棒材飛剪的自動化控制研究

張國強(qiáng)

（河鋼股份有限公司承德分公司 河北省釩鈦工程技術(shù)研究中心，河北 承德 067000）

飛剪是棒材軋制的關(guān)鍵設(shè)備，其精度直接影響著棒材產(chǎn)品的質(zhì)量，也是滿足高端客戶需求的關(guān)鍵，所以飛剪設(shè)備越來越受到了技術(shù)人員的重視，成為了技術(shù)人員關(guān)注的焦點(diǎn)。基于飛剪設(shè)備技術(shù)的復(fù)雜，對技術(shù)人員的專業(yè)技術(shù)要求很高，這也需要技術(shù)人員持續(xù)提升專業(yè)技術(shù)水平，不斷提升對飛剪設(shè)備的掌控能力，確保飛剪設(shè)備最大限度發(fā)揮效能，更好地服務(wù)生產(chǎn)。

1 概述

在冶煉金屬的過程中，常常用到飛剪機(jī)這一關(guān)鍵工具，該設(shè)施跟別的剪切機(jī)不一樣，飛剪機(jī)可以辨識正在加工運(yùn)作的軋件并將其剪開，別的剪切機(jī)僅僅用來剪開停下不動的軋件。在進(jìn)行棒材軋制時，要求飛剪機(jī)必須具備高精準(zhǔn)度。飛剪機(jī)主要是用來掌控電動機(jī)與液壓體系，因?yàn)檫@兩個設(shè)備的慣性非常小，運(yùn)轉(zhuǎn)的速度又很快，所以必須把周期掌控在2ms～20ms，比如電力系統(tǒng)中的設(shè)施與過程掌控數(shù)據(jù)（電流、轉(zhuǎn)速等）不能超過20ms。該周期跟熱工參數(shù)前提下的冶煉鋼鐵的自動化比較而言，掌控周期超過了20倍。運(yùn)用軋機(jī)進(jìn)行加工時，其自動化設(shè)備必須能夠及時刷新相關(guān)數(shù)據(jù)。這其中的各項(xiàng)掌控任務(wù)都是互相作用的，它們同時參考運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，所以必須及時刷新每個子站與每個CPU的信息。掌控軋鋼飛剪機(jī)必須做到三點(diǎn)。第一，同步。我們知道剪刃是在軋件加工時進(jìn)行剪切，因?yàn)榧羧惺歉鴿L筒軸和曲柄軸同時運(yùn)轉(zhuǎn)的，要讓剪刃和運(yùn)轉(zhuǎn)著的軋件的水平速度保持一致，就得準(zhǔn)確掌控剪刃的水平分速度。正常來說，剪刃的水平分速度比軋件的速度稍微高一些。剪刃的水平分速度如果跟不上，就會導(dǎo)致剪刃受到損傷造成生產(chǎn)事故。而剪刃的瞬時分速度要比軋件的速度高出很多，所以剪刃就出現(xiàn)了針對軋件的拉應(yīng)力，從而造成了拉鋼，降低了鋼材的合格率。

第二，規(guī)格與質(zhì)量。因?yàn)槌善返某叨群蜆?biāo)準(zhǔn)不一樣，客戶的需求也不一樣，所以剪切軋件的時候應(yīng)該注意合乎要求與規(guī)范。產(chǎn)品的質(zhì)量和精確程度也必須符合規(guī)范。第三，生產(chǎn)率。掌控飛剪機(jī)的速度時要注意跟另外的設(shè)施保持一致。如今掌控飛剪機(jī)的水平持續(xù)提高，并逐步過渡到降低成本的需求上來。因此，進(jìn)一步準(zhǔn)確、細(xì)致地掌控飛剪機(jī)，提升當(dāng)前的掌控規(guī)格，能夠促進(jìn)后期軋鋼過程中自動化技術(shù)的全面提高。

2 系統(tǒng)硬件和網(wǎng)絡(luò)配置

起停式的飛剪掌控體系主要包括PLC掌控體系、現(xiàn)場與HMI操作體系以及動力體系。其中潤滑模塊屬于PLC掌控。自動化掌控體系通過SIEMENS公司S7系列PLC與WINCC人機(jī)接口監(jiān)控體系（HMI）構(gòu)成。PLC掌控體系主要是用來收集并掌控信息，HMI系統(tǒng)主要用來改正并監(jiān)控信息。動力體系運(yùn)用了西門子SIMOVERT6SE70變頻器，通過整流單元與逆變器構(gòu)成動力體系。

10KV高壓母線經(jīng)三繞組降壓變壓器后導(dǎo)出來兩條輸入線路，一條是主輸入線路，一條是從輸入線路，它們在通過整流柜后聚集到直流電壓母線排上，逆變器設(shè)備連在直流電壓母線上。從1#軋機(jī)到3#軋機(jī)并1#飛剪一起使用一個整流柜與制動單元柜，從4#軋機(jī)直到7#軋機(jī)一起使用一個整流柜與制動單元柜，從8#軋機(jī)直到10#軋機(jī)并2#飛剪一起使用一個整流柜與制動單元柜。采用把逆變器連在直流電壓之間回路的策略能夠節(jié)省許多網(wǎng)側(cè)元件，比如說斷路器、接觸器以及交流電抗器等，全部的動力設(shè)備在同一個時間停止的時候，只需要一個制動單元和電阻回路，節(jié)約了空間。

