馮展國(guó)

(寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司 上海201900)

滾切式雙邊剪的自動(dòng)化控制

馮展國(guó)①

(寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司 上海201900)

通過使用西門子PCS7系統(tǒng)，針對(duì)6SE70變頻調(diào)速裝置的進(jìn)行主令速度控制，實(shí)現(xiàn)滾切式雙邊剪夾送輥夾送鋼板精確控制要求，同時(shí)對(duì)主剪和夾送輥運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行了詳細(xì)分析，并通過比較使用FM458控制夾送輥的控制方式，給出了一種優(yōu)化的控制方式。

雙邊剪 主剪控制 夾送輥控制 脫離FM458的PLC控制方式

1 引言

配合2010年上海世博會(huì)建設(shè)，上海浦東鋼廠整體搬遷，其中一部分搬遷到新疆八一鋼鐵集團(tuán)成立了八鋼中厚板廠。該廠2011年新上一臺(tái)西馬克式滾切式雙邊剪，代替了原有搬遷而來的擺切式雙邊剪[1]。需要為新雙邊剪配套PLC及傳動(dòng)控制系統(tǒng)，并編寫相應(yīng)的控制軟件[2][3]來充分發(fā)揮設(shè)備設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力，實(shí)現(xiàn)精確控制、高產(chǎn)量、高質(zhì)量切口的“一鍵式”剪切生產(chǎn)。

2 雙邊剪的主要電氣設(shè)備及控制流程

雙邊剪機(jī)組中，夾送輥夾持鋼板，通過快速啟停，將鋼板送到主剪刀下，控制主剪刀的剪切時(shí)機(jī)，在鋼板靜止時(shí)進(jìn)行迅速切邊。該過程設(shè)備運(yùn)行精度要求高，響應(yīng)速度極快。

通過對(duì)比直流調(diào)速和交流調(diào)速的優(yōu)缺點(diǎn)，不采用6RA70直流調(diào)速[4][5]，而使用更易維護(hù)且性能能滿足要求的交流6SE70變頻裝置。

共設(shè)八個(gè)夾送輥，每個(gè)夾送輥配一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，對(duì)應(yīng)有一個(gè)西門子6SE70變頻裝置進(jìn)行傳動(dòng)控制。夾送輥分布在雙邊剪前后及兩側(cè)，呈對(duì)稱布置，機(jī)組出入口各四臺(tái)，下側(cè)的兩個(gè)夾送輥通過機(jī)械軸硬連接同步，上側(cè)兩個(gè)夾送輥之間不設(shè)同步軸，完全通過電氣控制實(shí)現(xiàn)同步。

主剪相對(duì)鋼板走向?qū)ΨQ布置，每側(cè)的主剪和碎邊剪通過機(jī)械結(jié)構(gòu)聯(lián)鎖運(yùn)行，動(dòng)力來源于2臺(tái)主剪電機(jī)，每臺(tái)主剪電機(jī)通過一臺(tái)6SE70變頻裝置驅(qū)動(dòng)。其中一側(cè)剪房可根據(jù)鋼板寬度進(jìn)行移動(dòng)。

八一鋼廠中厚板廠的工藝流程如下：

板坯加熱爐——粗軋機(jī)、精軋機(jī)軋制——ACC冷卻——矯直機(jī)矯直——冷床冷卻——磁力對(duì)中——雙邊剪切邊——切頭剪進(jìn)行定尺剪切——成品入庫。

