T400工藝模板在飛剪控制系統(tǒng)升級(jí)改造中的應(yīng)用

王玉兵

（河鋼集團(tuán)宣鋼 二鋼軋廠，河北 宣化075100）

1 T400 工藝模板介紹

T400 工藝模板是為交流和直流傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)選件板，主要承擔(dān)定位控制。從硬件來(lái)看，T400模板是是一塊單板計(jì)算機(jī)，雙CPU 結(jié)構(gòu)，可接入多路數(shù)字、模擬輸入、輸出，兩路編碼器輸入信號(hào)。T400工藝模板采用的是32 位的SMADYN－D 處理器，具有強(qiáng)大的計(jì)算能力和極高的運(yùn)算速度，其最快的執(zhí)行周期小于0.8ms。從軟件上看，設(shè)計(jì)了剪切控制、角同步控制、卷取控制三套標(biāo)準(zhǔn)軟件包。編程軟件采用STEP7 和CFC 進(jìn)行獨(dú)立編程，用于飛剪的起停、定位等。高效的軟件功能塊可自由連接和設(shè)置參數(shù)，使編程簡(jiǎn)單調(diào)試方便。所有的控制信號(hào)都直接接到T400 的端子上，T400 工藝板和傳動(dòng)裝置之間的數(shù)據(jù)交換通過(guò)插在傳動(dòng)裝置第一個(gè)槽的CUD1 控制板實(shí)現(xiàn)，過(guò)程數(shù)據(jù)、參數(shù)以及故障報(bào)警等通過(guò)二者間的雙口內(nèi)存來(lái)完成。T400 工藝板和主站PLC 數(shù)據(jù)交換通過(guò)通訊板CBP 以Profibus 網(wǎng)型式實(shí)現(xiàn)，但只能作為從站。通訊板的參數(shù)如地址、波特率、報(bào)文長(zhǎng)度等均在基本模塊CUD1 上進(jìn)行。

2 T400 工藝模板在飛剪控制系統(tǒng)升級(jí)改造中的應(yīng)用

2.1 飛剪工藝簡(jiǎn)介

某鋼軋廠一高線于2001年投產(chǎn)，主要生產(chǎn)Φ5.5－Φ16mm 的光面、螺紋盤(pán)條。全線共有28 架軋機(jī)，3 個(gè)飛剪，1 個(gè)碎斷剪。其中三號(hào)飛剪處于18 架軋機(jī)后，精軋機(jī)之前，主要用來(lái)切頭和事故碎斷。三號(hào)飛剪為啟停式飛剪，由于要求其動(dòng)作速度快、控制精度高、定位準(zhǔn)確，因此其工作性能的好壞，直接影響生產(chǎn)線的作業(yè)率和成材率。三號(hào)飛剪定位自投產(chǎn)時(shí)一直采用PLC 程序和FM453 模板相結(jié)合的控制方式，經(jīng)過(guò)應(yīng)用實(shí)踐，于2006年改為T(mén)400 工藝模板控制，效果良好。

飛剪現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行設(shè)備由液壓廠制造，驅(qū)動(dòng)電機(jī)為直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)，空水冷卻，其后軸端處可安裝一編碼器。電機(jī)驅(qū)動(dòng)小齒輪，小齒輪帶動(dòng)大齒輪，兩大齒輪鋼性嚙合，實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)。每一大齒輪帶動(dòng)一個(gè)剪臂，剪臂頭部安裝剪刃。

