基于P L C的飞剪控制系统在连退机组的应用

付 聪

（中国冶金科工集团公司 中冶南方〈武汉〉自动化有限公司，湖北 武汉430205）

0 概述

本条连退机组出口段设置有一台曲柄式飞剪（简称飞剪），其作用是不停机剪切焊缝、切废及取样。较之于传统的横切剪，飞剪在剪切时带钢不必停止，而是低速（最大60m/min）运行，从而保持了带钢运行的连续性，提高了生产效率。

1 飞剪控制系统组成

本机组采用西门子S7-400 PLC对飞剪进行主要控制，控制器选用了西门子CPU 416-2。该控制器完成的功能包括：接收并处理L2级或HMI下发的剪切指令，计算飞剪的启动时间点，接收编码器反馈值并计算剪刃实际角度，计算并向变频装置下发飞剪的速度与加速度设定值，将飞剪的状态反馈至HMI人机界面等。对飞剪电机的驱动采用西门子S120变频传动装置，通过增量型脉冲编码器对飞剪速度进行检测，以实现精确闭环控制。

本机组飞剪控制系统组成见图1。

图1 基于PLC的飞剪控制系统配置图

2 飞剪的控制方式

本机组飞剪的控制方式分为：单次剪切、自动剪切。

1）单次剪切

这种方式用于在飞剪机旁操作箱上手动操作剪切，剪切命令通过按下操作箱上的单次剪切按钮发出。飞剪接收到剪切命令的同时立即启动，完成一个剪切周期后自动回到等待位。单次剪切通常用于飞剪的维护，以及处理特殊情况，比如断带剪切等。

2）自动剪切

这种方式用于机组生产过程中，PLC根据需要在适当的时机启动飞剪，并实时控制飞剪的速度、加速度，以完成对带钢定长剪切。自动剪切模式是飞剪的主要控制方式，本文描述的飞剪控制都是关于这种模式的。

3 飞剪的剪切过程

本机组的飞剪控制方式主要采用定长剪切，有以下几个过程：

1）剪刃停止在等待位，即图2中的位置A；

2）根据带钢的剪切位置提前计算好启动时间点，当时间点到达时，启动飞剪加速到达入切角，即图2中的位置B；

3）保持剪刃的横向速度等于（或略微大于）带钢运行速度，直到飞剪到达离切角，即图2中的位置D；

4）飞剪离开离切角后，根据剪切板带长度，计算出剪刃再次到达入切角的时间点，通过调整剪刃速度，使再次达入切角的时间点与计算值吻合；

5）若继续剪切，重复过程（3）和（4）；

6）若不再剪切，则过程（3）结束后，剪刃减速停止到等待位，在此过程中如果没有足够的减速距离，剪刃会冲过等待位，待速度为0后自动反爬到等待位。

图2 曲柄飞剪角度与剪切顺序

4 飞剪启动时间点的计算

本机组出口飞剪主要用于剪切焊缝、切废及取样，剪切的顺序为：前卷带钢带尾取样，带尾切废，前后两卷焊缝切除，后卷带钢带头切废，带头取样。取样、切废及焊缝的剪切片数及长度可以通过L2级计算机或HMI下发。PLC根据剪切片数及长度提前计算好第一刀剪切点位置。这个位置以焊缝为参照，以“距离焊缝xx米”的形式在PLC内部实时计算并更新。

当位于出口活套的焊缝检测仪检测到焊缝时，负责控制飞剪的PLC开始启动对第一刀剪切点的位置跟踪，并同时将机组减速至剪切速度。飞剪从等待位启动并加速到入切角位置需要一定时间，这个时间也将被PLC计算并考虑在内，以在合适时间点提前启动飞剪。这样就能保证当剪刃到达入切角时，带钢上的第一刀剪切点位置刚好同时到达。

5 飞剪的角度检测与计算

本机组采用绝对值编码器（分辨率1024脉冲）检测飞剪的实际角度，同时设置有接近开关用于剪刃角度标定。标定的过程是：当剪刃处于最低位（图2中的位置C）时，曲柄上的挡铁挡住接近开关，其信号由0变为1，PLC将剪刃的角度标定为360°（剪刃逆时针旋转）或0°（剪刃顺时针旋转）。由于本机组采用的是绝对值编码器，所以不需要飞剪每次通过最低位时都进行标定，只需要在离线状态下人工启动标定程序进行一次标定即可。以后剪刃每转一周，PLC自动将角度值加上或减掉360°，其运算过程为：