具體到雙邊剪控制流程如下：

磁力對(duì)中完成——按下自動(dòng)剪切按鈕——根據(jù)L2傳來的當(dāng)前鋼板的厚度，PLC自動(dòng)迅速檢查主剪剪刃間隙，碎邊剪剪刃間隙是否合適，如果不合適自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整至合適——打開夾送輥——入口輥道送鋼板進(jìn)入入口夾送輥處，夾送輥跟隨入口輥道的速度給定運(yùn)轉(zhuǎn)——PHR1傳感器檢測(cè)到鋼板到達(dá)后，鋼板停止輸送——夾送輥壓下，啟動(dòng)主剪——根據(jù)設(shè)定的剪切頻率，夾送輥及主剪以相應(yīng)的速度夾送、剪切鋼板。入口夾送輥在檢測(cè)到鋼板快要離開、出口夾送輥已經(jīng)夾緊鋼板進(jìn)行剪切后抬起，出口夾送輥在檢測(cè)到鋼板到達(dá)時(shí)壓下，在檢測(cè)到鋼板剪切完畢，離開主剪后抬起，為避免拖動(dòng)，此時(shí)出入口輥道跟隨夾送輥速度進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)；鋼板由出口輥道拉出到后續(xù)輥道，此時(shí)夾送輥跟隨出口輥道速度運(yùn)行。整個(gè)過程高度自動(dòng)化，通過PLC控制實(shí)現(xiàn)了“一鍵式”剪切。

3 夾送輥同主剪的速度匹配控制

主剪馬達(dá)可調(diào)速，但針對(duì)某種剪切頻率，主剪轉(zhuǎn)速是一定的。通過齒輪箱、曲軸連桿轉(zhuǎn)化為主剪刃的周期往復(fù)剪切動(dòng)作，碎邊剪跟隨進(jìn)行碎邊剪斷。把主剪刃一個(gè)周期定義為360o，那么對(duì)于各個(gè)點(diǎn)可定義如下圖1所示。

圖1 主剪運(yùn)行圓周圖

各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的工藝含義如下：

SB—開始剪切時(shí)間點(diǎn)，定義為零點(diǎn)；SE—剪切結(jié)束點(diǎn)；VB—可開始送鋼板；VE—到此處須停止送鋼板，使鋼板保持靜止；D—主剪刃上下刃間隙最大處(大約110mm)，也稱作“駐點(diǎn)”，為剪刃開口從變大轉(zhuǎn)化為變小的切換點(diǎn)；

OW—剪刃水平最高位置(上剪刃)；

VW—剪刃水平最低位置，換刀位。

那么對(duì)于夾送輥的夾送鋼板功能，需要在主剪刃抬起一定高度的安全區(qū)域內(nèi)，夾住鋼板迅速啟動(dòng)并在主剪刃落下前迅速停止。在剪切16刀/min的情況下，夾送輥須按照如下速度運(yùn)行,如圖2所示。

各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的控制含義如下：(以每次送板步長(zhǎng)1300mm為例說明)如圖2所示。

圖2 步長(zhǎng)速度對(duì)應(yīng)關(guān)系

4 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

4.1 概述

為了滿足高精度位置控制，以及高度自動(dòng)化的生產(chǎn)，此工程采用西門子PCS 7系統(tǒng)，該系統(tǒng)是完全無縫集成的自動(dòng)化解決方案，是西門子的DCS系統(tǒng)，基于過程自動(dòng)化，從傳感器、執(zhí)行器到控制器，再到上位機(jī)，自下而上形成完整的TIA(全集成自動(dòng)化)架構(gòu)。主要包括Step7、CFC、SFC、Simatic Net和WinCC以及PDM等軟件，組態(tài)對(duì)象選用S7-400高端CPU，PCS7中的OS中的很多模板和畫面都是在Step7中用CFC和SFC自動(dòng)生成的，變量記錄和報(bào)警記錄也都是由Step7中編譯傳送到WinCC中去的，并不需要象使用普通WinCC那樣手動(dòng)組態(tài)畫面、變量記錄和報(bào)警記錄[2]。

4.2 硬件配置和架構(gòu)

本工程采用S7-416-2DP，主要性能：內(nèi)置工作存儲(chǔ)1600KB字節(jié)，裝載存儲(chǔ)256K RAM,可擴(kuò)展RAM 64M，F(xiàn)EPROP 64M；處理能力：位操作和位指令最小0.08us，整數(shù)運(yùn)算指令最小0.08s，浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算指令最小0.48μs，定時(shí)器和計(jì)數(shù)器數(shù)量均為512個(gè)，F(xiàn)B和FC塊可用均為2048個(gè)，總I/O地址區(qū)16k字節(jié)/16k字節(jié)，數(shù)字量通道I/O:131072/131072個(gè)，模擬量通道I/O均為 8192/8192個(gè)[6]。

