T400工艺模板在飞剪控制系统升级改造中的应用

2014-06-25王玉兵

电气传动自动化 2014年6期

王玉兵

（河钢集团宣钢二钢轧厂，河北宣化075100）

1 T400 工艺模板介绍

T400 工艺模板是为交流和直流传动装置设计的标准选件板，主要承担定位控制。从硬件来看，T400模板是是一块单板计算机，双CPU 结构，可接入多路数字、模拟输入、输出，两路编码器输入信号。T400工艺模板采用的是32 位的SMADYN－D 处理器，具有强大的计算能力和极高的运算速度，其最快的执行周期小于0.8ms。从软件上看，设计了剪切控制、角同步控制、卷取控制三套标准软件包。编程软件采用STEP7 和CFC 进行独立编程，用于飞剪的起停、定位等。高效的软件功能块可自由连接和设置参数，使编程简单调试方便。所有的控制信号都直接接到T400 的端子上，T400 工艺板和传动装置之间的数据交换通过插在传动装置第一个槽的CUD1 控制板实现，过程数据、参数以及故障报警等通过二者间的双口内存来完成。T400 工艺板和主站PLC 数据交换通过通讯板CBP 以Profibus 网型式实现，但只能作为从站。通讯板的参数如地址、波特率、报文长度等均在基本模块CUD1 上进行。

2 T400 工艺模板在飞剪控制系统升级改造中的应用

2.1 飞剪工艺简介

某钢轧厂一高线于2001年投产，主要生产Φ5.5－Φ16mm 的光面、螺纹盘条。全线共有28 架轧机，3 个飞剪，1 个碎断剪。其中三号飞剪处于18 架轧机后，精轧机之前，主要用来切头和事故碎断。三号飞剪为启停式飞剪，由于要求其动作速度快、控制精度高、定位准确，因此其工作性能的好坏，直接影响生产线的作业率和成材率。三号飞剪定位自投产时一直采用PLC 程序和FM453 模板相结合的控制方式，经过应用实践，于2006年改为T400 工艺模板控制，效果良好。

飞剪现场执行设备由液压厂制造，驱动电机为直流他励电动机，空水冷却，其后轴端处可安装一编码器。电机驱动小齿轮，小齿轮带动大齿轮，两大齿轮钢性啮合，实现同步运动。每一大齿轮带动一个剪臂，剪臂头部安装剪刃。

如图1所示为飞剪的工艺流程图。剪臂整个圆周分为360°，两剪刃垂直向下对住为0°，剪切位0°－10°，零位为85°－100°。切头前，6 号热检无钢，前转折器处于低位，后转辙器与轧制线平行，剪臂停在零位，切头就绪。当钢头过来时，6 号热检有信号，先通过前转辙器，飞剪经过PLC 进行计算的延时后，飞剪启动。当飞剪到达剪切位时，头部已伸出正好达到设定长度约600mm 导入料仓，剪切完毕后，剪刃将钢托起进入轧制线，前转折器托起，剪臂进入位置闭环控制。剪臂逐渐趋进于停止位即零位。碎断时飞剪由零位启动剪切，同时后转折器动作，将剪切后的头部导入碎断剪内碎断。

2.2 电气控制系统简介

飞剪自动化控制系统由S7－400 系列PLC 组成，完成对系统的给定控制，主要模板有CPU416（6ES7416－2XK04－0AB0），以太网模板（6ES7416－2XK04－0AB0），DP 网模板（6ES7416－2XK04－0AB0），数字量输入模板（6ES7421－1BC01－0AA0）等。PLC与上位机采用以太网通讯，与传动系统采用Profibus DP 网通讯模式。控制飞剪运行的轴定位、剪切、碎断运算等主要程序都由PLC 系统来完成。主操台上位机传来的合／分闸、手动／自动选择、切头／切尾选择、切头长度、超前系数等信号通过网络到PLC 系统，经过逻辑判断后再传到传动系统执行飞剪动作。

图1 飞剪工艺流程图

传动系统是经过改装的，由小功率的6RA70全数字逻辑无环流直流调速装置和国产功率柜相结合，主要完成对电机的调速控制。控制系统的核心部分采用原装进口板。6RA70 为三相交流供电的全数字调速装置，承担所有的调节功能，完成调速任务。系统具有良好动、静特性的速度、电流双闭环调速系统。速度环为外环，调节器具有附加摩擦及转动惯量补偿预控功能，可获得更好的动态响应。电流环为内环，调节器具有电流和力矩双重控制，预控制器可改善调节系统的动态响应。

2.3 采用FM453 轴定位模板定位原理

三号飞剪定位自投产时一直采用FM453 智能三通道轴定位模板进行定位控制。控制的思想是用FM453 轴定位模板与PLC 程序相结合的方法来实现。FM453 轴定位模板有准确定位功能，将剪刃位置通过安装在电机后轴上的增量编码器读到程序中来，程序中根据剪刃角度控制飞剪动作。首先标定剪刃剪切位为0°－10°，并将距轧制方向的85°－100°定为飞剪零位。PLC 在接到剪切命令后，送出剪切速度给电机，当剪刃越过剪切位，立即进入闭环控制，即一旦剪刃位置超过零位，送出一反向低速给电机，如此来回不停地转动，目的是使剪刃停在零位，即85°－100°。

2.4 升级定位控制的缘由

在多年的应用实践中，FM453 轴定位模板虽能基本实现飞剪的定位功能，但也逐渐暴露出诸多问题。尤其在轧制大规格品种时，即18 架速度在约13m／s 以上时，会频繁出现定位不准问题。飞剪在每次剪切完成后停止位会以顺时针方向慢慢偏离零位。这样累积下来，大约每个生产班需一到两次重新标定零位，以免飞剪在剪切时因速度不够导致堆钢。

另一个问题是飞剪在剪切时的精度较差，不稳定。在设定一个长度后（例如1 米），但实际剪切有时能短到几厘米，长的时候达到2 米多甚至偶尔有堆钢现象发生。故而需要对其进行升级改造。

2.5 由T400 工艺模板控制的改造方案

将飞剪的定位控制由FM453 轴定位模板升级为T400 工艺模板，实际硬件改动较少，即现场增加一个剪切位接近开关，在原70 箱内第二个插槽插入T400 工艺模板。将原热检信号、剪切位开关信号接入T400 等即完成。其他全部控制功能等由软件完成，原PLC 系统程序只保留与HMI 参数的设定、状态字、控制字等通讯部分。

飞剪的程序可分为两个部分在T400 工艺模板内编程：一是飞剪剪切控制，二是剪刃的位置控制。要求飞剪从停止位开始加速到剪切位前约30°时必须达到需要的剪切速度，才能保证剪切稳定。

剪刃位置闭环控制的采样是与传动共用一个编码器。为了消除积累误差，在剪切位安装一个接近开关，飞剪每次转到剪切位时，接近开关感应到信号将所记飞剪位置清零，以此位置为基准开始定位。飞剪从零位开始启动剪切到剪切位之间，位置并没有闭环而此时是速度闭环，这样保证在剪切时飞剪剪切速度是设定速度。过了剪切位飞剪立刻进入位置闭环状态直到回到停止位，如果飞剪速度太快将会越过停止位，在位置闭环的控制下将缓慢返回到停止位。如果将整个位置控制分成两个阶段，剪刃从停止位置到剪切位置属于速度控制，剪切完成后，由剪切位回到停止位则是位置控制。因此可以看出剪切位的接近开关和码盘对系统至关重要。