淺談高速倍尺飛剪的控制方案

王盈 張寶青

【摘 要】隨著冶金行業不斷的發展與進步，對于設備的性能提出了更高的要求，目前國內棒材生產線倍尺飛剪切分系統僅能提供最高15m/s的剪切速度，但對于軋機設備本身可提供最高大于40m/s的生產速度，這樣相對落后的飛剪系統就成為了軋鋼生產過程中的瓶頸。鑒于此，本文著重講述了更高性能倍尺飛剪的設計基本理念，以期能夠更好的提高我國冶金行業的競爭優勢。

【關鍵詞】高速飛剪；軋鋼；棒材；電氣自動化技術

1.概況

目前國內冶金市場產能過剩已經成為不可爭議的事實，在國內棒材市場逐漸飽和的大市場環境下，軋鋼車間節約成本就顯得尤為重要。飛剪在生產棒材的軋鋼車間是一種非常重要的設備，飛剪的主要作用是在棒材軋線末架軋機后， 工件上冷床之前， 根據冷床的長度及所生產產品的定制長度， 把軋線出口的棒材成品按照所需定尺的倍數（最終成品長度為定尺長度，飛剪按照定尺的倍數來切分成品，稱為倍尺長度）剪切分段以方便停放在冷床上。為了提高成材率減少廢料，對于倍尺飛剪應具備超高的剪切精度以及極快的剪切速度，因為倍尺飛剪的剪切速度如與棒材速度不匹配會造成棒材在飛剪剪切過后出現彎頭彎尾現象，造成廢料產生。故而國內的很多生產線的生產效率受到了飛剪最大剪切速度的局限，無法提高棒材生產線出口產品的線速度。目前國內常見棒材生產線的出口速度為6m/s～14m/s，如能提高棒材出口速度將大大提高生產效率，給企業節約成本，讓企業在市場競爭中獲得更強的競爭力。

目前市面上主要使用的倍尺飛剪有 3種結構形式。

a.離合式

本飛剪主要由電機、減速機、離合器構成，根據離合器不同又可以細分為液壓、氣動、電磁等形式。在工作過程中電機本身長期運轉，飛剪本體長期靜止，電機本體經過離合器、減速機與飛剪本體連接。在需要剪切時根據飛剪本體所裝的傳感器信號（接近開關、編碼器等）通過PLC程序控制離合器的分斷，來控制飛剪本體動作。

離合式飛剪的優點是電機功率較小，缺點是離合制動機構受到的沖擊大，易損壞，維修工作量大。

b.電機啟停式

本飛剪主要結構是直流電機與飛剪本體直接連接，通過直流調速器控制飛剪在剪切瞬間進行電機啟?？刂?，這種形式的飛剪是目前普遍采用的飛剪結構。這種結構的飛剪一般剪切速度能達到14m/s～15m/s。

該產品的優點是沒有機械式啟停結構，而是通過電流對電機進行啟?？刂?，這樣的控制方式穩定性高，不像離合剎車結構對設備沖擊大，故障率低，維護容易。但是缺點也很明顯，因為要求電機在瞬間就能達到剪切速度，所以電機功率及過載倍數選型較大，一般在達到15m/s的剪切速度后很難突破，無法進一步提高生產效率。

c.旋轉式

本類型飛剪是本文著重介紹的產品，該飛剪采用直流電機常轉、剪切時由伺服機構送料至剪切位剪切的方式工作?，F國內該設備主要提供商為德國西馬克、意大利達涅利、美國摩根，剪切速度可達40m/s，廣泛應用于高速棒材生產線，但由于技術壟斷，價格較高，投資回收周期較長。

本產品的優點是由于飛剪不需要瞬間加速到剪切速度，所以對于直流電機的功率選型較小，同時更容易實現更高的剪切速度。而本產品的主要難度在于伺服機構要求響應速度較快，必須在飛剪旋轉2圈時間內將棒材從安全區域進給到剪切區域，所以調試較傳統產品相對復雜，但是調試正常后可靠性依然很高。

2.基本系統配置與控制原理

HSC通道要求：設計剪切速度40m/s，軋輥直徑為360mm，編碼器每圈輸出360計數脈沖，估算碼盤脈沖頻率約為12738HZ。根據以上參數進行PLC選型，采用西門子S7-300 313C CPU作為飛剪主PLC。伺服機構采用西門子S7-200和 EM253進行控制，以達到高速響應的目的。飛剪主電機采用西門子6RA70進行直流調速控制。伺服驅動器采用臺達高性能ASDA-B2系列伺服電機與驅動器組合，以滿足系統對于伺服電機高速響應的要求。

