飛剪控制系統(tǒng)的研究

張曉冬

（河鋼唐鋼設備機動部，唐山樂亭，063000）

1 論文的研究背景及意義

飛剪一般安裝在軋機后面，對高速移動的棒、線材的鋼頭、鋼尾進行剪切，消除成材產(chǎn)品的不平齊、開裂，在棒、線材軋鋼過程中控制系統(tǒng)根據(jù)PLC讀取的信號啟動電機，再根據(jù)飛剪上下游設備控制系統(tǒng)的電機轉速確定軋件與剪刃的相對位置和速度，通過相鄰上一架軋機位置脈沖碼盤開始計數(shù)，達到系統(tǒng)設定的切頭長度時啟動飛剪，瞬間加速到給定速度進行剪切，剪切完畢后快速回到初始位置。

為避免在棒、線材生產(chǎn)過程中因突發(fā)的設備故障或工藝事故，造成對產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率的影響，一般情況下都配備兩臺不同形式的飛剪，兩臺飛剪的協(xié)調(diào)運行對飛剪控制系統(tǒng)提出了更高的要求。因此研究飛剪控制系統(tǒng)對降低產(chǎn)線設備故障率，提高產(chǎn)線經(jīng)濟效益意義重大。

2 剪切過程對飛剪的要求

(1)當飛剪剪切軋件頭時，軋件的速度應大于等于飛剪剪刃在剪切方向的分速度，實現(xiàn)同步的速度進行剪切，避免造成軋件彎曲、纏刀故障。

(2)當飛剪剪切軋件尾時剪切速度在軋件運動方向的分速度應小于等于軋件運動速度，使尾部有一個向后的拉力，實現(xiàn)尾部快速脫離，避免軋件拉斷事故的發(fā)生。

(3)當軋件規(guī)格、運行速度、產(chǎn)品化學成分、剪切長度不同時，必須滿足剪切精度和質(zhì)量的要求

(4)因為棒、線材軋制是一個高頻斷續(xù)、高速生產(chǎn)過程，且經(jīng)常性的過載運行，造成電動機出現(xiàn)堵轉或停轉現(xiàn)象，為保證其設備運行的穩(wěn)定性，飛剪電動機必須滿足調(diào)速、過載要求。

(5)為減少啟動時間和速度的變化,提高飛剪剪切的靈敏性、準確性、穩(wěn)定性和高定位精度。需降低剪切時各機構運動的慣量值,

(6)飛剪控制系統(tǒng)應盡可能的達到在剪切前段平直,在剪切過程中速度恒定,剪切完成后,剪刃迅速恢復到固定位置,不影響軋件自由通過。

3 飛剪的控制

飛剪傳動裝置控制軟件結構由主循環(huán)程序和中斷程序組成，中斷程序又分為勵磁回路中斷程序和電樞回路中斷程序，結構程序如下：

(1)主循環(huán)程序在20ms周期內(nèi)完成掃描系統(tǒng)存儲器，并實現(xiàn)處理勵磁回路、電樞回路、PLC傳輸?shù)男畔?，掃描PLC系統(tǒng)傳輸各種信號控制字和狀態(tài)字，診斷發(fā)生的故障及時輸出報警，計算電機反饋的各種信息，恢復裝置出廠設置值，刷新和優(yōu)化處理新設定的各項參數(shù)等功能。

(2)中斷程序包含勵磁中斷和電樞中斷兩種程序，是直流調(diào)速控制的核心。勵磁中斷控制程序的掃描周期是電網(wǎng)的周期的2倍多；具有處理勵磁電流、調(diào)節(jié)控制電動勢、以及在回路控制中發(fā)出觸發(fā)脈沖功能；電樞中斷控制程序比勵磁中斷控制程序的掃描周期高許多的程序，具有高速相應的功能。

(3)同步觸發(fā)信號從飛剪三相進線的交流電源相位信號中獲取。一般情況下電源相序為正時設定，從檢測電樞回路進線取得的同步信號得到了三相進線相位信號，該電壓就代表了電網(wǎng)的電壓，所以可不先檢查交流電源供電相序。因為經(jīng)過放大器檢測同步電壓時有一定的衰減因，所以需要增加一個偏置電壓來補償，之后經(jīng)過A/D 轉換。通過計算得到電網(wǎng)實際電壓的有效值，再與系統(tǒng)設定的欠電壓、過電壓參數(shù)相比較，來實現(xiàn)故障診斷以及實時報警。大多數(shù)處理器芯片的輸出脈沖信號是有系統(tǒng)經(jīng)過計算處理而得到的觸發(fā)脈沖各路的移相前沿和相對應的開關量信號，要實現(xiàn)必要的調(diào)寬及載波調(diào)制則必須有芯片外部連接的硬件電路才可以實現(xiàn)，最后直接對主電路的晶閘管進行觸發(fā)控制。

