基于P L C的飛剪控制系統在連退機組的應用

付 聰

（中國冶金科工集團公司 中冶南方〈武漢〉自動化有限公司，湖北 武漢430205）

0 概述

本條連退機組出口段設置有一臺曲柄式飛剪（簡稱飛剪），其作用是不停機剪切焊縫、切廢及取樣。較之于傳統的橫切剪，飛剪在剪切時帶鋼不必停止，而是低速（最大60m/min）運行，從而保持了帶鋼運行的連續性，提高了生產效率。

1 飛剪控制系統組成

本機組采用西門子S7-400 PLC對飛剪進行主要控制，控制器選用了西門子CPU 416-2。該控制器完成的功能包括：接收并處理L2級或HMI下發的剪切指令，計算飛剪的啟動時間點，接收編碼器反饋值并計算剪刃實際角度，計算并向變頻裝置下發飛剪的速度與加速度設定值，將飛剪的狀態反饋至HMI人機界面等。對飛剪電機的驅動采用西門子S120變頻傳動裝置，通過增量型脈沖編碼器對飛剪速度進行檢測，以實現精確閉環控制。

本機組飛剪控制系統組成見圖1。

圖1 基于PLC的飛剪控制系統配置圖

2 飛剪的控制方式

本機組飛剪的控制方式分為：單次剪切、自動剪切。

1）單次剪切

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

2）自動剪切

這種方式用于機組生產過程中，PLC根據需要在適當的時機啟動飛剪，并實時控制飛剪的速度、加速度，以完成對帶鋼定長剪切。自動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于這種模式的。

3 飛剪的剪切過程

本機組的飛剪控制方式主要采用定長剪切，有以下幾個過程：

1）剪刃停止在等待位，即圖2中的位置A；

2）根據帶鋼的剪切位置提前計算好啟動時間點，當時間點到達時，啟動飛剪加速到達入切角，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）帶鋼運行速度，直到飛剪到達離切角，即圖2中的位置D；

4）飛剪離開離切角后，根據剪切板帶長度，計算出剪刃再次到達入切角的時間點，通過調整剪刃速度，使再次達入切角的時間點與計算值吻合；

5）若繼續剪切，重復過程（3）和（4）；

6）若不再剪切，則過程（3）結束后，剪刃減速停止到等待位，在此過程中如果沒有足夠的減速距離，剪刃會沖過等待位，待速度為0后自動反爬到等待位。

圖2 曲柄飛剪角度與剪切順序

4 飛剪啟動時間點的計算

本機組出口飛剪主要用于剪切焊縫、切廢及取樣，剪切的順序為：前卷帶鋼帶尾取樣，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及長度可以通過L2級計算機或HMI下發。PLC根據剪切片數及長度提前計算好第一刀剪切點位置。這個位置以焊縫為參照，以“距離焊縫xx米”的形式在PLC內部實時計算并更新。

當位于出口活套的焊縫檢測儀檢測到焊縫時，負責控制飛剪的PLC開始啟動對第一刀剪切點的位置跟蹤，并同時將機組減速至剪切速度。飛剪從等待位啟動并加速到入切角位置需要一定時間，這個時間也將被PLC計算并考慮在內，以在合適時間點提前啟動飛剪。這樣就能保證當剪刃到達入切角時，帶鋼上的第一刀剪切點位置剛好同時到達。

5 飛剪的角度檢測與計算

本機組采用絕對值編碼器（分辨率1024脈沖）檢測飛剪的實際角度，同時設置有接近開關用于剪刃角度標定。標定的過程是：當剪刃處于最低位（圖2中的位置C）時，曲柄上的擋鐵擋住接近開關，其信號由0變為1，PLC將剪刃的角度標定為360°（剪刃逆時針旋轉）或0°（剪刃順時針旋轉）。由于本機組采用的是絕對值編碼器，所以不需要飛剪每次通過最低位時都進行標定，只需要在離線狀態下人工啟動標定程序進行一次標定即可。以后剪刃每轉一周，PLC自動將角度值加上或減掉360°，其運算過程為：

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是絕對值編碼器的脈沖累計值。

這種飛剪角度檢測及計算方式不同于傳統采用增量型編碼器，剪刃每轉一周都必須通過接近開關信號進行標定的做法，其優點非常突出：由于接近開關信號僅僅是離線標定時才會用到，因而有效避免了飛剪正常使用過程中由于接近開關誤信號導致的標定故障，也降低了飛剪正常運行對接近開關的依賴，提高了飛剪的可靠性。

6 飛剪定長剪切控制

本機組飛剪的主要功能是帶鋼定長剪切。不同的剪切長度決定了飛剪前后兩次到達入切角 （圖2中逆時針從B到B）的時間間隔⊿t1，計算方法如下：

其中L是剪切長度，V是帶鋼的線速度。

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

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,PLC控制出口段帶鋼速度保持在恒定 （如60m/min）低速運行，剪切長度預先由機組L2級計算機發送給PLC，或操作員通過HMI進行人工設定。在一個剪切周期里，⊿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中逆時針從D到B）的時間間隔⊿t：

⊿t=⊿t1-⊿t2（3）

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

如果飛剪離開離切角后，在到達入切角前速度保持不變，這個剪切長度稱作同步長度。在⊿t時間間隔里，飛剪的速度可以分為以下3種情況：

1）剪切長度 =同步長度

這種情況飛剪離開離切角后，速度保持恒定不變直到到達入切角。

2）剪切長度＜同步長度

這種情況飛剪離開離切角后，速度先增大，然后減小，在到達入切角時，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（逆時針）剪刃加速，從A到B（逆時針）剪刃減速，由于⊿t已知，因而可以計算出剪刃的加速度，從而實現定長剪切。這種控制方式的優點是：由于中間沒有恒速的過程，飛剪加減速可以用最小的加速度來實現。可以看出，飛剪能夠剪切的最小長度是受到飛剪最大加速度限制的。

3）剪切長度＞同步長度

這種情況飛剪離開離切角后，速度先減小，然后增大，在到達入切角時，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（逆時針）剪刃減速到0，從A到B（逆時針）剪刃加速。如果剪刃在A點不停留（或者將停留時間看作是0），那么飛剪能夠剪切的最大長度同樣受到飛剪最大加速度的限制。如果需要突破這個長度，飛剪需要在A點停留一定時間。

7 結束語

本連續退火機組自2012年投產以來，飛剪運行狀態一直比較穩定良好，證明這套基于PLC的飛剪控制系統是完善可靠的。當然，用PLC對飛剪進行控制也有其固有的缺陷，比如CPU的運算速率不及西門子T400工藝板和FM458模板，因此在定長剪切的精度上會有所不及，僅能達到10mm以內。不過，對于本機組來說，其精度完全在可接受的范圍之內，在經濟型上則是大大優于T400和FM458的方案。因此還是有極大的參考和推廣價值。

［1］何巍巍,沈士蒽.曲柄連桿式飛剪的運動學分析[J].冶金設備，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.飛剪速度基準的研究[J].東北大學學報:自然科學版，2003（12）.