热连轧飞剪自动化控制仿真实践教学平台开发

孙友昭，杨 荃

（北京科技大学 工程技术研究院，北京 100083）

实践教学是提高学生实践能力与综合素质的重要环节，是培养学生工程实践能力与创新精神的有效途径。自动化相关专业具有学科交叉性强、内容丰富、实践性强等特点，实践教学可以促进学生对学科知识的理解，提升工程实践与创新能力[1-2]，但传统自动化实践教学中存在实践场景与生产实际差别较大、教学设备不足、实践机会有限等问题，影响了实践教学的效率和质量[3]。

为解决自动化相关专业实践教学中遇到的问题，本文根据实践教学要求，依据热连轧飞剪设备及其自动化控制原理，采用3DS Max与Unity3D建立三维虚拟生产场景，模拟生产设备运动与仪表检测信号，使用 ForceControl组态软件与西门子 SIMATIC S7-200 SMART建立自动化控制系统，并建立虚拟场景与PLC、PLC与HMI之间的数据通信，从而建立飞剪自动化控制仿真实践教学平台，该平台能够实现控制逻辑设计、HMI与PLC程序开发、实践拓展等实践教学功能。

1 热连轧飞剪介绍

轧件经过粗轧后，在头部、尾部形成不规则形状，需要使用飞剪将其切除，以便于后续精轧的顺利进行，并保证热轧产品质量。飞剪为转鼓式，其设备本体由传动装置、机架本体、剪切机构等组成。在剪切时要保证剪切精度，剪切长度过大会导致成材率降低，剪切长度过小会导致不规则形状的残留。另外，为了保证剪切断面质量与保护飞剪设备，在剪切时应当使剪刃速度同步于或略超前于轧件速度[4]，这对飞剪自动化控制提出较高要求。下面以头部剪切为例介绍其控制原理。

在图1中，L1为切头长度，L0为热金属检测仪至飞剪中心线的距离，ΔL为从飞剪启动到剪刃接触轧件表面（β）期间轧件行走的距离，Lc为从飞剪剪刃接触轧件表面（β）到剪切结束（0°）期间轧件行走的距离，β为剪刃从接触轧件表面到剪切完成（0°）旋转的角度。CCD成像仪用于检测轧件头部、尾部的不规则形状并计算剪切长度L1，激光测速仪或辊式测速仪检测轧件运动速度Vs，热金属检测仪HMD用于检测在其安装位置是否有轧件。在进入头部控制前，切头剪刃处于270°的初始等待位置。当HMD检测到轧件后，进入头部剪切控制状态，剪刃旋转至220°的等待启动位置，同时立即启动轧件跟踪程序，通过对轧件速度Vs的积分累加跟踪轧件通过HMD的长度Lact。当Lact≥L时，飞剪剪刃立即从等待启动位置匀加速至或略快于轧件运动速度，然后剪刃匀速运动至接触轧件表面并完成剪切（0°）。剪切完成后，飞剪逐步减速制动并返回初始等待位置（270°）。

图1 飞剪剪切原理示意图

根据上述头部剪切控制逻辑可知，为了保证剪切精度，需要精确计算并跟踪从轧件到达HMD到飞剪启动的轧件移动长度L。依据剪切原理与设备布置，L可由式（1）计算[5]。

式中，D为飞剪转鼓直径，k为剪切时剪刃线速度相对于轧件速度的超前系数，Bα为剪刃加速度。L1、Vs分别由CCD成像仪与测速仪检测得知；L0、D、β、k取固定值，取值范围见表1。

表1 参数取值范围

2 平台内容建设

热连轧飞剪自动化控制仿真实践教学平台的开发包含仿真平台搭建与实践教学内容制作。

2.1 仿真平台

为了使实践教学情景与生产现场贴近，在搭建仿真平台时，使用三维虚拟仿真技术模拟生产现场环境与设备执行动作，以及与飞剪剪切控制相关的仪表检测信号；同时，使用组态软件、PLC搭建与现场自动化控制相近的工业控制系统，从而建立用于自动化控制实践教学的仿真平台。

1）三维虚拟生产场景。

在三维虚拟生产场景的制作过程中，首先依据设备二维CAD图纸与现场照片，使用3DS Max建立三维模型，形成静态生产场景[6]；然后，将模型导入Unity3D中，通过编写C#脚本模拟动态生产情景，并依据轧件位置实时仿真传感器信号[7-8]。

在三维模型开发中，先创建设备部件模型，再根据装配关系组装成各设备三维模型，最后依据产线设备空间布置搭建完整三维虚拟场景。为了使三维场景与生产现场贴近，依据现场照片制作外观材质，用于表达设备外观细节。场景中包含飞剪本体与传动装置、机前辊道、对中装置、废料收集、精除鳞、精轧立辊与 1#精轧机等设备模型。在动态场景开发时，根据来自 PLC的设备实时控制信号，使三维模型模拟生产动作。同时，当轧件运动到检测仪表位置时，将仪表仿真信号发送给PLC，包含剪切长度、轧件速度、HMD等信号。热连轧飞剪三维虚拟生产场景如图 2所示，剪切过程中，场景视角跟随轧件位置变化并在画面左上角添加飞剪放大视角，使表达内容更加清晰、丰富。

