PLC在锯切轧件中的应用

郭东旭

烟台南山学院自动化工程学院，山东龙口 265713

1 工艺流程简介

锯切是在轧钢过程中的一个收尾环节。首先钢坯由入炉辊道经过上料台送入步进式加热炉。加热炉采用煤气作为燃料。根据坯料的性能、种类要求的不同，调节炉内煤气的流量使坯料由进炉到出炉这一过程达到所要求的轧制温度。

红色的坯料经过出炉辊道到达轧机，轧机在这里属于第一道轧制工序。调换不同孔型的轧辊及调节轧辊之间的距离，使得坯料达到预先的形状、大小完成开坯的工作。

以上的开坯准备工作完成后，轧件达到了往复式WF轧机。这种轧机采用了水平安装平、立、平、立、平5个轧辊。控制系统全由计算机程序操作，根据不同的轧制程序调节轧辊之间的距离及导卫系统，较好地达到了高精度的90度棱角。

根据厂家对钢料长短尺寸的需求，以及锯切的表面要保证光滑、平整，采用了带有定尺机的热摩擦锯。当坯料达到锯前由水平垂直夹紧装置夹紧坯料，然后自动锯切完成快速进锯→负载进锯→锯切终了→快速返回，四个切割过程。而这些控制过程都是由直流控制器进行控制。而直流电机的转速控制是由PLC为直流控制器输出一个给定的速度模拟信号，由直流控制器对直流他励电机进行速度闭环调节控制，从而保证了切割线速度。而热锯的摆臂及垂直夹紧由PLC进行矢量位移式闭环控制，这样就较稳定地实现了系统的自动控制。

经过热锯的切割轧件成品达到冷床，等待下一部的深加工，完成了整个的生产过程。

工艺流程简图

2 工艺要求

根据厂家对钢坯长度尺寸以及锯切表面保证光滑的需求，应满足如下的工艺要求：

1）要求对尺寸为50mm×50mm～85mm×85mm的方形轧件及（13mm～50mm）×（100mm～310mm）的扁形轧件进行定尺切割；

2）轧件的定尺长度范围在4m～8m之间，不足4m的轧件要求废弃，对轧件还要求切头，切尾的处理；

3）锯切轧件时，要求锯切的线速度恒定，以保证锯切截面的工艺要求；

4）为保证锯切工序的速度，要求锯切快速下落，在接近轧件时要求慢速进锯切割，而锯切终了时要求锯切高速抬起；

5）轧件进入锯切区域后，在各种外部条件（液压、润滑、除尘、风机散热等）满足的情况下，操作人员给出定尺数据并允许操作后其它动作由控制系统自动控制。

控制系统应完成如下任务：

1）定尺数据的给定及显示；

2）判断识别轧件是切头、切尾、切段（定尺切割）或是废弃的任务；

3）轧件厚度的测量；

4）锯片直径的测量；

5）锯片下落中间位置（锯片接近轧件后快速下落变成慢速下落的位置）的摆角计算；

6）锯切终了位置的摆角计算；

7）锯片拖动电动机的速度给定计算。

3 控制系统硬件设计

通过对锯切的工艺过程分析得知，系统主要有自动转换开关、限位开关等开关量输入量和输出模块的开关量输出量。根据统计该系统需要72个输入量和34个输出量。再考虑留有15%的输入、输出点余量，实际选用6块16点数字输量输入模块SM321，4块16点数字输出模块SM322，共计96个输入点和64个输出点。控制系统硬件框图如图所示。S7-300PLC是本控制系统的核心，它完成所有开关量输入、输出型号的处理。在控制系统中为了完成对型材锯切长度的控制和主锯切机前进或者后退的控制，选用CPU 314。本控制系统中为了实现对锯切长度的控制和主锯切机前进或者后退的控制选用了一块计数模板，FM350-2，该模块带8个通道，用于和24V增量编码器配合使用。

