張曉冬

（河鋼唐鋼設(shè)備機(jī)動(dòng)部，唐山樂亭，063000）

1 論文的研究背景及意義

飛剪一般安裝在軋機(jī)后面，對(duì)高速移動(dòng)的棒、線材的鋼頭、鋼尾進(jìn)行剪切，消除成材產(chǎn)品的不平齊、開裂，在棒、線材軋鋼過程中控制系統(tǒng)根據(jù)PLC讀取的信號(hào)啟動(dòng)電機(jī)，再根據(jù)飛剪上下游設(shè)備控制系統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速確定軋件與剪刃的相對(duì)位置和速度，通過相鄰上一架軋機(jī)位置脈沖碼盤開始計(jì)數(shù)，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的切頭長(zhǎng)度時(shí)啟動(dòng)飛剪，瞬間加速到給定速度進(jìn)行剪切，剪切完畢后快速回到初始位置。

為避免在棒、線材生產(chǎn)過程中因突發(fā)的設(shè)備故障或工藝事故，造成對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率的影響，一般情況下都配備兩臺(tái)不同形式的飛剪，兩臺(tái)飛剪的協(xié)調(diào)運(yùn)行對(duì)飛剪控制系統(tǒng)提出了更高的要求。因此研究飛剪控制系統(tǒng)對(duì)降低產(chǎn)線設(shè)備故障率，提高產(chǎn)線經(jīng)濟(jì)效益意義重大。

2 剪切過程對(duì)飛剪的要求

(1)當(dāng)飛剪剪切軋件頭時(shí)，軋件的速度應(yīng)大于等于飛剪剪刃在剪切方向的分速度，實(shí)現(xiàn)同步的速度進(jìn)行剪切，避免造成軋件彎曲、纏刀故障。

(2)當(dāng)飛剪剪切軋件尾時(shí)剪切速度在軋件運(yùn)動(dòng)方向的分速度應(yīng)小于等于軋件運(yùn)動(dòng)速度，使尾部有一個(gè)向后的拉力，實(shí)現(xiàn)尾部快速脫離，避免軋件拉斷事故的發(fā)生。

(3)當(dāng)軋件規(guī)格、運(yùn)行速度、產(chǎn)品化學(xué)成分、剪切長(zhǎng)度不同時(shí)，必須滿足剪切精度和質(zhì)量的要求

(4)因?yàn)榘?、線材軋制是一個(gè)高頻斷續(xù)、高速生產(chǎn)過程，且經(jīng)常性的過載運(yùn)行，造成電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)或停轉(zhuǎn)現(xiàn)象，為保證其設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，飛剪電動(dòng)機(jī)必須滿足調(diào)速、過載要求。

(5)為減少啟動(dòng)時(shí)間和速度的變化,提高飛剪剪切的靈敏性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和高定位精度。需降低剪切時(shí)各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的慣量值,

(6)飛剪控制系統(tǒng)應(yīng)盡可能的達(dá)到在剪切前段平直,在剪切過程中速度恒定,剪切完成后,剪刃迅速恢復(fù)到固定位置,不影響軋件自由通過。

3 飛剪的控制

飛剪傳動(dòng)裝置控制軟件結(jié)構(gòu)由主循環(huán)程序和中斷程序組成，中斷程序又分為勵(lì)磁回路中斷程序和電樞回路中斷程序，結(jié)構(gòu)程序如下：

(1)主循環(huán)程序在20ms周期內(nèi)完成掃描系統(tǒng)存儲(chǔ)器，并實(shí)現(xiàn)處理勵(lì)磁回路、電樞回路、PLC傳輸?shù)男畔ⅲ瑨呙鑀LC系統(tǒng)傳輸各種信號(hào)控制字和狀態(tài)字，診斷發(fā)生的故障及時(shí)輸出報(bào)警，計(jì)算電機(jī)反饋的各種信息，恢復(fù)裝置出廠設(shè)置值，刷新和優(yōu)化處理新設(shè)定的各項(xiàng)參數(shù)等功能。

(2)中斷程序包含勵(lì)磁中斷和電樞中斷兩種程序，是直流調(diào)速控制的核心。勵(lì)磁中斷控制程序的掃描周期是電網(wǎng)的周期的2倍多；具有處理勵(lì)磁電流、調(diào)節(jié)控制電動(dòng)勢(shì)、以及在回路控制中發(fā)出觸發(fā)脈沖功能；電樞中斷控制程序比勵(lì)磁中斷控制程序的掃描周期高許多的程序，具有高速相應(yīng)的功能。