基本工作流程：工件從末架軋機出口被熱金屬檢測器檢測到，將信號傳給PLC，HSC高速計數通道清零當前計數脈沖并重新開始計數，該計數脈沖值可根據軋機軋輥的周長換算成棒材行走的長度，通過比較當前長度與目標長度進行飛剪剪切動作。

剪切動作：飛剪主PLC給出飛剪剪切信號至S7-200 CPU 由EM253模塊發送位置脈沖控制伺服機構動作，此時伺服擺桿機構指向第一通道，在飛剪離剪切還有兩整圈時，擺桿開始動作向剪切點靠攏，在飛剪刀片重合時由于伺服的精密控制此時棒材正好行走到飛剪的剪切區域，此時剪斷棒材后伺服繼續向后運動并離開剪切區域，最后指向第二通道。再次剪切重復以上動作并由第二通道反向擺回第一通道，周而復始不斷循環。

飛剪調速控制：飛剪本體旋轉一圈劃分為360度，飛剪刀片重合時，飛剪接近開關信號恰好為ON。并且清零飛剪角度脈沖，故認為飛剪刀片重合時為零度。

由于軋機編碼器反饋給PLC的數值可計算出鋼筋已經經過熱檢的長度并計算出飛剪合理角度，將飛剪合理角度與當前角度進行比較，并用系數加權進行PID調速控制，保證剪切時的長度正好為設備中預先設置好的剪切長度。

3.詳細控制方法

假設熱檢所在位置為A點， 當 工 件到 達 A 點 ， 熱 檢H1信號輸出， HSC模塊開始為棒材長度計數（由軋機編碼器P1提供長度信號）。假設工件前進的速度為V1，目標剪切長度為Lm，飛剪旋轉速度為V2。因為飛剪速度要與棒材速度一致，故飛剪調整的目標速度為飛剪速度與棒材速度相匹配V1等于V 2。從 B點開始考慮飛剪的計算與調節， 由HSC計數值計算得出棒材已經經過B點的行程為 L x。

剩余未走完長度L=Lm-Lx

飛剪電機編碼器P2可測量飛剪剪刃的角度與速度 。設上下剪刃相切時的位置為角度零點。飛剪上剪刃與零位夾角為 α ， 下剪刃與上剪刃步調一致無需額外考慮，其位置完全與上剪刃同步且對稱。設飛剪周長為C則飛剪當前調整的的目標角度β為：

β=360*MOD（L/C）

根據飛剪目標角度與實際角度的偏差通過PID控制算法可得飛剪當前速度計算公式：

V=V2*K*[1+（α-β）/180]

其中K為PID調節中的增益系數，可在調試過程中根據設備工作情況適度調整系數大小，達到系統快速響應的目標并能保持系統穩定。

系統在工作過程中始終按照上述公式進行調整，剪切后的長度即為設定長度 L m。實際工作中， 每次飛剪剪切成功，由飛剪本體接近開關信號清零棒材長度的計數值，飛剪重新判斷位置并繼續調整?？刂葡到y在運動中始終不斷根據偏差調節電機的速度， 從而實現飛剪不斷重復剪切出設定長度Lm的目的。

簡單的說就是控制系統根據 α和 β 的偏差， 通過增大或減小飛剪驅動電機的速度， 使α角度逼近β位置。當α角 度 等 于β值 時， 只 要 維 持 V 1=V 2， 即飛剪剪刃線速度 V 2始終跟隨工件的速度 V 1， 直到剪切位置， 則最終剪切工件長度即為設定長度L m。

為了提高剪切精度， 在編寫控制系統的軟件時， 還應考慮以下的測量校正與補償。因為P 1編碼器得到的計數值， 并不完全表示工件的行程。在軋制過程中工件變形造成的超前或滯后， 使得軋輥的線速度與工件的線速度并不完全相等， 使 P 1計數值得到的工件長度不準確，在程序算法中應進行補償。 僅僅采用理論計算來補償， 影響計算的因素太多， 如軋輥磨損、 輥縫大小、 軋制速度、 軋件溫度等， 很難進行精確補償， 難于得到準確值。

故應采用簡 單 的 方 法在 飛 剪 后 設補償用熱金屬檢測器H2。工件前端經過H2時鎖存當前長度計數值，用于與H1＼H2兩個熱檢實際距離進行比較，即可校正工件在行走中產生的長度誤差。

4.結論

以上所述方法可以使飛剪剪切速度達到30m/s～40m/s，并且剪切精度提高達到±30mm，大大提高棒材生產效率，為企業節約成本，提高產能，使企業在市場競爭中獲得更強的競爭力。

參考文獻：

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