基于P L C的飛剪控制系統(tǒng)在連退機(jī)組的應(yīng)用

付 聰

（中國(guó)冶金科工集團(tuán)公司 中冶南方〈武漢〉自動(dòng)化有限公司，湖北 武漢430205）

0 概述

本條連退機(jī)組出口段設(shè)置有一臺(tái)曲柄式飛剪（簡(jiǎn)稱飛剪），其作用是不停機(jī)剪切焊縫、切廢及取樣。較之于傳統(tǒng)的橫切剪，飛剪在剪切時(shí)帶鋼不必停止，而是低速（最大60m/min）運(yùn)行，從而保持了帶鋼運(yùn)行的連續(xù)性，提高了生產(chǎn)效率。

1 飛剪控制系統(tǒng)組成

本機(jī)組采用西門(mén)子S7-400 PLC對(duì)飛剪進(jìn)行主要控制，控制器選用了西門(mén)子CPU 416-2。該控制器完成的功能包括：接收并處理L2級(jí)或HMI下發(fā)的剪切指令，計(jì)算飛剪的啟動(dòng)時(shí)間點(diǎn)，接收編碼器反饋值并計(jì)算剪刃實(shí)際角度，計(jì)算并向變頻裝置下發(fā)飛剪的速度與加速度設(shè)定值，將飛剪的狀態(tài)反饋至HMI人機(jī)界面等。對(duì)飛剪電機(jī)的驅(qū)動(dòng)采用西門(mén)子S120變頻傳動(dòng)裝置，通過(guò)增量型脈沖編碼器對(duì)飛剪速度進(jìn)行檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)精確閉環(huán)控制。

本機(jī)組飛剪控制系統(tǒng)組成見(jiàn)圖1。

圖1 基于PLC的飛剪控制系統(tǒng)配置圖

2 飛剪的控制方式

本機(jī)組飛剪的控制方式分為：?jiǎn)未渭羟?、自?dòng)剪切。

1）單次剪切

這種方式用于在飛剪機(jī)旁操作箱上手動(dòng)操作剪切，剪切命令通過(guò)按下操作箱上的單次剪切按鈕發(fā)出。飛剪接收到剪切命令的同時(shí)立即啟動(dòng)，完成一個(gè)剪切周期后自動(dòng)回到等待位。單次剪切通常用于飛剪的維護(hù)，以及處理特殊情況，比如斷帶剪切等。

2）自動(dòng)剪切

這種方式用于機(jī)組生產(chǎn)過(guò)程中，PLC根據(jù)需要在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)啟動(dòng)飛剪，并實(shí)時(shí)控制飛剪的速度、加速度，以完成對(duì)帶鋼定長(zhǎng)剪切。自動(dòng)剪切模式是飛剪的主要控制方式，本文描述的飛剪控制都是關(guān)于這種模式的。

3 飛剪的剪切過(guò)程

本機(jī)組的飛剪控制方式主要采用定長(zhǎng)剪切，有以下幾個(gè)過(guò)程：

1）剪刃停止在等待位，即圖2中的位置A；

2）根據(jù)帶鋼的剪切位置提前計(jì)算好啟動(dòng)時(shí)間點(diǎn)，當(dāng)時(shí)間點(diǎn)到達(dá)時(shí)，啟動(dòng)飛剪加速到達(dá)入切角，即圖2中的位置B；

3）保持剪刃的橫向速度等于（或略微大于）帶鋼運(yùn)行速度，直到飛剪到達(dá)離切角，即圖2中的位置D；

4）飛剪離開(kāi)離切角后，根據(jù)剪切板帶長(zhǎng)度，計(jì)算出剪刃再次到達(dá)入切角的時(shí)間點(diǎn)，通過(guò)調(diào)整剪刃速度，使再次達(dá)入切角的時(shí)間點(diǎn)與計(jì)算值吻合；

5）若繼續(xù)剪切，重復(fù)過(guò)程（3）和（4）；

6）若不再剪切，則過(guò)程（3）結(jié)束后，剪刃減速停止到等待位，在此過(guò)程中如果沒(méi)有足夠的減速距離，剪刃會(huì)沖過(guò)等待位，待速度為0后自動(dòng)反爬到等待位。

