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(shè)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(tǒng)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(xù)性，提高了生產(chǎn)效率。

1 飛剪控制系統(tǒng)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(fā)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(fā)飛剪的速度與加速度設(shè)定值，將飛剪的狀態(tài)反饋至HMI人機界面等。對飛剪電機的驅(qū)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(xiàn)精確閉環(huán)控制。

本機組飛剪控制系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 基于PLC的飛剪控制系統(tǒng)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(fā)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(chǎn)過程中，PLC根據(jù)需要在適當(dāng)?shù)臅r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(guān)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(jù)帶鋼的剪切位置提前計算好啟動時間點，當(dāng)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(jù)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(diào)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(xù)剪切，重復(fù)過程（3）和（4）；

6）若不再剪切，則過程（3）結(jié)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(shù)及長度可以通過L2級計算機或HMI下發(fā)。PLC根據(jù)剪切片數(shù)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(nèi)部實時計算并更新。

當(dāng)位于出口活套的焊縫檢測儀檢測到焊縫時，負(fù)責(zé)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(nèi)，以在合適時間點提前啟動飛剪。這樣就能保證當(dāng)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(shè)置有接近開關(guān)用于剪刃角度標(biāo)定。標(biāo)定的過程是：當(dāng)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(guān)，其信號由0變?yōu)?，PLC將剪刃的角度標(biāo)定為360°（剪刃逆時針旋轉(zhuǎn)）或0°（剪刃順時針旋轉(zhuǎn)）。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(biāo)定，只需要在離線狀態(tài)下人工啟動標(biāo)定程序進行一次標(biāo)定即可。以后剪刃每轉(zhuǎn)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(tǒng)采用增量型編碼器，剪刃每轉(zhuǎn)一周都必須通過接近開關(guān)信號進行標(biāo)定的做法，其優(yōu)點非常突出：由于接近開關(guān)信號僅僅是離線標(biāo)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(guān)誤信號導(dǎo)致的標(biāo)定故障，也降低了飛剪正常運行對接近開關(guān)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(yù)先由機組L2級計算機發(fā)送給PLC，或操作員通過HMI進行人工設(shè)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(guān)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(xiàn)定長剪切。這種控制方式的優(yōu)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(xiàn)。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(jié)束語

本連續(xù)退火機組自2012年投產(chǎn)以來，飛剪運行狀態(tài)一直比較穩(wěn)定良好，證明這套基于PLC的飛剪控制系統(tǒng)是完善可靠的。當(dāng)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(nèi)。不過，對于本機組來說，其精度完全在可接受的范圍之內(nèi)，在經(jīng)濟型上則是大大優(yōu)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(xué)分析[J].冶金設(shè)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(zhǔn)的研究[J].東北大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2003（12）.