如圖1所示為飛剪的工藝流程圖。剪臂整個(gè)圓周分為360°，兩剪刃垂直向下對(duì)住為0°，剪切位0°－10°，零位為85°－100°。切頭前，6 號(hào)熱檢無(wú)鋼，前轉(zhuǎn)折器處于低位，后轉(zhuǎn)轍器與軋制線平行，剪臂停在零位，切頭就緒。當(dāng)鋼頭過(guò)來(lái)時(shí)，6 號(hào)熱檢有信號(hào)，先通過(guò)前轉(zhuǎn)轍器，飛剪經(jīng)過(guò)PLC 進(jìn)行計(jì)算的延時(shí)后，飛剪啟動(dòng)。當(dāng)飛剪到達(dá)剪切位時(shí)，頭部已伸出正好達(dá)到設(shè)定長(zhǎng)度約600mm 導(dǎo)入料倉(cāng)，剪切完畢后，剪刃將鋼托起進(jìn)入軋制線，前轉(zhuǎn)折器托起，剪臂進(jìn)入位置閉環(huán)控制。剪臂逐漸趨進(jìn)于停止位即零位。碎斷時(shí)飛剪由零位啟動(dòng)剪切，同時(shí)后轉(zhuǎn)折器動(dòng)作，將剪切后的頭部導(dǎo)入碎斷剪內(nèi)碎斷。

2.2 電氣控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

飛剪自動(dòng)化控制系統(tǒng)由S7－400 系列PLC 組成，完成對(duì)系統(tǒng)的給定控制，主要模板有CPU416（6ES7416－2XK04－0AB0），以太網(wǎng)模板（6ES7416－2XK04－0AB0），DP 網(wǎng)模板（6ES7416－2XK04－0AB0），數(shù)字量輸入模板（6ES7421－1BC01－0AA0）等。PLC與上位機(jī)采用以太網(wǎng)通訊，與傳動(dòng)系統(tǒng)采用Profibus DP 網(wǎng)通訊模式。控制飛剪運(yùn)行的軸定位、剪切、碎斷運(yùn)算等主要程序都由PLC 系統(tǒng)來(lái)完成。主操臺(tái)上位機(jī)傳來(lái)的合／分閘、手動(dòng)／自動(dòng)選擇、切頭／切尾選擇、切頭長(zhǎng)度、超前系數(shù)等信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)到PLC 系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)邏輯判斷后再傳到傳動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行飛剪動(dòng)作。

圖1 飛剪工藝流程圖

傳動(dòng)系統(tǒng)是經(jīng)過(guò)改裝的，由小功率的6RA70全數(shù)字邏輯無(wú)環(huán)流直流調(diào)速裝置和國(guó)產(chǎn)功率柜相結(jié)合，主要完成對(duì)電機(jī)的調(diào)速控制。控制系統(tǒng)的核心部分采用原裝進(jìn)口板。6RA70 為三相交流供電的全數(shù)字調(diào)速裝置，承擔(dān)所有的調(diào)節(jié)功能，完成調(diào)速任務(wù)。系統(tǒng)具有良好動(dòng)、靜特性的速度、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。速度環(huán)為外環(huán)，調(diào)節(jié)器具有附加摩擦及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償預(yù)控功能，可獲得更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，調(diào)節(jié)器具有電流和力矩雙重控制，預(yù)控制器可改善調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

2.3 采用FM453 軸定位模板定位原理

三號(hào)飛剪定位自投產(chǎn)時(shí)一直采用FM453 智能三通道軸定位模板進(jìn)行定位控制。控制的思想是用FM453 軸定位模板與PLC 程序相結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。FM453 軸定位模板有準(zhǔn)確定位功能，將剪刃位置通過(guò)安裝在電機(jī)后軸上的增量編碼器讀到程序中來(lái)，程序中根據(jù)剪刃角度控制飛剪動(dòng)作。首先標(biāo)定剪刃剪切位為0°－10°，并將距軋制方向的85°－100°定為飛剪零位。PLC 在接到剪切命令后，送出剪切速度給電機(jī)，當(dāng)剪刃越過(guò)剪切位，立即進(jìn)入閉環(huán)控制，即一旦剪刃位置超過(guò)零位，送出一反向低速給電機(jī)，如此來(lái)回不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，目的是使剪刃停在零位，即85°－100°。