配備443-5 Profibus-DP通訊處理卡2快，443-1工業(yè)以太網(wǎng)通訊處理卡1快，急停型號(hào)采用400機(jī)架上配備IO模塊。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集采用ET-200M遠(yuǎn)程I/O站，通過Profibus-DP同CPU通訊。6ES70傳動(dòng)裝置、主要馬達(dá)的編碼器也采用Profibus-DP同CPU通訊[4]。CPU同其他CPU通訊用DP-COUPLER實(shí)現(xiàn)。工程師站W(wǎng)S、操作員站OS通過工業(yè)以太網(wǎng)同CPU通訊。預(yù)留了打印功能，未配置打印機(jī)。硬件架構(gòu)如圖3所示。

圖3 雙邊剪硬件架構(gòu)

4.3 軟件架構(gòu)和SCADA

SCADA軟件采用西門子PCS7系統(tǒng)，通過同PLC的高度集成，實(shí)現(xiàn)HMI人機(jī)交互功能。PLC軟件采用STEP7,用STL、CFC、SFC方式編制，HMI軟件為WinCC，PCS7集成的優(yōu)點(diǎn)在于在編制CFC/SFC時(shí)，可利用系統(tǒng)功能自動(dòng)生成WinCC畫面，并可根據(jù)其他要求進(jìn)行細(xì)致的修改完善。

5 脫離FM458的獨(dú)特的主令控制實(shí)現(xiàn)

5.1 一種新型的控制方式

西門子有一款代號(hào)FM458的專用處理器，以及相應(yīng)的編碼器模塊，可進(jìn)行高速采樣和高速控制。為了實(shí)現(xiàn)主令速度控制，雙邊剪控制系統(tǒng)可采用這套FM458系統(tǒng)[9]，但是經(jīng)過研究分析，本工程摒棄了FM458，轉(zhuǎn)而通過一個(gè)獨(dú)特的軟件架構(gòu)成功實(shí)現(xiàn)了步長(zhǎng)設(shè)定和主令速度曲線產(chǎn)生。其核心在于兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)分析，見表1。

5.2 實(shí)現(xiàn)方法

表1 兩種方案PLC配置對(duì)比

圖4 雙邊剪刀剪切動(dòng)作流程控制框圖

雙邊剪刀可實(shí)現(xiàn)的剪切頻率是16/20/24/28刀/min，通過和兩種步長(zhǎng)1050mm/刀，1300mm/刀的組合，一個(gè)可以產(chǎn)生8種剪切模式，完全可以滿足實(shí)際使用要求。并具備靈活的擴(kuò)展性，若有需要，可在這個(gè)基礎(chǔ)上開發(fā)出新的模式，限制是設(shè)備的機(jī)械響應(yīng)性能。事實(shí)證明，28刀/min的剪切速度下，夾送輥夾送能力已經(jīng)達(dá)到極限，設(shè)定1300mm/刀時(shí)夾送輥夾送距離只能達(dá)到1100mm，和1050mm/刀的步長(zhǎng)相差不大，而且在28刀/min的情況下跑偏幾率增大，得不償失，生產(chǎn)中一般不采用。

