的工艺设备，可以将此工艺段划分为多个跟踪区，实际控制中，往往以相邻两个焊缝检测器来划分跟踪区，以保证焊缝在到达每个跟踪区的入口和出口时都能进行误差校正;从跟踪区的物理特性来说，跟踪区可分为固定长度跟踪区和可变长度跟踪区，如入口段的区域为固定长度跟踪区，活套段的区域为可变长度跟踪区。
跟踪段在跟踪区的基础上由控制点来划分，跟踪段是最后生成映像位图的基础，它要求任何一个跟踪段的长度都不能大于机组的最小生产带钢长度，否则，就会造成某个映像区出现一个以上的焊缝，引起控制和显示的混乱。生成映像位图的计算公式如下:
ΔDis=L×Dis (2)
L: 为某个跟踪段的出口到跟踪区入口的长度
Dis: 为焊缝离开跟踪区入口的距离(见式1)
当ΔDis=0时，则焊缝到达其下一个跟踪段
根据映像位图，对每一个跟踪的带钢赋予颜色代码，如果约定颜色代码有四种，分别为绿:1、紫:2、蓝:3、红:4，则在画面上的显示如图2所示。
4 焊缝跟踪的实现
4.1 PLG的选用
焊缝跟踪系统为每个跟踪区分配独立的跟踪计数器，用于累计焊缝的当前位置，每个跟踪计数器使用本区内的某个主令S辊上的脉冲发生器(PLG)进行计算，在不影响跟踪精度的情况下，相邻的短跟踪区也可共用一个PLG。
4.2 跟踪计数器
焊缝跟踪一个重要的计算就是焊缝移动的距离，跟踪计数器对每一个扫描周期焊缝的移动量进行累计，就得到焊缝移动的距离。由于跟踪区可能出现多个焊缝，为了让每个焊缝都得到精确地跟踪，在一个跟踪区内必须分配与该区最多能出现的焊缝个数相同的跟踪计数器。跟踪计数器的计算公式见式1。
由于焊缝移动的距离通过PLG的间接测量来计算，当WPD检测到焊缝到达WPD安装位置，即跟踪区出口时，ΔDis的值可能并不为零，此时的ΔDis就是由累计和滑动等因素的影响而产生的误差，为了消除这种情况，必须用WPD对跟踪计数器进行校准，当WPD检测到焊缝信号后，此跟踪区的跟踪计数器被校正清零，同时下一个跟踪区的计数器从零开始计数。如果某一跟踪区内有多个焊缝，则此区的跟踪计数器与区内每一个焊缝按其产生的顺序一一对应，当第一个产生的焊缝离开此跟踪区时，第一个计数器被校正清零，第二个计数器将计数工作移交到第一个计数器继续执行，依次类推，下面的计数器均将工作移交到前一个计数器。
4.3 跟踪校准激活区
在生产的过程中还可能会出现各种异常现象，如带钢跑偏或有沙眼等，WPD就会产生误检测信号，WPD还必须设置校准激活区。只有在校准激活区内被WPD检测到的焊缝，即ΔDis的值在校准激活区的范围内，才被认为是有效焊缝，否则被视为误检测信号，不予以校准，校准激活区宽度一般为此跟踪区长度的2%，
虽然WPD的校准是非常准确有效的，但这是建立在跟踪控制点到跟踪区入口的距离准确的前提下，作为跟踪计算中的一个重要参数，跟踪控制点到跟踪区入口的距离如果不准确，就可能出现真正的焊缝在校准激活区外被WPD检测到的情况，从而被作为误信号不予以校准，造成累计误差。
4.4 跟踪自适应控制
跟踪段到跟踪区入口的距离一般通过机械测量，但实际上，机械测量也会有一定的误差;另一方面，含有炉子的跟踪区，从理论上讲它是固定长度的跟踪区，但当炉温升高或降低时，也会影响炉内设备的物理特性，从而影响到各跟踪段到跟踪区入口的距离，导致真实的焊缝可能在校准激活区外被检测。由于跟踪段到跟踪区入口的距离实时发生变化，可将此跟踪区视为可变长度的跟踪区来控制，但与活套这类可变长度的跟踪区不同的是，活套跟踪区的变化量可以通过活套小车的移动来进行计算，但炉子跟踪区的变化量却是不可计算的。这样参数L和Dis均为动态变化量，由此引入了自适应控制的思想，让两个变量不断地适应对方的变化，来减少因各种外界因素引起的不确定跟踪误差，从而达到一种动态的平衡，使Δdis趋向于零。
把PLC计算的焊缝距离作为一个给定值，式2中的ΔDis是PLG计算的焊缝距离与跟踪段到跟踪区入口的距离的差值，L为该踪区的长度，当焊缝A被WPD1检测到时，记下此时的ΔDis1值，当下一个焊缝B经过时，记下此时的ΔDis2值，比较ΔDis1与ΔDis2的值，以零为基准，如果均朝同一个方向偏差，且ΔDis2的值在校准激活区外，将ΔDis2×K补偿到跟踪区的长度上，下一次焊缝来的时候，此时:
跟踪区的长度=L+ΔDis2×K
K为补偿系数，一般为20%左右，系数K可依据跟踪区的长度适当调整，如是其他情况则此次不予以补偿。经过多次补偿，焊缝被WPD检出时，此时PLG计算的焊缝距离与跟踪区的长度的差值ΔDis缩小在校准激活区内，焊缝被正确有效地检测出。
当焊缝被在校准激活区外检测出时，变量L不断地适应变量Dis的变化，通过多次补偿适应;当焊缝在校准激活区内检测出时，则是变量Dis不断地适应变量L的变化，通过WPD检出校零适应。
5 结束语
本文详细讲述了冷轧连续生产线焊缝跟踪控制的基本原理和自适应控制在跟踪控制中的实现,该方法在宝钢的1550、2030连续退火机组的应用中取得了满意的效果。在基础自动化控制领域存在很多不同公司的硬件控制系统和开发体系，跟踪控制系统的基本原理相同，但跟踪系统的发展主要在实现方法方面，不断改进和完善能极大地提高跟踪精度和跟踪的可靠性。