3.1 定尺的数据给定、动作执行的设计

1）定尺长度的数据输入由操作人员在操作台完成，设增／减按钮各一个；

2）操作台上设三位的数据显示两个：设定值和实际值。显示最小单位：cm；

3）设定数据确认按钮，确认无误后定尺小车方可动作。动作条件：

（1）定尺小车电动机的控制柜准备好；（2）定尺档板在高位；（3）定尺小车的夹紧机构松开。

4）设定值大于原设定值时，定尺小车电动机正转。反之，定尺小车电动机反转；

5）由脉冲编码器完成定尺实际值的测量回馈工作，当实际值与设定值相等时，定尺小车电动机自动停止；

6）定尺小车电动机停止后，定尺小车的夹紧机构要夹紧防止位置变动；

7）定尺小车的动作初始点距离锯切切口4m，距离终点8m，即小车的活动范围为4m；

8）所有的数字输入信号，编码器的输出信号，经PLC进行处理后，输出到现场各控制器的执行动作。

3.2 锯切类型的识别与判断

工艺要求对热质轧件进行切头、切尾、定尺切段，或是轧件不足4m废弃不要的处理。所以设计了自动识别判断锯切类型功能。

现场轧件的位置检测由热金属检测器进行检测并输入PLC，有PLC完成逻辑判断，而后PLC输出控制信号给各个控制器，控制器控制各个执行元件动作，达到控制要求。

3.3 锯切识别动作的执行

1）轧件从锯切的前一工序区域横向移入锯切区域后，经RJ0测得后，锯前BP辊道高速转动。变频器的给定频率为70Hz；

2）轧件在到达RJ1后，要求锯前BP辊道低速转动，变频器的给定频率为30Hz。RJ1只是在轧件的头部或尾部达到时起作用；

3）轧件的头部到达RJ2时，锯前BP辊道停止，变频器的给定频率为0HZ；

4）轧件头部到达RJ3时，锯前BP辊道低速运行，且定尺挡板落下，定尺挡板上的常开点被轧件撞击闭合后，锯前BP辊道停止运行；

5）轧件的尾部到达RJ4时，锯前后辊道停止运行；

6）若RJ4有信号，而且RJ5已有信号，则可切尾，否则因不足4m作放弃不要处理。锯前后BP辊道要高速转动，将轧件送出锯切区域；

7）确认锯切的类型后，设计了夹紧机构将轧件夹紧，以免锯切过程中轧件振动，损坏锯片。夹紧机构分为水平方向和垂直方向两种，进行垂直夹紧时，还要完成轧件的厚度测量任务。锯切动作执行完毕后，轧件夹紧机构要松开；

8）锯切完成后，轧件要高速离开锯切区域。切尾或放弃完成后，前一工序的轧件才可以进入锯切区域。

3.4 各参量的计算

3.4.1 轧件厚度的测量

垂直夹紧机构的摆臂长度L=312mm，轧件的最大厚度Hmax=85mm。所以h要大于85mm，轧件方可以安全通过，设计取100mm。

摆臂的最大摆角为：θmax=sin-1（100/312）=18.693°

厚度H=312 sin（θmax-β）β——编码器测定

3.4.2 锯片直径的测定

锯臂的长度为1400mm，即从锯臂的转动轴心到锯片圆心的距离。

锯片直径Φmax=1000mm，Φmin=600mm 锯片最低点距离辊道的水平距离为200mm 。

3.4.3 中间位置的计算

锯头下落时要快速下落，而接近轧件后，锯片最低点距离轧件40mm时，慢速下落，此位置称中间位置。

中间位置θm=（700-Φ/2-40-h）Kd （Φ为锯片的实际值；h为扎件的厚度）

3.4.4 锯切终了位置的计算

锯切深度为60mm终了位置θf=（700+60-Φ/2）Kd

4 控制系统软件

编程软件使用的是西门子的STEP7，是一种用于对西门子PLC进行组态和编程的专用集成软件包。PLC编程可采用梯形图语言，直观易懂。近年来有发展了适应不同对象要求的跟多种类编程语言。如梯形图、语句表、功能块图、顺序功能图、以及用于S7系列的C语言等，是编程更简单方便。

锯切控制程序从循环执行主程序——组织块开始依次调用各个子程序和功能块，各个子程序和功能块用于完成锯切控制系统某一部分的逻辑控制（如各参数计程序流程图、定尺程序流程图、锯切过程程序流程图）或实现某一 特定的功能（通过总线读写控制字、状态字）。

5 结论

老式的锯切设备由于设备及锯片等方面的原因，经常出现轧件断口切斜、毛刺飞边超标等质量问题，锯片单次锯切寿命较低，造成停机换片频繁，严重地影响了轧制生产的连续性，钢材断面质量差。另外，锯片在使用过程中还经常出现糊齿、裂纹等现象，锯切速度低，工作环境差，工人劳动强度大，既影响生产效率，也给生产现场的安全带来了一定隐患。该锯切轧件控制系统取代了生产效率较低的老式控制系统，已经在国内大型轧钢生产企业得到应用，实际的运行效果表明该控制系统运行稳定、可靠，大大地提高了锯切轧件的生产自动化水平和产品的质量。

[1]Roger S.P.软件工程——实践者的研究方法[M].北京：机械工业出版社，1999.

[2]燕永生.工业控制计算机系统的设计与应用[M].北京：中国铁道出版社，1999.

[3]J.Richalet,Industrial Applications of Model Based Predictve Control Automatica，1993，29(5)：1251-1279.