(3)同步觸發(fā)信號(hào)從飛剪三相進(jìn)線的交流電源相位信號(hào)中獲取。一般情況下電源相序?yàn)檎龝r(shí)設(shè)定，從檢測(cè)電樞回路進(jìn)線取得的同步信號(hào)得到了三相進(jìn)線相位信號(hào)，該電壓就代表了電網(wǎng)的電壓，所以可不先檢查交流電源供電相序。因?yàn)榻?jīng)過放大器檢測(cè)同步電壓時(shí)有一定的衰減因，所以需要增加一個(gè)偏置電壓來補(bǔ)償，之后經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換。通過計(jì)算得到電網(wǎng)實(shí)際電壓的有效值，再與系統(tǒng)設(shè)定的欠電壓、過電壓參數(shù)相比較，來實(shí)現(xiàn)故障診斷以及實(shí)時(shí)報(bào)警。大多數(shù)處理器芯片的輸出脈沖信號(hào)是有系統(tǒng)經(jīng)過計(jì)算處理而得到的觸發(fā)脈沖各路的移相前沿和相對(duì)應(yīng)的開關(guān)量信號(hào)，要實(shí)現(xiàn)必要的調(diào)寬及載波調(diào)制則必須有芯片外部連接的硬件電路才可以實(shí)現(xiàn)，最后直接對(duì)主電路的晶閘管進(jìn)行觸發(fā)控制。

(4)轉(zhuǎn)矩極性的鑒別程序需要設(shè)計(jì)的核心部分包括了判斷變流器換向指令、零電流的檢測(cè)、鑒別轉(zhuǎn)矩極性等。將系統(tǒng)選通的變流器工作狀態(tài)和速度調(diào)節(jié)器輸出的極性來作為兩個(gè)標(biāo)志寄存器的位。當(dāng)系統(tǒng)程序運(yùn)行時(shí)，不時(shí)的判斷這兩個(gè)寄存器的相對(duì)應(yīng)位是否一致，不一致，進(jìn)行切換；一致，則不進(jìn)行切換。為使系統(tǒng)軟件和硬件共同實(shí)現(xiàn)零電流檢測(cè)，需將一對(duì)雙脈沖的觸發(fā)脈沖立刻進(jìn)行啟動(dòng)零電流檢測(cè)和封鎖，封鎖第二脈沖可迅速關(guān)斷已經(jīng)出現(xiàn)電流斷續(xù)的晶閘管。

(5)故障自診斷和報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控處理電網(wǎng)過壓、欠壓、缺相、電網(wǎng)頻率異常等故障，也可診斷回路保險(xiǎn)、冷卻風(fēng)機(jī)、SCR、通訊故障，監(jiān)控電機(jī)的電流、直流電機(jī)的熱過載保護(hù)，檢測(cè)位置編碼器的狀態(tài)、、晶閘管觸發(fā)狀態(tài)。

4 飛剪的自動(dòng)化控制

直流調(diào)速裝置和 PLC 系統(tǒng)之間的通訊網(wǎng)絡(luò)為 PR OFIBUS_DP，直流調(diào)速柜通過 CBP2 通訊板實(shí)現(xiàn)與 PLC 系統(tǒng)的通訊，其中電機(jī)合閘、啟停以及速度給定等都由 PLC 通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)來，同時(shí)傳動(dòng)柜側(cè)設(shè)備的狀態(tài)包括已合閘、就緒、故障、超速、過流以及設(shè)備的實(shí)際電流和轉(zhuǎn)速等都由網(wǎng)絡(luò)發(fā)回 PLC，如圖1所示。

圖1 PLC程序的控制字

5 飛剪控制算法

飛剪的運(yùn)動(dòng)是剪臂帶動(dòng)剪刃通過加速剪切，勻速剪切、減速制動(dòng)及精準(zhǔn)定位的一個(gè)復(fù)合性的過程，其中飛剪的啟動(dòng)、勻速、減速、停止的速度控制精度決定了飛剪的剪切精度。為使飛剪用最小沖擊力回到初始位置，應(yīng)用拋物線控制計(jì)算法可使飛剪在剪切完畢后可以準(zhǔn)確的回到初始位。

■5.1 飛剪的啟停控制算法

熱金屬檢測(cè)器 HMD 檢測(cè)到軋件時(shí)，相鄰上游機(jī)架脈沖碼盤開始計(jì)數(shù)，當(dāng)達(dá)到切頭設(shè)定長(zhǎng)度時(shí)啟動(dòng)飛剪，加速到設(shè)定速度時(shí)進(jìn)行切頭，然后降速并快速回到初始位置。在切尾前，熱金屬檢測(cè)器檢測(cè)到拋鋼時(shí),又啟動(dòng)飛剪進(jìn)行切尾，飛剪剪切過程如圖2所示。

