河鋼唐鋼信息自動(dòng)化部 楊 勛

冷軋連退線圓盤剪自動(dòng)控制與優(yōu)化

河鋼唐鋼信息自動(dòng)化部 楊 勛

冷軋連退生產(chǎn)線的出口區(qū)域都會(huì)裝備了一套圓盤剪設(shè)備。連退生產(chǎn)線鋼帶切邊是非常重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，它會(huì)直接決定連退線出口產(chǎn)品的質(zhì)量，如果設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定或操作不當(dāng)還會(huì)影響整條生產(chǎn)線的節(jié)奏及產(chǎn)量。本文著重介紹了連退線圓盤剪的剪切原理、控制方案及做的重要優(yōu)化。

1.圓盤剪的剪切原理

圓盤剪的刀片呈圓盤狀，它的主要特點(diǎn)是通過(guò)的一對(duì)圓盤剪刃剪切在運(yùn)行中的帶鋼。為了提高連退線產(chǎn)品剪切質(zhì)量，就要重點(diǎn)關(guān)注影響圓盤剪剪切力和剪切質(zhì)量的要點(diǎn)，即圓盤剪上下剪刃的重合量、間隙、控制穩(wěn)定性、精確性等。

圓盤剪主要由固定底座、寬度調(diào)整裝置、機(jī)架旋轉(zhuǎn)臺(tái)、切邊剪、廢邊碎斷裝置、剪縫調(diào)整裝置等組成。除固定底座和寬度調(diào)整裝置外，其余均可分為操作側(cè)和驅(qū)動(dòng)側(cè)兩個(gè)機(jī)架，兩部分的構(gòu)造和功能完全相同，左右對(duì)稱。在固定底座上安裝有導(dǎo)軌，滑動(dòng)底座安裝在導(dǎo)軌上面，可左右滑動(dòng)對(duì)剪切寬度進(jìn)行調(diào)整。機(jī)架旋轉(zhuǎn)臺(tái)安裝在滑動(dòng)底座上，所有的剪刃及其剪縫調(diào)整裝置均安裝在機(jī)架旋轉(zhuǎn)臺(tái)上。

圖1 圓盤剪結(jié)構(gòu)示意圖

圓盤剪是由上下錯(cuò)位、垂直的兩片圓形刀片組合而成的。在工作時(shí)，根據(jù)產(chǎn)線中帶鋼的厚度及寬度，調(diào)節(jié)兩個(gè)圓盤剪刃之間的重疊量和間隙。調(diào)整到合適的數(shù)值后，刀片會(huì)給通過(guò)剪刃間的帶鋼施以一定的剪切力，使帶鋼與刀片接觸區(qū)域發(fā)生變形。隨著咬入深度的增加，帶鋼的變形量也會(huì)隨之增加。當(dāng)變形量達(dá)到一定程度時(shí)（一般為帶鋼厚度的1/4～3/4）受壓部分就從原板上斷裂。從而就能剪切帶鋼的邊部。

2.圓盤剪自動(dòng)控制系統(tǒng)

為了保證圓盤剪的穩(wěn)定、高效、精確運(yùn)行，連退線圓盤剪自動(dòng)控制系統(tǒng)采用了性能領(lǐng)先的西門子S7—400 PLC和SINAMICS系列變頻驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品。

2.1 圓盤剪的定位控制

圓盤剪的控制程序完全集成在出口順控PLC里，通過(guò)接受二級(jí)及MRG的帶鋼厚度、寬度、線速度及控制字等，同時(shí)監(jiān)控圓盤剪區(qū)域設(shè)備的狀態(tài)，操作工可以通過(guò)HMI和本地操作臺(tái)對(duì)圓盤剪進(jìn)行操作，HMI的組態(tài)軟件為Wincc，可以顯示圓盤剪的各種參數(shù)、選擇控制模式、修改設(shè)定參數(shù)等。操作臺(tái)用于對(duì)圓盤剪各個(gè)設(shè)備及其功能的操作，共有3種可選模式：全自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)。PLC通過(guò)采集編碼器的數(shù)值對(duì)圓盤剪剪刃的重疊量、間隙、圓盤剪寬度、碎邊剪寬度等進(jìn)行精確的定位控制，程序根據(jù)實(shí)際位置和設(shè)定位置的偏差，算出相應(yīng)的調(diào)整電機(jī)的速度設(shè)定值，當(dāng)位置偏差較大時(shí)，速度輸出較大，偏差小時(shí)則降低調(diào)整電機(jī)的速度以實(shí)現(xiàn)精確定位。變頻電機(jī)的控制系統(tǒng)也配有測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的速度編碼器，這樣作為調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)就在位置和速度雙閉環(huán)的模式下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)精確定位。

