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西門子S7-300 PLC小型棒材生產(chǎn)線起停式倍尺飛剪設(shè)計

　　關(guān)鍵詞：棒材;起停式飛剪;剪刃定位;PLC掃描周期

　　0 引言

　　倍尺飛剪是小型棒材生產(chǎn)線的關(guān)鍵性設(shè)備，它直接影響生產(chǎn)率和成材率。10多年前，電氣傳動系統(tǒng)為傳統(tǒng)的模擬系統(tǒng)，要想控制剪切速度為20m/s左右的起停式飛剪，幾乎是不可能的。隨著技術(shù)的日新月異，直流全數(shù)字系統(tǒng)遍及世界，為控制高速飛剪打下了堅實的基礎(chǔ)。在這個基礎(chǔ)上，通過利用PLC的強大功能，不斷深人研究、創(chuàng)新和實踐，中冶集團(tuán)北京冶金設(shè)備研究設(shè)計總院起停式倍尺飛剪的剪切速度已達(dá)到19m/s，工作準(zhǔn)確無誤，倍尺精度達(dá)到±40mm，并zui大限度地滿足了用戶的各種工藝要求。幾年來，已在萊蕪鋼鐵集團(tuán)公司、冷水江鋼廠、烏蘭浩特鋼廠、日照鋼鐵集團(tuán)公司、寧夏恒力集團(tuán)、宣化鋼鐵集團(tuán)公司等近10個廠家可靠運行，達(dá)到了國內(nèi)*水平。

　　1 設(shè)計思想

　　起停式飛剪在不剪切時是靜止的，當(dāng)發(fā)出剪切信號后剪刃從起始點開始加速運行，要求在剪刃運行角度250°內(nèi)加速到剪切速度(zui高19m/S)，剪切完成后，立即制動，要求在250°內(nèi)制動至零速，然后準(zhǔn)確反爬至起始點。其中剪切信號是否能準(zhǔn)確無誤地發(fā)出和剪刃的定位精度是否能滿足要求，是飛剪能否可靠工作和倍尺精度控制的關(guān)鍵。

　　該飛剪采用Siemens 6RA70全數(shù)字裝置作為飛剪電機電氣傳動控制系統(tǒng)，它具備的強大功能和數(shù)字系統(tǒng)的精確性完*勝任飛剪頻繁、快速的起、制動的苛刻要求。采用s7—300PLC智能模塊和對各種干擾因素考慮完備的軟件控制飛剪的剪切和剪刃的定位，保證了飛剪動作的可靠性和倍尺精度。采用Siemens TP170B彩色觸摸屏或上位機作為人機對活設(shè)備，并通過Profibus.DP網(wǎng)相連，其硬件配置如圖1所示。為廠保證飛剪速度給定的精確性和可靠性，由PIC測算的速度信號及PLC發(fā)出的運行、停止命令通過DP網(wǎng)送至6RA70系統(tǒng)，6RA70系統(tǒng)的工作狀態(tài)也通過DP網(wǎng)送至PLC。在操作臺上，觸摸屏或上位機實現(xiàn)了人機對話，操作者根據(jù)工藝要求，輸入倍尺長度、修正系數(shù)、成品軋機輥徑、剪速度超前系數(shù)等參數(shù)，并可隨時修改。同時，飛剪的丁作狀態(tài)、故障信號等也在觸摸屏或上位機上顯示，*方便了操作。

　　2 工作原理與控制過程

　　高速計數(shù)器A4用來測算軋件的長度，成品軋機的編碼器與之相連。在輸入輥徑后，脈沖當(dāng)量可根據(jù)式(1)計算：

　　Q=(P軋i軋×l000)/(πD軋) ( 1 )

　　式中，Q為脈沖當(dāng)量，脈沖/m;P軋為成品軋機碼盤脈沖數(shù);i軋為成品軋機減速比;D軋為成品軋機輥徑，mm。

　　當(dāng)輸入倍尺長度后，用脈沖當(dāng)量乘以倍尺長度，就可以計算相應(yīng)的脈沖數(shù)。一旦A4汁數(shù)脈沖到達(dá)該值，就發(fā)出剪切信號。高速計數(shù)器A5用來測算軋件的線速度，成品軋機的碼盤與之相連。采用系統(tǒng)定時中斷的方法，測量每個單位時間進(jìn)入A5的脈沖數(shù)，由于脈沖當(dāng)量已知，因此便可實時測量軋件的線速度，以便飛剪隨時跟蹤這個速度。

　　高速計數(shù)器A6用來測算剪刃的位置，飛剪本體碼盤與之相連。通過測量A6的脈沖，便可獲得剪刃的位置。剪刃運行一周即360°的脈沖數(shù)P周可根據(jù)式(2)計算：

　　P周=P剪i剪 (2)

　　式中，P前為飛剪本體碼盤脈沖數(shù);i剪為飛剪減速比。

　　典型的棒材全連軋精軋區(qū)布置見圖2。倍尺飛剪的工作原理如下：當(dāng)軋件頭部到達(dá)熱金屬檢測器RJ3時，立即啟動高速計數(shù)器A4，這時將式(3)計算出的長度，L預(yù)置乘以Q作為預(yù)置值送至A4。