6 調(diào)試過程遇到的問題和以后研究方向

6.1 跑偏問題

因?yàn)殇摪灞旧沓叽?、兩?cè)夾送輥液壓壓下微小時(shí)間差及壓下力微小不同等原因，在一定情況下，鋼板會(huì)發(fā)生跑偏，并且通過夾送輥夾送，這種跑偏現(xiàn)象會(huì)被放大，進(jìn)而產(chǎn)生臺(tái)階型缺陷、牙簽型缺陷、沖板型缺陷，通過調(diào)整夾送輥同步準(zhǔn)確度，以及調(diào)整夾送輥的夾角，改變了鋼板兩側(cè)的受力不等的缺點(diǎn)，取得了良好的效果[7]。但是這種調(diào)整還不能做到在線實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整，下一步改進(jìn)研究方向是將8個(gè)夾送輥角度調(diào)整改進(jìn)為由變頻或伺服控制，在相對(duì)于夾送輥中心軸垂直的平面內(nèi)從橫向和縱向兩個(gè)方向調(diào)整，加入傳感器檢測(cè)鋼板跑偏情況，并建立數(shù)學(xué)模型，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)的控制方法，做到對(duì)鋼板跑偏的實(shí)時(shí)糾正。

6.2 夾送輥和夾送輥電機(jī)連接螺栓斷裂

因?yàn)榧羟羞^程，夾送輥高速啟動(dòng)停止，機(jī)械沖擊很大，試生產(chǎn)階段，幾乎每隔幾天就發(fā)現(xiàn)夾送輥螺栓全部切斷，經(jīng)過分析是由于每個(gè)螺栓受力不均勻，在大沖擊力下，會(huì)被“各個(gè)擊破”，后面經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)處理，換用高強(qiáng)螺栓，并通過一個(gè)環(huán)形金屬圈焊接成一個(gè)整體，大大改善了螺栓受力均勻狀況。從控制上，通過將變頻驅(qū)動(dòng)的速度輸出進(jìn)行優(yōu)化，使速度曲線更加平滑，減少轉(zhuǎn)矩、速度的微小突變，改善了外部作用的螺栓上的沖擊力。最終螺栓斷裂狀況大大好轉(zhuǎn)。

6.3 移動(dòng)側(cè)剪房的移動(dòng)馬達(dá)，主剪剪刃間隙調(diào)整馬達(dá)，碎邊剪剪刃間隙調(diào)整馬達(dá)均為恒速馬達(dá)，生產(chǎn)期間間歇運(yùn)行，存在控制精度低，調(diào)整速度慢的缺點(diǎn)，通過優(yōu)化控制，能基本滿足目前的要求。下一步研究方向是將這些馬達(dá)的控制改為變頻控制，進(jìn)而提高調(diào)整精度和速度，加快生產(chǎn)節(jié)奏。

7 結(jié)束語

2010年中冶京誠(chéng)總包的寶鋼中厚板雙邊剪工程從開始安裝到負(fù)荷試車成功，絕對(duì)工期80天，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)同類工程的最短記錄，八一鋼鐵公司滾切式雙邊剪從安裝到達(dá)產(chǎn)僅用62天，創(chuàng)造了新的記錄。滾切式雙邊剪的控制難度高，國(guó)內(nèi)能做好該系統(tǒng)軟件編程及調(diào)試的單位寥寥無幾，通過該項(xiàng)目證明寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)項(xiàng)目成員優(yōu)異的設(shè)計(jì)、編程和調(diào)試能力。這也是跟業(yè)主的大力配合分不開的。調(diào)試時(shí)間為2011年春節(jié)，利用了生產(chǎn)淡季，經(jīng)過近4年多以來的良好運(yùn)行，證明了設(shè)計(jì)的優(yōu)良，同時(shí)在以后的類似項(xiàng)目中，具有較強(qiáng)的借鑒意義。

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AutomaticControlofDoubleSidesRotaryTrimmingShear

Feng Zhanguo

(Baosteel Engineering & Technology Group Co., Ltd., Shanghai 201900)

Through the use of Siemens PCS7 system, with master speed control on 6SE70 variable frequency speed regulating devices, to achieve precision control requirements of double sides trimming shear′s pinch rollers on pinching steel plate, analyze main shear and pinch roll′,motion control in detail. And put forward a kind of optimization control method without FM458 module after compared several type control methods including the control method with FM458.

Double sider trimmer Main shear control Pinch roll control PLC control mode without FM458

馮展國(guó)，男，1979年出生，畢業(yè)于北京科技大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)，學(xué)士，工程師，從事電氣專業(yè)工作

TG333.21

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.05.009

2014-05-10)