圖2 飛剪的剪切過程

(1)手動(dòng)切頭（尾）

飛剪在生產(chǎn)異常或特殊情況時(shí)崗位人員能夠進(jìn)行手動(dòng)剪切（碎斷）操作。

(2)自動(dòng)剪切

當(dāng)熱金屬檢測(cè)器HMD檢測(cè)到鋼坯頭部或尾部時(shí)，還有PLC傳給的工藝要求的飛剪在WICC畫面中設(shè)定的剪切長(zhǎng)度以及超前系數(shù)、剪前軋機(jī)傳回的軋制線速度，T400根據(jù)這些計(jì)算得到飛剪的啟動(dòng)時(shí)刻，然后通過DP網(wǎng)絡(luò)發(fā)出命令給飛剪電氣傳動(dòng)控制裝置。

①飛剪自動(dòng)切頭程序：

熱金屬檢測(cè)器HMD檢測(cè)到鋼坯的頭部，T400根據(jù)PLC傳給的各種數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算得出到剪切啟動(dòng)的延時(shí)時(shí)間（T），如下面公式：

式中S：HMD與剪刃中心線的距離；L：設(shè)定的剪切長(zhǎng)度；V：上一架軋機(jī)線速度（PLC系統(tǒng)自動(dòng)傳給）；T1：剪刃初始位啟動(dòng)至剪切角的時(shí)間。

由脈沖控制的自動(dòng)切頭程序：

當(dāng)熱金屬檢測(cè)器HMD檢測(cè)到軋件頭部，自動(dòng)計(jì)算剪切啟動(dòng)的脈沖數(shù)（M），如下面公式：

式中M1：HMD與剪刃中心線距離轉(zhuǎn)換成相應(yīng)脈沖數(shù)；M2：剪切長(zhǎng)度相對(duì)應(yīng)脈沖數(shù)；M3：飛剪從初始位到剪切角相對(duì)應(yīng)脈沖數(shù)。

②控制自動(dòng)切尾程序：

當(dāng)熱金屬檢測(cè)器HMD檢測(cè)到軋件尾部，自動(dòng)計(jì)算切尾延時(shí)時(shí)間（T）。公式如下：

式中S：熱金屬檢測(cè)器與剪刃中心線的距離；L：切尾長(zhǎng)度；V：上一軋機(jī)實(shí)際線速度（計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)給出）；T1：飛剪從初始位啟動(dòng)至剪切角的時(shí)間。

(3)模擬剪切

該操作是在過崗前模擬軋線有鋼，對(duì)飛剪的各種功能進(jìn)行確認(rèn)。

(4)碎斷

當(dāng)PLC系統(tǒng)對(duì)飛剪發(fā)出碎斷命令之后就開始碎斷，直到系統(tǒng)碎斷命令的結(jié)束。

■5.2 飛剪的剪刃控制算法

飛剪在對(duì)高速軋件的剪切過程中,為避免鋼坯在剪切順時(shí)出現(xiàn)堵鋼或者被剪刃拉變形等現(xiàn)象，在飛剪設(shè)置轉(zhuǎn)速時(shí)，要盡量使到飛剪剪刃在水平方向的分速度vj與軋件瞬時(shí)速度v0一致。但在實(shí)際使用過程中要實(shí)現(xiàn)vjl=vo是很困難的。

為此,在飛剪設(shè)置轉(zhuǎn)速時(shí),采用飛剪水平方向分速度超前于軋件的瞬時(shí)速度控制方式。一般狀態(tài)下系統(tǒng)設(shè)定飛剪剪刃的水平方向的分速度Vj1超前于軋件瞬時(shí)速度v0的3%一5%,如下：

式中k：剪刃超前系數(shù)。

剪刃的轉(zhuǎn)速：

由式(4)和式(5)得到剪刃的轉(zhuǎn)速公式：

式中v0：剪前軋機(jī)出口鋼坯的線速度；nj：剪切時(shí)剪刃的基本轉(zhuǎn)速；R：刀架回轉(zhuǎn)半徑；φ：剪刃剪切時(shí)的初始角。