　　L預(yù)置=(L倍尺+L1一L2) (3)

　　式中L倍尺倍為用戶設(shè)置的倍尺長度;L1為RJ3至3#飛剪的距離;L2為剪刃從起始位到達(dá)剪切位軋件走過的長度。
　　當(dāng)A4計數(shù)值達(dá)到預(yù)置值時，PLC產(chǎn)生中斷信號給6RA70，飛剪立即啟動，其速度給定為成品軋機線速度乘以飛剪速度超前系數(shù)，其中，成品軋機線速度由A5實時測算，飛剪速度超前系數(shù)由用戶根據(jù)需要在觸摸屏上或上位機設(shè)定。當(dāng)飛剪完成剪切后，本體接近開關(guān)動作，A6立即啟動，測算現(xiàn)在剪刃的位置。當(dāng)剪刃到達(dá)制動點時，PLC產(chǎn)生中斷，將速度給定從剪切速度切換到制動速度，飛剪立即制動。當(dāng)剪刃速度減至零時，將速度給定切換到反速度，反爬速度給定的大小與剪刃至起始位的距離成正比，如式(4)：

　　V反爬=KS ( 4)

　　式中，V反爬為反爬速度給定;K為常數(shù)(越大，反爬速度越快);S為剪刃現(xiàn)行位與起始位的距離。

　　從式(4)可以看出，剪刃距起始位的距離越近，速度給定越小，反爬速度越慢。當(dāng)剪刃速度達(dá)到zui大速度的1%時，保持這個速度，當(dāng)剪刃到達(dá)起始位時，PLC再次產(chǎn)生中斷，封鎖6RA70，使剪刃準(zhǔn)確停在起始位。

　　3特點

　　我院的起停式飛剪控制有幾個特點：

　　(1)倍尺精度高。由于軋線速度很高，控制時間上有任何微小差異，都會影響倍尺精度。例如：軋線速度為16m/s，PLC的掃描周期會造成80mm的誤差，DP網(wǎng)的傳輸時間會造成>200mm的誤差。因此，在剪切信號的發(fā)出、剪刃定位等與倍尺精度有關(guān)的關(guān)鍵信號上，采用了高速計數(shù)器中斷、高速計數(shù)器直接輸出與DP網(wǎng)傳輸并存方式，避免了由于PLC掃描周期影響和DP網(wǎng)傳輸時問長造成的長度誤差，提高了倍尺精度。

　　(2)防止定位干擾。本體接近開關(guān)信號是飛剪定位的關(guān)鍵點，當(dāng)這個信號發(fā)出后，開始測算剪刃位置，如果有干擾信號誤動作，飛剪定位就會出現(xiàn)誤差，嚴(yán)重時還可能出現(xiàn)連剪。為此，我們采用了如下方法：當(dāng)PIC發(fā)出飛剪啟動信號時，打開本體接近開關(guān)信號通道，接近開關(guān)信號便可進(jìn)入PLC，當(dāng)PLC接到接近開關(guān)信號后，立即關(guān)閉這個通道，將干擾信號阻擋于門外，有效地解決了干擾問題。

　　(3)測長計數(shù)累加。在設(shè)計中，我們沒有采用剪切一次，高速計數(shù)器清零一次的方法。這是由于清零信號晚于剪切信號，必須在倍尺設(shè)定時把這段長度減去，而當(dāng)軋機速度變化時，這段長度是變化的。為此，我們采用了不斷累加的方法，即：首先將首段長度作為預(yù)置值，首段長度為式(3)計算出的L預(yù)置，剪切一次后，將L倍尺+ L預(yù)置作為預(yù)置值，剪切二次后，將2L倍尺+ L預(yù)置作為預(yù)置值，以此類推。采用這種方法以后，有效地解決了這個問題。

　　(4)實現(xiàn)尾部優(yōu)化。尾部長短不一的問題一直是困擾生產(chǎn)線的問題。尤其是在坯料不規(guī)矩的生產(chǎn)廠，矛盾更為突出。坯料不規(guī)矩使zui終軋材的長度差別很大，尾部不是太短上不了冷床，就是太長跑出冷床。按部就班地按不變的倍尺剪切已不適應(yīng)，為此，我們采用尾部優(yōu)化方法。首先，計算鋼尾到達(dá)RJ2時的軋材長度L：

　　L=(TV軋十L1+C1) (5)

　　式中，T為鋼尾從RJ2至RJ3的時間，這個時間可通過PLC測出;V軋為成品軋機的線速度;C1為鋼尾到RJ2時A4的現(xiàn)行計數(shù)值。

　　計算出L后，便可得知繼續(xù)按正常倍尺剪切所剩的尾部長度時，如果尾部長度小于上冷床的zui短長度，就將尾部前一段的長度設(shè)置更改為L倍尺一L定尺(定尺長度)或L倍尺一2L定尺，也就是將1倍或2倍定尺長度移給尾部，很好地解決了尾部過短的問題。其中，定尺長度可在觸摸屏或上位機上輸入。