(4)轉矩極性的鑒別程序需要設計的核心部分包括了判斷變流器換向指令、零電流的檢測、鑒別轉矩極性等。將系統(tǒng)選通的變流器工作狀態(tài)和速度調(diào)節(jié)器輸出的極性來作為兩個標志寄存器的位。當系統(tǒng)程序運行時，不時的判斷這兩個寄存器的相對應位是否一致，不一致，進行切換；一致，則不進行切換。為使系統(tǒng)軟件和硬件共同實現(xiàn)零電流檢測，需將一對雙脈沖的觸發(fā)脈沖立刻進行啟動零電流檢測和封鎖，封鎖第二脈沖可迅速關斷已經(jīng)出現(xiàn)電流斷續(xù)的晶閘管。

(5)故障自診斷和報警監(jiān)控系統(tǒng)可以實時監(jiān)控處理電網(wǎng)過壓、欠壓、缺相、電網(wǎng)頻率異常等故障，也可診斷回路保險、冷卻風機、SCR、通訊故障，監(jiān)控電機的電流、直流電機的熱過載保護，檢測位置編碼器的狀態(tài)、、晶閘管觸發(fā)狀態(tài)。

4 飛剪的自動化控制

直流調(diào)速裝置和 PLC 系統(tǒng)之間的通訊網(wǎng)絡為 PR OFIBUS_DP，直流調(diào)速柜通過 CBP2 通訊板實現(xiàn)與 PLC 系統(tǒng)的通訊，其中電機合閘、啟停以及速度給定等都由 PLC 通過網(wǎng)絡發(fā)來，同時傳動柜側設備的狀態(tài)包括已合閘、就緒、故障、超速、過流以及設備的實際電流和轉速等都由網(wǎng)絡發(fā)回 PLC，如圖1所示。

圖1 PLC程序的控制字

5 飛剪控制算法

飛剪的運動是剪臂帶動剪刃通過加速剪切，勻速剪切、減速制動及精準定位的一個復合性的過程，其中飛剪的啟動、勻速、減速、停止的速度控制精度決定了飛剪的剪切精度。為使飛剪用最小沖擊力回到初始位置，應用拋物線控制計算法可使飛剪在剪切完畢后可以準確的回到初始位。

■5.1 飛剪的啟?？刂扑惴?/h3>

熱金屬檢測器 HMD 檢測到軋件時，相鄰上游機架脈沖碼盤開始計數(shù)，當達到切頭設定長度時啟動飛剪，加速到設定速度時進行切頭，然后降速并快速回到初始位置。在切尾前，熱金屬檢測器檢測到拋鋼時,又啟動飛剪進行切尾，飛剪剪切過程如圖2所示。

圖2 飛剪的剪切過程

(1)手動切頭（尾）

飛剪在生產(chǎn)異?；蛱厥馇闆r時崗位人員能夠進行手動剪切（碎斷）操作。

(2)自動剪切

當熱金屬檢測器HMD檢測到鋼坯頭部或尾部時，還有PLC傳給的工藝要求的飛剪在WICC畫面中設定的剪切長度以及超前系數(shù)、剪前軋機傳回的軋制線速度，T400根據(jù)這些計算得到飛剪的啟動時刻，然后通過DP網(wǎng)絡發(fā)出命令給飛剪電氣傳動控制裝置。

①飛剪自動切頭程序：

熱金屬檢測器HMD檢測到鋼坯的頭部，T400根據(jù)PLC傳給的各種數(shù)據(jù)自動計算得出到剪切啟動的延時時間（T），如下面公式：

式中S：HMD與剪刃中心線的距離；L：設定的剪切長度；V：上一架軋機線速度（PLC系統(tǒng)自動傳給）；T1：剪刃初始位啟動至剪切角的時間。

由脈沖控制的自動切頭程序：

當熱金屬檢測器HMD檢測到軋件頭部，自動計算剪切啟動的脈沖數(shù)（M），如下面公式：

式中M1：HMD與剪刃中心線距離轉換成相應脈沖數(shù)；M2：剪切長度相對應脈沖數(shù)；M3：飛剪從初始位到剪切角相對應脈沖數(shù)。

②控制自動切尾程序：

當熱金屬檢測器HMD檢測到軋件尾部，自動計算切尾延時時間（T）。公式如下：

式中S：熱金屬檢測器與剪刃中心線的距離；L：切尾長度；V：上一軋機實際線速度（計算機系統(tǒng)自動給出）；T1：飛剪從初始位啟動至剪切角的時間。

(3)模擬剪切

該操作是在過崗前模擬軋線有鋼，對飛剪的各種功能進行確認。

(4)碎斷

當PLC系統(tǒng)對飛剪發(fā)出碎斷命令之后就開始碎斷，直到系統(tǒng)碎斷命令的結束。

■5.2 飛剪的剪刃控制算法

飛剪在對高速軋件的剪切過程中,為避免鋼坯在剪切順時出現(xiàn)堵鋼或者被剪刃拉變形等現(xiàn)象，在飛剪設置轉速時，要盡量使到飛剪剪刃在水平方向的分速度vj與軋件瞬時速度v0一致。但在實際使用過程中要實現(xiàn)vjl=vo是很困難的。