在動力系統(tǒng)發(fā)電時，另外的逆變器就能經(jīng)中間回路展開能量置換，很大程度上節(jié)約了能源并且降低了整流部分的容量。各飛剪都專門準(zhǔn)備一個300CPU的PLC，系統(tǒng)傳遞信息大多通過工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP這兩個方式。從PLC模塊CP343-1以太網(wǎng)接口卡的RJ45連接處把兩個PLC連在電氣室的交換機(jī)上，兩個HMI操作屏從網(wǎng)口連在操作室里面的交換機(jī)上，兩個交換機(jī)全部連在軋線體系的交換機(jī)上，從而構(gòu)成了具有較強(qiáng)聚集力的自動化掌控體系。各飛剪的PLC都設(shè)置了三個框架，即PLC柜、觸摸屏與現(xiàn)場操作柜，把這三個框架通過總線連接器和逆變器柜的PFB網(wǎng)卡以DP電纜連在一起，構(gòu)成了PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)體系。

3 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)組件

通過PLC和傳動變頻器掌控全部生產(chǎn)工藝，若要使掌控水平達(dá)到非常精準(zhǔn)的地步，應(yīng)該運(yùn)用T400專門使用的控制板，PLC應(yīng)該采購西門子CPU317-2DP，它的精準(zhǔn)度和功效跟傳統(tǒng)的CPU315-2DP比較而言更勝一籌，如果一個是以太網(wǎng)的接口，一個是DP的接口，那么就采用2PN/DP，接線的過程中一定不要把線路混雜在一起。還有另外的一些輔助功能塊，例如FB841能夠掌控潤滑油，F(xiàn)B865能夠掌控廢棄材料的集中，同時掌控體系也包含一部分掌控飛剪地點(diǎn)和速度的模塊。如功能塊FB820能夠掌控動力，以掌控分合閘的方式掌控全部傳動工作，并把一部分掌控時的信息迅速傳送給CPU。

3.2 飛剪速度位置控制

功能塊FB903能夠掌控飛剪的速度和具體剪切點(diǎn)，以角度的方式來標(biāo)明剪刃的定點(diǎn)，剪刃運(yùn)轉(zhuǎn)的一個周期為360°，規(guī)定剪刃豎直向下的時候是0°，那么剪刃開始運(yùn)轉(zhuǎn)起點(diǎn)為逆時針方向旋轉(zhuǎn)60°，如果剪刃的定點(diǎn)出現(xiàn)了特殊情況，就能通過掌控體系來將它恢復(fù)到原來的位置，并且為了防止發(fā)生故障，在剪刃上還附加上了通過手動來進(jìn)行調(diào)節(jié)的設(shè)置，在剪刃進(jìn)行加速運(yùn)行的過程中，達(dá)到逆時針315°時，飛剪的速度慢于軋件的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，在剪刃運(yùn)行到30°的時候，它的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況相對平穩(wěn)，此時它的速度和軋件保持一致，也許會稍微比軋件速度快一點(diǎn)，在結(jié)束剪切以后，剪刃會慢慢降下速度然后恢復(fù)到原來的起點(diǎn)位置。通過PLC加以掌控，就能夠結(jié)合現(xiàn)場的工作要求，任意選取其中一個出口機(jī)架的軋件運(yùn)轉(zhuǎn)速度當(dāng)成依據(jù)，得出軋件的速度，再調(diào)節(jié)剪刃的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。掌控角度的時候，應(yīng)該通過T400控制板來進(jìn)行精準(zhǔn)掌控，在PLC和動力設(shè)備之間轉(zhuǎn)換信息，先運(yùn)算PLC收到的信息，然后用角度的方法標(biāo)明，再反應(yīng)到現(xiàn)場HMI的顯示器里。

3.3 剪切長度控制

結(jié)合對剪切的要求，應(yīng)該相應(yīng)地掌控切頭、分段和切尾，并運(yùn)用不一樣的控制模塊來實(shí)施掌控，防止這些不同的控制模塊產(chǎn)生影響，也方便維護(hù)人員進(jìn)行維修和保護(hù)。先用熱金屬探測器精準(zhǔn)確定頭部的位置，同時運(yùn)用長度脈沖當(dāng)量來校對數(shù)據(jù)。如果飛剪從開始運(yùn)轉(zhuǎn)到和軋件的運(yùn)轉(zhuǎn)速度一樣時經(jīng)歷的時長為t1，全部剪切結(jié)束的時長是t2，那么運(yùn)算剪切長度的時候應(yīng)該從飛剪開始運(yùn)轉(zhuǎn)到結(jié)束全部剪切用的時間t1+t2作依據(jù)。再把飛剪出的產(chǎn)品運(yùn)用FC808加以運(yùn)算和校對，并且要注意其他因素可能會制約剪切的精準(zhǔn)程度。例如冷縮率和倍尺根數(shù)等，再結(jié)合分段長度、修正長度和熱金屬探測器到剪切點(diǎn)的距離得出剪切的長度。同時運(yùn)用T400工藝板，能夠防止剪刃進(jìn)行加速的時候發(fā)生偏差，還能隨時調(diào)節(jié)剪切的長度，防止發(fā)生故障，大大提升了剪切的精準(zhǔn)程度和生產(chǎn)速度。

3.4 現(xiàn)場人機(jī)操作

以操控現(xiàn)場終端來設(shè)置功能和數(shù)據(jù)，能夠同時設(shè)置速度和長度，選取相應(yīng)的功能和測量的方法，并且自動檢測并報警的功能把動力問題和系統(tǒng)問題迅速給予提示，使技術(shù)人員盡快加以檢修。

4 結(jié)語

總之，以充分利用PLC的強(qiáng)大功能為基礎(chǔ)的自動化控制，并結(jié)合以調(diào)速裝置為核心的過程控制將成為飛剪機(jī)控制系統(tǒng)的主流方向。相信在未來的發(fā)展過程中，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，軋鋼自動化水平也將取得更加快速的發(fā)展，并為鋼鐵工業(yè)提供更加廣闊的發(fā)展空間，帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。