圖2 曲柄飛剪角度與剪切順序

4 飛剪啟動(dòng)時(shí)間點(diǎn)的計(jì)算

本機(jī)組出口飛剪主要用于剪切焊縫、切廢及取樣，剪切的順序?yàn)椋呵熬韼т搸踩?，帶尾切廢，前后兩卷焊縫切除，后卷帶鋼帶頭切廢，帶頭取樣。取樣、切廢及焊縫的剪切片數(shù)及長(zhǎng)度可以通過(guò)L2級(jí)計(jì)算機(jī)或HMI下發(fā)。PLC根據(jù)剪切片數(shù)及長(zhǎng)度提前計(jì)算好第一刀剪切點(diǎn)位置。這個(gè)位置以焊縫為參照，以“距離焊縫xx米”的形式在PLC內(nèi)部實(shí)時(shí)計(jì)算并更新。

當(dāng)位于出口活套的焊縫檢測(cè)儀檢測(cè)到焊縫時(shí)，負(fù)責(zé)控制飛剪的PLC開(kāi)始啟動(dòng)對(duì)第一刀剪切點(diǎn)的位置跟蹤，并同時(shí)將機(jī)組減速至剪切速度。飛剪從等待位啟動(dòng)并加速到入切角位置需要一定時(shí)間，這個(gè)時(shí)間也將被PLC計(jì)算并考慮在內(nèi)，以在合適時(shí)間點(diǎn)提前啟動(dòng)飛剪。這樣就能保證當(dāng)剪刃到達(dá)入切角時(shí)，帶鋼上的第一刀剪切點(diǎn)位置剛好同時(shí)到達(dá)。

5 飛剪的角度檢測(cè)與計(jì)算

本機(jī)組采用絕對(duì)值編碼器（分辨率1024脈沖）檢測(cè)飛剪的實(shí)際角度，同時(shí)設(shè)置有接近開(kāi)關(guān)用于剪刃角度標(biāo)定。標(biāo)定的過(guò)程是：當(dāng)剪刃處于最低位（圖2中的位置C）時(shí)，曲柄上的擋鐵擋住接近開(kāi)關(guān)，其信號(hào)由0變?yōu)?，PLC將剪刃的角度標(biāo)定為360°（剪刃逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)）或0°（剪刃順時(shí)針旋轉(zhuǎn)）。由于本機(jī)組采用的是絕對(duì)值編碼器，所以不需要飛剪每次通過(guò)最低位時(shí)都進(jìn)行標(biāo)定，只需要在離線狀態(tài)下人工啟動(dòng)標(biāo)定程序進(jìn)行一次標(biāo)定即可。以后剪刃每轉(zhuǎn)一周，PLC自動(dòng)將角度值加上或減掉360°，其運(yùn)算過(guò)程為：

1）若 0≤Ang＜360 ，

則Ang=Ang,Imp=Imp

2）若 Ang＞=360,

則 Ang=Ang-360，Imp=Imp-1024

3）若 Ang＜0,

則 Ang=Ang+360，Imp=Imp+1024

其中Ang是剪刃角度值，Imp是絕對(duì)值編碼器的脈沖累計(jì)值。

這種飛剪角度檢測(cè)及計(jì)算方式不同于傳統(tǒng)采用增量型編碼器，剪刃每轉(zhuǎn)一周都必須通過(guò)接近開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定的做法，其優(yōu)點(diǎn)非常突出：由于接近開(kāi)關(guān)信號(hào)僅僅是離線標(biāo)定時(shí)才會(huì)用到，因而有效避免了飛剪正常使用過(guò)程中由于接近開(kāi)關(guān)誤信號(hào)導(dǎo)致的標(biāo)定故障，也降低了飛剪正常運(yùn)行對(duì)接近開(kāi)關(guān)的依賴，提高了飛剪的可靠性。

6 飛剪定長(zhǎng)剪切控制

本機(jī)組飛剪的主要功能是帶鋼定長(zhǎng)剪切。不同的剪切長(zhǎng)度決定了飛剪前后兩次到達(dá)入切角 （圖2中逆時(shí)針從B到B）的時(shí)間間隔⊿t1，計(jì)算方法如下：

其中L是剪切長(zhǎng)度，V是帶鋼的線速度。

剪刃從入切角到離切角（圖2中逆時(shí)針從B到D），其水平方向的速度等于或略大于帶鋼線速度，所以這個(gè)時(shí)間間隔⊿t2可以通過(guò)如下計(jì)算得到：