1）若 0≤Ang＜360 ，

则Ang=Ang,Imp=Imp

2）若 Ang＞=360,

则 Ang=Ang-360，Imp=Imp-1024

3）若 Ang＜0,

则 Ang=Ang+360，Imp=Imp+1024

其中Ang是剪刃角度值，Imp是绝对值编码器的脉冲累计值。

这种飞剪角度检测及计算方式不同于传统采用增量型编码器，剪刃每转一周都必须通过接近开关信号进行标定的做法，其优点非常突出：由于接近开关信号仅仅是离线标定时才会用到，因而有效避免了飞剪正常使用过程中由于接近开关误信号导致的标定故障，也降低了飞剪正常运行对接近开关的依赖，提高了飞剪的可靠性。

6 飞剪定长剪切控制

本机组飞剪的主要功能是带钢定长剪切。不同的剪切长度决定了飞剪前后两次到达入切角 （图2中逆时针从B到B）的时间间隔⊿t1，计算方法如下：

其中L是剪切长度，V是带钢的线速度。

剪刃从入切角到离切角（图2中逆时针从B到D），其水平方向的速度等于或略大于带钢线速度，所以这个时间间隔⊿t2可以通过如下计算得到：

其中，R是飞剪半径，V是带钢的线速度,⊿V是剪刃的水平方向附加速度。

飞剪在剪切时,PLC控制出口段带钢速度保持在恒定 （如60m/min）低速运行，剪切长度预先由机组L2级计算机发送给PLC，或操作员通过HMI进行人工设定。在一个剪切周期里，⊿t1和⊿t2是固定值，由此可以得到飞剪从离切角到入切角（图2中逆时针从D到B）的时间间隔⊿t：

⊿t=⊿t1-⊿t2（3）

⊿t在一个剪切周期里也是固定值，控制飞剪定长剪切的关键是：飞剪从离切角到入切角的时间间隔等于⊿t，并且飞剪到达入切角时，剪刃水平方向的速度分量等于式（2）中的V+⊿V。

如果飞剪离开离切角后，在到达入切角前速度保持不变，这个剪切长度称作同步长度。在⊿t时间间隔里，飞剪的速度可以分为以下3种情况：

1）剪切长度 =同步长度

这种情况飞剪离开离切角后，速度保持恒定不变直到到达入切角。

2）剪切长度＜同步长度

这种情况飞剪离开离切角后，速度先增大，然后减小，在到达入切角时，剪刃水平速度减速到与带钢速度保持同步。本飞剪使用的控制方式是：从D到A（逆时针）剪刃加速，从A到B（逆时针）剪刃减速，由于⊿t已知，因而可以计算出剪刃的加速度，从而实现定长剪切。这种控制方式的优点是：由于中间没有恒速的过程，飞剪加减速可以用最小的加速度来实现。可以看出，飞剪能够剪切的最小长度是受到飞剪最大加速度限制的。

3）剪切长度＞同步长度

这种情况飞剪离开离切角后，速度先减小，然后增大，在到达入切角时，剪刃水平速度加速到与带钢速度保持同步。本飞剪使用的控制方式是：从D到A（逆时针）剪刃减速到0，从A到B（逆时针）剪刃加速。如果剪刃在A点不停留（或者将停留时间看作是0），那么飞剪能够剪切的最大长度同样受到飞剪最大加速度的限制。如果需要突破这个长度，飞剪需要在A点停留一定时间。

7 结束语

本连续退火机组自2012年投产以来，飞剪运行状态一直比较稳定良好，证明这套基于PLC的飞剪控制系统是完善可靠的。当然，用PLC对飞剪进行控制也有其固有的缺陷，比如CPU的运算速率不及西门子T400工艺板和FM458模板，因此在定长剪切的精度上会有所不及，仅能达到10mm以内。不过，对于本机组来说，其精度完全在可接受的范围之内，在经济型上则是大大优于T400和FM458的方案。因此还是有极大的参考和推广价值。

［1］何巍巍,沈士蒽.曲柄连杆式飞剪的运动学分析[J].冶金设备，2012(特刊).

［2］葛延津,陈栋,高峰.飞剪的定位控制[J].控制与决策，2003（5）.

［3］葛延津，高峰，陈栋.飞剪速度基准的研究[J].东北大学学报:自然科学版，2003（12）.