2.4 升級(jí)定位控制的緣由

在多年的應(yīng)用實(shí)踐中，F(xiàn)M453 軸定位模板雖能基本實(shí)現(xiàn)飛剪的定位功能，但也逐漸暴露出諸多問(wèn)題。尤其在軋制大規(guī)格品種時(shí)，即18 架速度在約13m／s 以上時(shí)，會(huì)頻繁出現(xiàn)定位不準(zhǔn)問(wèn)題。飛剪在每次剪切完成后停止位會(huì)以順時(shí)針?lè)较蚵x零位。這樣累積下來(lái)，大約每個(gè)生產(chǎn)班需一到兩次重新標(biāo)定零位，以免飛剪在剪切時(shí)因速度不夠?qū)е露唁摗?/p>

另一個(gè)問(wèn)題是飛剪在剪切時(shí)的精度較差，不穩(wěn)定。在設(shè)定一個(gè)長(zhǎng)度后（例如1 米），但實(shí)際剪切有時(shí)能短到幾厘米，長(zhǎng)的時(shí)候達(dá)到2 米多甚至偶爾有堆鋼現(xiàn)象發(fā)生。故而需要對(duì)其進(jìn)行升級(jí)改造。

2.5 由T400 工藝模板控制的改造方案

將飛剪的定位控制由FM453 軸定位模板升級(jí)為T(mén)400 工藝模板，實(shí)際硬件改動(dòng)較少，即現(xiàn)場(chǎng)增加一個(gè)剪切位接近開(kāi)關(guān)，在原70 箱內(nèi)第二個(gè)插槽插入T400 工藝模板。將原熱檢信號(hào)、剪切位開(kāi)關(guān)信號(hào)接入T400 等即完成。其他全部控制功能等由軟件完成，原PLC 系統(tǒng)程序只保留與HMI 參數(shù)的設(shè)定、狀態(tài)字、控制字等通訊部分。

飛剪的程序可分為兩個(gè)部分在T400 工藝模板內(nèi)編程：一是飛剪剪切控制，二是剪刃的位置控制。要求飛剪從停止位開(kāi)始加速到剪切位前約30°時(shí)必須達(dá)到需要的剪切速度，才能保證剪切穩(wěn)定。

剪刃位置閉環(huán)控制的采樣是與傳動(dòng)共用一個(gè)編碼器。為了消除積累誤差，在剪切位安裝一個(gè)接近開(kāi)關(guān)，飛剪每次轉(zhuǎn)到剪切位時(shí)，接近開(kāi)關(guān)感應(yīng)到信號(hào)將所記飛剪位置清零，以此位置為基準(zhǔn)開(kāi)始定位。飛剪從零位開(kāi)始啟動(dòng)剪切到剪切位之間，位置并沒(méi)有閉環(huán)而此時(shí)是速度閉環(huán)，這樣保證在剪切時(shí)飛剪剪切速度是設(shè)定速度。過(guò)了剪切位飛剪立刻進(jìn)入位置閉環(huán)狀態(tài)直到回到停止位，如果飛剪速度太快將會(huì)越過(guò)停止位，在位置閉環(huán)的控制下將緩慢返回到停止位。如果將整個(gè)位置控制分成兩個(gè)階段，剪刃從停止位置到剪切位置屬于速度控制，剪切完成后，由剪切位回到停止位則是位置控制。因此可以看出剪切位的接近開(kāi)關(guān)和碼盤(pán)對(duì)系統(tǒng)至關(guān)重要。

3 定位控制升級(jí)的應(yīng)用效果

T400 工藝模板的控制水平高、功能完善而且通用性強(qiáng)，無(wú)論是前期設(shè)計(jì)還是后期調(diào)試都將非常方便，故障較低、維護(hù)檢修工作量少。同時(shí)，飛剪動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間顯著縮短，在定位精度上也有了大幅度提高，頭部剪切長(zhǎng)度可控，提高了準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，應(yīng)用效果良好。

［1］德國(guó)西門(mén)子公司.SIMATIC FM 453 Positioning Module for ervo and Stepper Drives Manual［Z］.2004.12.

［2］德國(guó)西門(mén)子公司.T400 SIMADYN D Function Blocks［Z］.2004.12.

［3］袁新海.西門(mén)子公司T400 模板的應(yīng)用淺析［J］.冶金自動(dòng)化，2007 增刊（S2）.