其中，R是飛剪半徑，V是帶鋼的線速度,⊿V是剪刃的水平方向附加速度。

飛剪在剪切時(shí),PLC控制出口段帶鋼速度保持在恒定 （如60m/min）低速運(yùn)行，剪切長(zhǎng)度預(yù)先由機(jī)組L2級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)送給PLC，或操作員通過(guò)HMI進(jìn)行人工設(shè)定。在一個(gè)剪切周期里，⊿t1和⊿t2是固定值，由此可以得到飛剪從離切角到入切角（圖2中逆時(shí)針從D到B）的時(shí)間間隔⊿t：

⊿t=⊿t1-⊿t2（3）

⊿t在一個(gè)剪切周期里也是固定值，控制飛剪定長(zhǎng)剪切的關(guān)鍵是：飛剪從離切角到入切角的時(shí)間間隔等于⊿t，并且飛剪到達(dá)入切角時(shí)，剪刃水平方向的速度分量等于式（2）中的V+⊿V。

如果飛剪離開(kāi)離切角后，在到達(dá)入切角前速度保持不變，這個(gè)剪切長(zhǎng)度稱作同步長(zhǎng)度。在⊿t時(shí)間間隔里，飛剪的速度可以分為以下3種情況：

1）剪切長(zhǎng)度 =同步長(zhǎng)度

這種情況飛剪離開(kāi)離切角后，速度保持恒定不變直到到達(dá)入切角。

2）剪切長(zhǎng)度＜同步長(zhǎng)度

這種情況飛剪離開(kāi)離切角后，速度先增大，然后減小，在到達(dá)入切角時(shí)，剪刃水平速度減速到與帶鋼速度保持同步。本飛剪使用的控制方式是：從D到A（逆時(shí)針）剪刃加速，從A到B（逆時(shí)針）剪刃減速，由于⊿t已知，因而可以計(jì)算出剪刃的加速度，從而實(shí)現(xiàn)定長(zhǎng)剪切。這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是：由于中間沒(méi)有恒速的過(guò)程，飛剪加減速可以用最小的加速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。可以看出，飛剪能夠剪切的最小長(zhǎng)度是受到飛剪最大加速度限制的。

3）剪切長(zhǎng)度＞同步長(zhǎng)度

這種情況飛剪離開(kāi)離切角后，速度先減小，然后增大，在到達(dá)入切角時(shí)，剪刃水平速度加速到與帶鋼速度保持同步。本飛剪使用的控制方式是：從D到A（逆時(shí)針）剪刃減速到0，從A到B（逆時(shí)針）剪刃加速。如果剪刃在A點(diǎn)不停留（或者將停留時(shí)間看作是0），那么飛剪能夠剪切的最大長(zhǎng)度同樣受到飛剪最大加速度的限制。如果需要突破這個(gè)長(zhǎng)度，飛剪需要在A點(diǎn)停留一定時(shí)間。

7 結(jié)束語(yǔ)

本連續(xù)退火機(jī)組自2012年投產(chǎn)以來(lái)，飛剪運(yùn)行狀態(tài)一直比較穩(wěn)定良好，證明這套基于PLC的飛剪控制系統(tǒng)是完善可靠的。當(dāng)然，用PLC對(duì)飛剪進(jìn)行控制也有其固有的缺陷，比如CPU的運(yùn)算速率不及西門(mén)子T400工藝板和FM458模板，因此在定長(zhǎng)剪切的精度上會(huì)有所不及，僅能達(dá)到10mm以內(nèi)。不過(guò)，對(duì)于本機(jī)組來(lái)說(shuō)，其精度完全在可接受的范圍之內(nèi)，在經(jīng)濟(jì)型上則是大大優(yōu)于T400和FM458的方案。因此還是有極大的參考和推廣價(jià)值。

［1］何巍巍,沈士蒽.曲柄連桿式飛剪的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J].冶金設(shè)備，2012(特刊).

［2］葛延津,陳棟,高峰.飛剪的定位控制[J].控制與決策，2003（5）.

［3］葛延津，高峰，陳棟.飛剪速度基準(zhǔn)的研究[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2003（12）.