基于RFID传感器网络的目标跟踪问题研究
裴峻清
摘 要：带头跟踪系统是用于冷轧机组的重要系统，其主要功能是在带钢穿带的时候实时跟踪带头的位置，确保相关自动步可以顺利的进行。但在实际的生产过程中，由于每种带钢有各自的厚度、宽度、材质等属性，在穿带过程中带钢的带头经过夹送辊后有时会发生带头上翘或下翘的情况，导致带钢不能正常平稳穿带，严重时会穿带到机械的夹缝中，造成大量的带头废料，同时会撞坏相关的机械设备，给用户造成较大经济损失。基于这种情况，我们优化了带头跟踪系统，使它及时的自动发现误穿带，停止相关设备，发出诊断报警来提示操作人员。进而给用户避免不必要的经济损失，同时提高了生产效率。
关键词：带头跟踪；速度控制；应用
1 概述
在一条现代化的连续带钢生产线的自动控制系统中，带头跟踪系统是冷轧机组入口段重要的组成部分。几乎所有的自动化带钢连续生产线，均需配备精确的带头跟踪系统用于控制产品的质量。在冷轧机组中，有些机组（例如热镀锌机组、连退机组）带钢来料很薄，一般在0.3毫米到2.0毫米之间。由于来料过薄，又有各种不同的材质。入口段虽然有矫直机来矫正带头、但是经过后面的夹送辊之后，带头依旧会发生上翘和下翘的情况，从而导致带头不能正常穿带。在无人监管的情况下，穿带自动步依旧进行，一旦上翘或下翘的带头误碰到相关设备，这时会导致大量的带钢堆积在相关设备处，严重影响生产，同时导致大量的废钢产生。等待操作人员发现堆钢现象，为时已晚。而要切除大量的废钢，费时费力，严重影响整条机组正常生产，造成不必要的经济损失。经与现场人员的讨论及分析，一致同意优化带头跟踪系统，一旦发生堆钢、误穿带或误碰撞相关设备时，系统自动发出诊断报警提示操作人员去处理带头，同时停止相关的穿带自动步。进一步起到减少误穿带事故的概率、减少大量产生堆钢的现象、防止带头发生误碰撞现象、提高生产效率和减少经济损失。
2 带头自动跟踪设计方案介绍
带钢带头跟踪系统是冷轧机组基础自动化控制系统的一个主要的、相对高级的功能。可以实现对在冷轧机组入口段跟踪区域内运行的所有带钢上的精确的位置跟踪。在一条现代化的连续带钢生产线上，一个优秀的带钢带头跟踪系统不仅仅可以极其精确地跟踪在机组中移动的带头位置，指挥机组设备的动作（如抬棍和压棍），提供整个机组的一个友善的人机界面。
2.1 采集传动速度
通过建立入口段主控PLC与传动之间Profibus网络，采集到了入口段的开卷机、夹送辊、转向辊和张力辊的速度。经过数据转换、单位换算成M/S.同时计算出每一个扫描周期内辊子所转动的距离。为今后计算出带钢带头所走的距离提供必要的数据。
2.2 采集入口段光栅信号
入口段的光栅信号在入口带头跟踪系统中起着重要的作用，既可以修正带头的实际位置又可以检测是否存在带钢。
2.3 分配入口各段距离
根据现场的实际情况，首先定义一个零点位置，一般来说选用入口剪刀为参考零点。依次测量出入口段各设备到入口剪的实际距离。同时我们采集了带头剪切信号、来自HMI和L2的剪切命令、手自动切换模式等重要信号。
2.4 带头跟踪系统
通过采集各类信号，经过巧妙逻辑组合。我们计算得出了入口带头实际所走的行程，通过与工控机的通讯，将跟踪的结果显示在HMI画面上。
3 带头自动跟踪及速度控制实现
3.1 编码器在带头跟踪的应用
编码器在机组运转期间，随着工作辊的转动，所绑定的编码器可以生成连续的脉冲信号。通过对脉冲进行连续的累积计数，可以描述带钢相对于工作辊的移动距离。通常，对于开卷机，带钢跟踪系统使用安装在速度辊上的编码器。对于安装在开卷机和转向辊上的脉冲生成器的脉冲测量精度（分辨率），其经验值分别为±0.1%和±1%。这些测量误差的产生是由于带钢在辊上出现的不期望的滑动。在带钢正向牵引辊上存在负滑动，反之，在带钢反向拖曳辊上存在正滑动。