2.2 自動(dòng)換邊控制

自動(dòng)換刀功能由3個(gè)順序控制實(shí)現(xiàn)，程序編譯在出口順控PLC內(nèi)。當(dāng)操作工給出換刀指令時(shí)，圓盤剪各個(gè)設(shè)備按以下順序執(zhí)行：首先將工作位的重疊量完全打開，然后圓盤剪機(jī)架向外移出到最大位置，到位后機(jī)架鎖緊銷打開，旋轉(zhuǎn)臺(tái)開始做1800旋轉(zhuǎn)，備用側(cè)與工作側(cè)轉(zhuǎn)換完成后鎖緊銷關(guān)閉，機(jī)架移入到設(shè)定寬度，到位后調(diào)整剪縫至設(shè)定值，生產(chǎn)線啟動(dòng)。

3.圓盤剪剪刃旋轉(zhuǎn)電機(jī)軟化控制

圓盤剪剪刃旋轉(zhuǎn)電機(jī)的額定功率偏小，自主調(diào)節(jié)能力較差，容易受到帶鋼影響，因此該電機(jī)經(jīng)常報(bào)電機(jī)過(guò)流或過(guò)溫故障。為了降低電機(jī)報(bào)警的次數(shù)保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行，增加伺服電機(jī)的軟化控制。連退線的圓盤剪剪刃調(diào)整電機(jī)是由西門子SINAMICS S120系列變頻器驅(qū)動(dòng)的1PH81系列伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)刀頭旋轉(zhuǎn)的。伺服控制模式下沒有激活軟化控制功能，因此需要編程增加該功能。編程過(guò)程如下：

圓盤剪剪刃旋轉(zhuǎn)電機(jī)的主速度設(shè)定分為兩部分，P1155和P1160,兩部分的絕對(duì)值相加即得到主速度設(shè)定值。P1155參數(shù)連接的為基礎(chǔ)自動(dòng)化發(fā)給傳動(dòng)的速度設(shè)定值，即為帶鋼運(yùn)行的線速度值，由于傳動(dòng)控制器只能接收轉(zhuǎn)速形式的速度設(shè)定值，因此基礎(chǔ)自動(dòng)化要根據(jù)減速比和剪刃的直徑來(lái)折算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速值N。

N=VL*i/πD

N為電機(jī)轉(zhuǎn)速；

VL為連退線的帶鋼線速度；i為電機(jī)齒輪箱的減速比；D為圓盤剪的剪刃直徑；

在此公式的基礎(chǔ)下，剪刃電機(jī)會(huì)得到精確的轉(zhuǎn)速設(shè)定來(lái)匹配線速度運(yùn)行。但是，當(dāng)速度存在些許偏差時(shí)，電機(jī)額定功率很小，會(huì)被動(dòng)的跟隨帶鋼的運(yùn)行速度，這就會(huì)造成電機(jī)負(fù)擔(dān)明顯加重。

TQ=TP+Ti

TQ為電機(jī)的總轉(zhuǎn)矩輸出；

TP為電機(jī)轉(zhuǎn)矩的比例部分；

Ti為電機(jī)轉(zhuǎn)矩的積分部分。

當(dāng)存在速度偏差Δ時(shí)，TP=ΔV*P，Ti=∫ΔV（t）dt，根據(jù)公式可得出TP常量，而Ti會(huì)隨著時(shí)間t的增加而累計(jì)，這就會(huì)導(dǎo)致TQ累計(jì)增大。從而引發(fā)電機(jī)過(guò)電流或者定子溫度過(guò)高。軟化控制就是弱化ΔV對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出的影響。這就用到了速度設(shè)定中的領(lǐng)一個(gè)參數(shù)P1160。參數(shù)編程如下：

P1160=r20111，r20110.1=r1482，r20110.2=P2900，P20112=1，P20113=270，P2900=-0.5%。程序的意義為，把P1160設(shè)置成一個(gè)動(dòng)態(tài)的數(shù)值r20111,該數(shù)值為r20110.1與r20110.2的乘積即為讓P1160=r1482*P2900=-0.5%*Ti。

NTOTAL=P1155+P1160=N-0.5%*Ti，當(dāng)控制系統(tǒng)中存在ΔV時(shí)，Ti會(huì)隨著t的增加而累計(jì)增大，從而NTOTAL會(huì)相減小速度偏差的方向偏移，使ΔV減小直到ΔV=0達(dá)到一個(gè)新的動(dòng)態(tài)平衡，從而有效的減少了TQ值，進(jìn)而避免的電機(jī)過(guò)電流及電機(jī)過(guò)溫的報(bào)警。

4.結(jié)論

冷軋連退線圓盤剪具有自動(dòng)刀、自動(dòng)調(diào)整剪縫的功能，并且增加了剪刃旋轉(zhuǎn)電機(jī)的軟化控制功能，可在僅全線出口停機(jī)的情況下快速更換剪刃，使生產(chǎn)節(jié)奏更順暢，減少了設(shè)備的負(fù)擔(dān)，節(jié)省了維護(hù)時(shí)間，提高了連退生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力。