為此,在飛剪設置轉速時,采用飛剪水平方向分速度超前于軋件的瞬時速度控制方式。一般狀態(tài)下系統(tǒng)設定飛剪剪刃的水平方向的分速度Vj1超前于軋件瞬時速度v0的3%一5%,如下：

式中k：剪刃超前系數(shù)。

剪刃的轉速：

由式(4)和式(5)得到剪刃的轉速公式：

式中v0：剪前軋機出口鋼坯的線速度；nj：剪切時剪刃的基本轉速；R：刀架回轉半徑；φ：剪刃剪切時的初始角。

線材飛剪剪刃一般的布置為上剪臂剪刃靠前,下剪臂架剪刃靠后。剪切運動方向是沿著斜向上飛出,剪切廢料容易進入飛剪后的廢料斗,避免影響軋件正常通過或將廢料帶進下一架軋機中,造成生產(chǎn)事故。在飛剪進行調(diào)試時,發(fā)現(xiàn)剪切運行方向與剪刃超前系數(shù)相關。超前系數(shù)越小,廢料飛出方向越靠近水平,很容易帶入下一架軋機;超前系數(shù)過大,廢料剪斷瞬間會翻轉撞擊刀刃,反彈進入倒槽中,并且容易導致飛剪電控報故障，造成堆鋼或其它生產(chǎn)事故。為減少由飛剪引起的工藝事故,飛剪剪刃超前系數(shù)必須合適。

剪刃超前系數(shù)的經(jīng)驗值為:k=1.10 ?1.15。

該值還與剪刃布置形式有關系。

■5.3 剪切精度分析

飛剪的剪切精度即在實際剪切過程中剪切的軋件頭部以及尾部的長度與生產(chǎn)工藝設定值的誤差率。剪切精度是考核飛剪綜合性能的一個重要指標，其直接影響了鋼材的成材率，并且剪切精度越高，由于飛剪導致的工藝堆鋼事故就少，工廠作業(yè)率、成材率以及生產(chǎn)效率高。影響剪切精度有許多因素，其中一個主要因素是飛剪接到命令到開始執(zhí)行剪切動作的時間誤差以及飛剪機械傳動系統(tǒng)配合的間隙。飛剪機械傳動系統(tǒng)的的配合間隙可以利用位置控制系統(tǒng)間隙的補償?shù)玫交鞠w剪接到命令到開始執(zhí)行剪切動作的時間誤差是特別難消除的。由此，剪切精度公式為：

式中?L1：飛剪的剪切精度，mm；?T1：飛剪接到命令到開始執(zhí)行剪切動作的時間誤差；V0：軋件瞬時速度。

軋件瞬時速度vo是一個隨工藝參數(shù)在不斷變化的變量，但飛剪控制設定了速度跟隨其剪切速度也是一個隨vo的變化而改變的變量，他們的關系始終是一個常數(shù)關系，影響剪切精度也很小。飛剪結構從命令發(fā)出到開始動作的時間Ta是也是一個變化量，其與電控的響應時間以及飛剪剪刃的定位精度有很大關系?？衫萌缦鹿剑?/p>

從命令發(fā)出到開始動作時間誤差ΔTa它又程序執(zhí)行時間的誤差ΔTr和剪刃開始啟動到開始剪切軋件的時間誤差ΔTb組成，即：

(1)程序執(zhí)行的時間誤差ΔTf，又由控制系統(tǒng)的電氣運行誤差以及控制程序運行的誤差所組成。一般情況時間誤差

(2)飛剪刃開始啟動到開始剪切軋件的時間誤差ΔTb有剪刃位置的誤差和飛剪剪切的速度組成：

式中α?：剪刃位置的誤差；n：飛剪剪切的瞬時速度(r/min)。

剪刃位置的誤差由位置編碼器和定位開關的精度決定，對于1024位置編碼器，一般位置誤差 ?α≤ 0.351。

6 結論

飛剪作為現(xiàn)代軋鋼生產(chǎn)線上的一種無可替代的機械設備，不僅要求其剪切性能要與軋鋼生產(chǎn)線相匹配,而且設備本身運行應可靠。為了使設備裝配簡單，減少設備的重量及體積，節(jié)約資本減少投資，必修不斷應運先進的控制理念和機械傳動技術,既實現(xiàn)設備工作的可靠性的同時，同時又降低了設備的生產(chǎn)成本和安裝周期，達到提高了生產(chǎn)線自動化的水平的同時使鋼材的生產(chǎn)率也得到了提高。