图2 热连轧飞剪三维虚拟生产场景

2）可编程逻辑控制器（PLC）。

PLC运行原理及其应用是自动化相关专业的核心专业课程，其实践教学是课程的重要教学环节。对PLC运行原理的认识与实践是该平台的重要教学内容。该平台选用西门子公司SIMATIC S7-200 SMART系列产品作为PLC控制器与信号模板，所用模块见表2。

表2 PLC控制器与信号模板

S7-200 SMART PLC使用 STEP 7-Micro/WIN SMART作为开发软件，支持梯形图、语句表、功能块图等编程语言。在进行控制程序开发时，首先根据所选硬件模块进行硬件与通信组态，然后根据热连轧飞剪剪切控制原理，使用编程语言编写控制程序，编写完成后进行编译并下载至PLC控制器中[9]，如图3所示。

3）人机交互界面（HMI）。

人机交互是工业控制系统的重要组成部分，使用人员通过交互界面对系统进行监控与操作，通常使用组态软件开发。在该平台中，使用ForceControl作为HMI开发软件。在开发时，首先配置与PLC的通信方式，然后根据飞剪剪切过程所需监控信号，添加通信变量并配置其在PLC中的地址，接着设计并制作监控界面、制作动画脚本等，最后对开发界面进行编译并运行[10]。HMI运行效果如图4所示，界面中包含运行参数、设备与仪表状态、轧件位置、关键数据实时曲线、交互按钮等内容。

图3 PLC控制器开发

图4 热连轧飞剪人机交互界面

4）数据通信。

在自动化控制中，各部分之间的数据通信是系统的重要组成部分。在热连轧飞剪自动化控制仿真平台中，采用不同通信方式实现三维虚拟生产场景与PLC、PLC与HMI之间的数据交换，如图5所示。

图5 仿真实践教学平台数据通信

三维虚拟生产场景用于模拟现场生产设备、检测仪表、轧件等现场情景。一方面需要根据轧件实时位置，将检测仪表的仿真信号发送给PLC，例如，当轧件头部运动至HMD检测位置时，需要向PLC发送高电平信号，表示该位置有轧件；另一方面需要从PLC接收信号，并根据该信号模拟相应设备部件的运动，例如，在剪切过程中飞剪剪刃的旋转。三维虚拟生产场景与PLC通过信号转换装置实现通信，将来自生产场景计算机或 PLC的信号转换成对应形式再转发给对方。该装置通过RS232与生产场景计算机连接，采用Modbus协议进行通信，并通过信号线与PLC的信号端口直接连接[11]。HMI用于对飞剪剪切过程进行监控与操作，其监控信号、操作指令通过PLC采集与执行。HMI计算机与PLC通过网线经交换机连接，采用TCP/IP协议进行通信。

为了方便该实践教学平台的管理与维护，将PLC、信号转换装置、交换机等组件进行封装，统一安装在金属箱体中。该仿真实践教学平台如图6所示。

图6 热连轧飞剪自动化控制仿真实践教学平台

2.2 实践教学内容

在热连轧飞剪自动化控制仿真实践教学中，以上述仿真平台为基础，可以开展自动化控制设计、认识实践、HMI与PLC开发实践、实践拓展等内容教学[12-14]。

在自动化控制设计中，使用视频、Flash、图片等多媒体对热连轧飞剪设备、控制原理、检测仪表等进行详细介绍，用于启发学生自主设计控制系统。在认识实践中，通过热连轧飞剪自动化控制演示程序使学生了解平台的软硬件组成，认识PLC与HMI的运行原理与应用。在PLC与HMI开发实践中，学生使用组态软件与PLC开发软件完成热连轧飞剪的自动化控制，根据不同专业的掌握程度要求，可以采用填空、完全开发等不同难度的实践任务。在实践拓展中，学生可以自主设计并开发尾部剪切自动化控制。热连轧飞剪自动化控制仿真实践教学内容示例如图7所示。

图7 热连轧飞剪自动化控制仿真实践教学内容示例

3 结语

热连轧飞剪自动化控制仿真实践教学平台以生产现场飞剪控制系统及其原理为依据，通过三维虚拟生产场景、HMI、PLC及数据通信建立自动化控制仿真平台，可以开展自动化控制设计、认识实践、HMI与PLC开发实践、实践拓展等实践教学。该平台在实践教学中的应用，提高了学生对实践教学的兴趣、积极性与参与度，可以明显提升实践教学效果。