为了实现精确的带钢带头跟踪，在机组入口段的重要位置处都安装有光栅探测器，用于执行必要的带头跟踪同步。带头跟踪同步可以修正编码器的累积误差和带钢在工作辊上所发生的滑动误差。
3.2 带钢步长计算
通过读取对应传动编码器的值，比较上一个扫描周期编码器的值与当前编码器的值，我们判断出带钢向前或向后。同時每0.5S读取一个所选传动的速度值，计算出0.5S内传动所走的距离，通过不断的累加传动所走的距离，即可得出带钢所走距离。我们将入口剪做为零点，入口剪到开卷机为负值，入口剪到焊机为正值。当开卷机开始开卷的时候，将带钢的位置初始化，对应的传动一动，即可得出带钢实际位置，每到一个光栅，实现一次实际位置校正。带钢跟踪系统将使用安装在开卷机或转向辊上的编码器来计算步长：
其中：StepLength：带钢步长；△：一个带头跟踪程序的循环周期内编码器反馈值的变化量Δ=New-Old
New：当前周期所获得的编码器的位置反馈值。Old：上一周期所获得的编码器的位置反馈值。Li： 脉冲长度。单位脉冲的长度。脉冲长度是脉冲发生器的特征值，其值必须连续的发送到带钢跟踪系统的CPU。
3.3 入口段的带头穿带速度控制
入口段有三个速度控制器，对于入口段的三个部份，即公共通道（从2号转向夹送辊到入口活套），上通道（从1号开卷机到2号转向夹送辊），下通道（从2号开卷机到2号转向夹送辊）。图1是入口段单通道带头穿带速度控制曲线。
上通道开始上卷、穿带。当带头穿到剪刀位置停止，开始带头剪切。在完成带头剪切后，启动带头到焊机的定位。并将带头停在焊机。
4 带头自动跟踪优化设计
4.1 带头跟踪优化方案
在实际的冷轧机组的生产中，由于种种原因造成带头误穿带的现象。我们优化了入口段穿带速度控制系统和带头跟踪系统。两者巧妙的优化结合，把误穿带的损失降到了最小程度。
带头跟踪距离误差计算：
△=S1-S2/S1%
△：带头实际位置误差值；S1：光栅修正带头位置；S2：带头跟踪系统计算值。
如果△值小于15%，那么我们一般认为是正常现象。入口段穿带自动步正常运行。
如果△值大于等于15%，那么我们一般认为是异常现象，极其有可能是带头与设备碰撞或穿入到机械缝隙中等异常现象，造成了生产安全隐患。这时我们向入口穿带自动步发出一个制动停止命令，进而避免损失过大。与此同时通过HMI画面发出诊断报警，提醒操作人员人工检查带头是否异常。从而实现了自动检测误穿带的功能。
4.2 带头跟踪制动距离的计算
带钢从移动到停止，必须估算实际行程（制动距离）。这个制动距离取决于目前运行的实际速度、最大制动减速度以及在发出制动命令时系统所处的状态：加速、减速、恒速。
在定位开始时，首选产生一个检查，检查定位设定是否大于最小的制动距离。如果是就发出一个“快停”操作命令。
下面介绍在各种不同情况下的带头跟踪制动距离计算：
5 结束语
在没有优化带头跟踪之前，穿带在无人监管的情况下，一旦发生误穿带，会导致大量的堆钢，产生大量的带头废料，人工处理误穿带费时费力，同时会有损坏相关设备的可能性。
当优化带头跟踪系统后，带头跟踪值远远大于实际值后（15%），相关的穿带自动步停止，给操作工报警提示，人工干预穿带。排除了安全隐患，保护了相关设备，节约了穿带时间，大幅减少了带头废料的产生，提高了生产效率和经济价值。优化后的带头跟踪系统已在上海宝山钢铁股份有限公司及其下属的不锈钢分公司热镀锌机组上成功使用。经过长时间考核和检验，是一个精准、高效、可靠的系统。
参考文献
[1]张进秋.可编程序控制原理及其应用[M].机械工业出版社.
[2]廖常初.大中型PLC应用教程[M].机械工业出版社.
