0 引　言

　　在線材軋制過程中,需對鋼坯的頭部和尾部進行剪切,以去掉鋼坯頭部和尾部的不規(guī)則及溫度低的部分,便于下一軋制段的順利軋制。這些剪切都是在軋制過程中由飛剪來完成的。為保證剪切的精度,需對鋼坯的線速度進行準確檢測,對飛剪的啟/停及定位進行準確控制。在高線控制系統(tǒng)中,飛剪的控制是最為復雜、精度要求最高、應用當前電氣技術(shù)最全面的一個系統(tǒng)。目前大部分國產(chǎn)控制系統(tǒng)存在剪切定位不精確、運行不穩(wěn)定以及剪切速度不高等缺陷。隨著工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)飛速發(fā)展, PLC特殊功能模塊也不斷被拓展完善,功能日益強大,專用性和可靠性也越來越好,對高精度飛剪控制系統(tǒng)的研發(fā)和改進提供了有利條件。

　　本研究以浙江湖州某特種鋼股份有限公司的高線為例,對基于PLC的高精度飛剪控制系統(tǒng)進行介紹和剖析。

1 飛剪系統(tǒng)組成簡介

　　高線飛剪系統(tǒng)的組成框架如圖1所示。

　　由于高線飛剪的剪切速度高,剪切軋件半徑小,一般選用回轉(zhuǎn)剪。剪機在得到上游方向軋件頭部信號時,按HM I預設的剪切長度要求,經(jīng)計算按剪切周期起動并運行剪機 。飛剪設在第12號機架和第13號機架之間,飛剪前安裝有2個熱金屬檢測器: HMD1和HMD2 (如圖1所示) 。

2 飛剪控制系統(tǒng)的組成及控制原理

　　2.1 飛剪控制系統(tǒng)的組成

　　飛剪控制系統(tǒng)配置圖如圖2所示。

　　飛剪系統(tǒng)主控PLC選用一臺GE 90 - 30 PLC, 90- 30 PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)與主軋線90 - 70 PLC通訊,以采集軋線信息。GE90 - 30 PLC框架中包括電源模塊、364CPU模塊、高速計數(shù)模塊、軸定位模塊、數(shù)字量輸入模塊和數(shù)字量輸出模塊。高速計數(shù)器模塊主要進行剪前機架編碼器信號計數(shù),其次還對熱金屬檢測器信號進行處理,以捕捉軋件頭、尾部。軸定位模塊負責輸出剪刀機電機和夾送輥電機的速度給定,以及對剪刀機的角度控制。觸摸屏選用GP系列工業(yè)觸摸屏,通過PLC電源模塊上的RS - 485兼容串行接口與PLC進行通訊,觸摸屏用于飛剪參數(shù)的設置和飛剪運行監(jiān)控 。剪前機架的編碼器信號經(jīng)編碼分配器分配信號后,其中一路送至飛剪控制PLC,供計算軋件速度之用。飛剪傳動電機編碼器也經(jīng)過信號分配后,一路作為傳動裝置閉環(huán)控制之用;一路進PLC供飛剪角度控制等計算之用。現(xiàn)場檢測信號主要是熱金屬檢測器的檢測信號,熱金屬檢測器是一個檢測熱金屬運動方向和頭尾出現(xiàn)時刻的裝置。機架和飛剪的直流電機的傳動裝置均都采用西門子6RA70 SIMOREG DCMASTER系列整流器 。

　　2.2 控制原理

　　在該飛剪系統(tǒng)設計過程中,通過軟、硬件的配合,可著重彌補剪切定位不精確、運行不穩(wěn)定以及剪切速度不高等缺陷。其具體相關(guān)控制原理為:

　　(1) 頭部剪切超前率或尾部剪切滯后率問題。飛剪剪切時,一方面要求控制系統(tǒng)在預定時間內(nèi)能完成剪機啟/停,制動周期運行,另一方面,剪切機構(gòu)應使剪刃從開始剪入到剪切終了的過程中其線速度水平方向的分速度等于或略大于(尾部剪切時應小于)軋件速度。

　　(2) 軋件進飛剪的速度。應用2種不同算法可以得到剪前機架過來的軋件的速度。

　　①輥徑法:根據(jù)剪前機架軋輥直徑和機械速比以及電機轉(zhuǎn)速,直接算出軋件線速度。

　　②測量法:飛剪前安裝有2個熱金屬檢測器HMD1和HMD2,當軋件頭部或尾部到達HMD1時,高速計數(shù)器開始進行計數(shù),直至HMD2 頭、尾部信號到達,此時,計數(shù)值對應HMD1與HMD2之間的距離,可求出每個脈沖周期軋件走過的距離。應用中將兩種算法相互結(jié)合,互相彌補,在不同階段選擇不同的優(yōu)先算法,可做到精確控制剪切長度。

　　(3) 飛剪啟動時間的研究與確定。當HMD1檢測到軋件頭部或者尾部時, PLC系統(tǒng)根據(jù)飛剪前機架的速度基準值和可調(diào)節(jié)的超前系數(shù)計算出飛剪的速度基準值。飛剪電機的啟動采用恒加速方式,也就是啟動斜率恒定,因此可計算出剪刃從原位啟動加速并到達剪切位置的時間,以此來確定飛剪啟動指令發(fā)出的時機。

3 系統(tǒng)軟件設計

　　軟件的核心問題是要對各種檢測信號進行及時準確地判斷以及對相應的設備進行控制,軟件程序主要由軋線信號及處理、夾送輥操作、飛剪驅(qū)動模塊、頭部剪切操作、尾部剪切操作、單剪切、報警等模塊組成,實現(xiàn)對信號的接收、分析、處理、控制、啟動、制動等一系列操作。

　　3.1 PLC程序設計

　　飛剪系統(tǒng)的PLC 程序用Logicmaster 90 軟件編寫,程序編寫采用模塊化方式。主程序由多個子程序組成。主程序的程序塊如圖3所示。

　　飛剪控制GE 90 - 30 PLC框架如圖4所示。

　　3.2 HM I畫面制作與功能

　　在本研究中,觸摸監(jiān)控器選用Pro2face GP23012SC41224V 6寸STN彩顯。Pro2face觸摸屏畫面采用GP2PRO /PB Ⅲ軟件開發(fā)。在HM I畫面中可實現(xiàn)剪切超前率、滯后率、切頭長度、切尾長度的設定;自動切頭、自動切尾、自動切廢等功能選擇;以及熱檢信號監(jiān)視功能、應急剪切選擇功能、剪刃位置監(jiān)控等相關(guān)功能。并實現(xiàn)HMI各參數(shù)、按鈕與PLC之間的交互通訊。其主菜單如圖5所示。

4 結(jié)束語

　　高精度飛剪控制系統(tǒng)是軋鋼電氣中最復雜、最有研究價值的部分,精確可靠的飛剪控制系統(tǒng)對軋鋼生產(chǎn)水平的提高起到重要作用。本研究所設計的高精度飛剪控制系統(tǒng)達到了預期的剪切精確度和響應速度。剪切速度最大可達22 m / s,剪切精度達到誤差小于10 mm的水平。這一控制效果在目前國產(chǎn)飛剪控制系統(tǒng)中處于先進地位,且系統(tǒng)成本大大低于ABB等進口系統(tǒng)。