線材飛剪剪刃一般的布置為上剪臂剪刃靠前,下剪臂架剪刃靠后。剪切運(yùn)動(dòng)方向是沿著斜向上飛出,剪切廢料容易進(jìn)入飛剪后的廢料斗,避免影響軋件正常通過或?qū)U料帶進(jìn)下一架軋機(jī)中,造成生產(chǎn)事故。在飛剪進(jìn)行調(diào)試時(shí),發(fā)現(xiàn)剪切運(yùn)行方向與剪刃超前系數(shù)相關(guān)。超前系數(shù)越小,廢料飛出方向越靠近水平,很容易帶入下一架軋機(jī);超前系數(shù)過大,廢料剪斷瞬間會(huì)翻轉(zhuǎn)撞擊刀刃,反彈進(jìn)入倒槽中,并且容易導(dǎo)致飛剪電控報(bào)故障，造成堆鋼或其它生產(chǎn)事故。為減少由飛剪引起的工藝事故,飛剪剪刃超前系數(shù)必須合適。

剪刃超前系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值為:k=1.10 ?1.15。

該值還與剪刃布置形式有關(guān)系。

■5.3 剪切精度分析

飛剪的剪切精度即在實(shí)際剪切過程中剪切的軋件頭部以及尾部的長(zhǎng)度與生產(chǎn)工藝設(shè)定值的誤差率。剪切精度是考核飛剪綜合性能的一個(gè)重要指標(biāo)，其直接影響了鋼材的成材率，并且剪切精度越高，由于飛剪導(dǎo)致的工藝堆鋼事故就少，工廠作業(yè)率、成材率以及生產(chǎn)效率高。影響剪切精度有許多因素，其中一個(gè)主要因素是飛剪接到命令到開始執(zhí)行剪切動(dòng)作的時(shí)間誤差以及飛剪機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)配合的間隙。飛剪機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的的配合間隙可以利用位置控制系統(tǒng)間隙的補(bǔ)償?shù)玫交鞠?，飛剪接到命令到開始執(zhí)行剪切動(dòng)作的時(shí)間誤差是特別難消除的。由此，剪切精度公式為：

式中?L1：飛剪的剪切精度，mm；?T1：飛剪接到命令到開始執(zhí)行剪切動(dòng)作的時(shí)間誤差；V0：軋件瞬時(shí)速度。

軋件瞬時(shí)速度vo是一個(gè)隨工藝參數(shù)在不斷變化的變量，但飛剪控制設(shè)定了速度跟隨其剪切速度也是一個(gè)隨vo的變化而改變的變量，他們的關(guān)系始終是一個(gè)常數(shù)關(guān)系，影響剪切精度也很小。飛剪結(jié)構(gòu)從命令發(fā)出到開始動(dòng)作的時(shí)間Ta是也是一個(gè)變化量，其與電控的響應(yīng)時(shí)間以及飛剪剪刃的定位精度有很大關(guān)系?？衫萌缦鹿剑?/p>

從命令發(fā)出到開始動(dòng)作時(shí)間誤差ΔTa它又程序執(zhí)行時(shí)間的誤差ΔTr和剪刃開始啟動(dòng)到開始剪切軋件的時(shí)間誤差ΔTb組成，即：

(1)程序執(zhí)行的時(shí)間誤差ΔTf，又由控制系統(tǒng)的電氣運(yùn)行誤差以及控制程序運(yùn)行的誤差所組成。一般情況時(shí)間誤差

(2)飛剪刃開始啟動(dòng)到開始剪切軋件的時(shí)間誤差ΔTb有剪刃位置的誤差和飛剪剪切的速度組成：

式中α?：剪刃位置的誤差；n：飛剪剪切的瞬時(shí)速度(r/min)。

剪刃位置的誤差由位置編碼器和定位開關(guān)的精度決定，對(duì)于1024位置編碼器，一般位置誤差 ?α≤ 0.351。

6 結(jié)論

飛剪作為現(xiàn)代軋鋼生產(chǎn)線上的一種無可替代的機(jī)械設(shè)備，不僅要求其剪切性能要與軋鋼生產(chǎn)線相匹配,而且設(shè)備本身運(yùn)行應(yīng)可靠。為了使設(shè)備裝配簡(jiǎn)單，減少設(shè)備的重量及體積，節(jié)約資本減少投資，必修不斷應(yīng)運(yùn)先進(jìn)的控制理念和機(jī)械傳動(dòng)技術(shù),既實(shí)現(xiàn)設(shè)備工作的可靠性的同時(shí)，同時(shí)又降低了設(shè)備的生產(chǎn)成本和安裝周期，達(dá)到提高了生產(chǎn)線自動(dòng)化的水平的同時(shí)使鋼材的生產(chǎn)率也得到了提高。