浅谈高速倍尺飞剪的控制方案

2016-06-18盈张宝青天津市北洋天泽智能机器人科技有限公司天津市博控机电科技有限公司

大陆桥视野 2016年8期

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浅谈高速倍尺飞剪的控制方案

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【摘要】随着冶金行业不断的发展与进步，对于设备的性能提出了更高的要求，目前国内棒材生产线倍尺飞剪切分系统仅能提供最高15m/s的剪切速度，但对于轧机设备本身可提供最高大于40m/s的生产速度，这样相对落后的飞剪系统就成为了轧钢生产过程中的瓶颈。鉴于此，本文着重讲述了更高性能倍尺飞剪的设计基本理念，以期能够更好的提高我国冶金行业的竞争优势。

【关键词】高速飞剪；轧钢；棒材；电气自动化技术

1.概况

目前国内冶金市场产能过剩已经成为不可争议的事实，在国内棒材市场逐渐饱和的大市场环境下，轧钢车间节约成本就显得尤为重要。飞剪在生产棒材的轧钢车间是一种非常重要的设备，飞剪的主要作用是在棒材轧线末架轧机后,工件上冷床之前,根据冷床的长度及所生产产品的定制长度,把轧线出口的棒材成品按照所需定尺的倍数（最终成品长度为定尺长度，飞剪按照定尺的倍数来切分成品，称为倍尺长度）剪切分段以方便停放在冷床上。为了提高成材率减少废料，对于倍尺飞剪应具备超高的剪切精度以及极快的剪切速度，因为倍尺飞剪的剪切速度如与棒材速度不匹配会造成棒材在飞剪剪切过后出现弯头弯尾现象，造成废料产生。故而国内的很多生产线的生产效率受到了飞剪最大剪切速度的局限，无法提高棒材生产线出口产品的线速度。目前国内常见棒材生产线的出口速度为6m/s～14m/s，如能提高棒材出口速度将大大提高生产效率，给企业节约成本，让企业在市场竞争中获得更强的竞争力。

目前市面上主要使用的倍尺飞剪有 3种结构形式。

a.离合式

本飞剪主要由电机、减速机、离合器构成，根据离合器不同又可以细分为液压、气动、电磁等形式。在工作过程中电机本身长期运转，飞剪本体长期静止，电机本体经过离合器、减速机与飞剪本体连接。在需要剪切时根据飞剪本体所装的传感器信号（接近开关、编码器等）通过PLC程序控制离合器的分断，来控制飞剪本体动作。

离合式飞剪的优点是电机功率较小，缺点是离合制动机构受到的冲击大，易损坏，维修工作量大。

b.电机启停式

本飞剪主要结构是直流电机与飞剪本体直接连接，通过直流调速器控制飞剪在剪切瞬间进行电机启停控制，这种形式的飞剪是目前普遍采用的飞剪结构。这种结构的飞剪一般剪切速度能达到14m/s～15m/s。

该产品的优点是没有机械式启停结构，而是通过电流对电机进行启停控制，这样的控制方式稳定性高，不像离合刹车结构对设备冲击大，故障率低，维护容易。但是缺点也很明显，因为要求电机在瞬间就能达到剪切速度，所以电机功率及过载倍数选型较大，一般在达到15m/s的剪切速度后很难突破，无法进一步提高生产效率。

c.旋转式

本类型飞剪是本文着重介绍的产品，该飞剪采用直流电机常转、剪切时由伺服机构送料至剪切位剪切的方式工作。现国内该设备主要提供商为德国西马克、意大利达涅利、美国摩根，剪切速度可达40m/s，广泛应用于高速棒材生产线，但由于技术垄断，价格较高，投资回收周期较长。

本产品的优点是由于飞剪不需要瞬间加速到剪切速度，所以对于直流电机的功率选型较小，同时更容易实现更高的剪切速度。而本产品的主要难度在于伺服机构要求响应速度较快，必须在飞剪旋转2圈时间内将棒材从安全区域进给到剪切区域，所以调试较传统产品相对复杂，但是调试正常后可靠性依然很高。

2.基本系统配置与控制原理

HSC通道要求：设计剪切速度40m/s，轧辊直径为360mm,编码器每圈输出360计数脉冲，估算码盘脉冲频率约为12738HZ。根据以上参数进行PLC选型，采用西门子S7-300 313C CPU作为飞剪主PLC。伺服机构采用西门子S7-200和 EM253进行控制，以达到高速响应的目的。飞剪主电机采用西门子6RA70进行直流调速控制。伺服驱动器采用台达高性能ASDA-B2系列伺服电机与驱动器组合，以满足系统对于伺服电机高速响应的要求。

基本工作流程：工件从末架轧机出口被热金属检测器检测到，将信号传给PLC，HSC高速计数通道清零当前计数脉冲并重新开始计数，该计数脉冲值可根据轧机轧辊的周长换算成棒材行走的长度，通过比较当前长度与目标长度进行飞剪剪切动作。

剪切动作：飞剪主PLC给出飞剪剪切信号至S7-200 CPU 由EM253模块发送位置脉冲控制伺服机构动作，此时伺服摆杆机构指向第一通道，在飞剪离剪切还有两整圈时，摆杆开始动作向剪切点靠拢，在飞剪刀片重合时由于伺服的精密控制此时棒材正好行走到飞剪的剪切区域，此时剪断棒材后伺服继续向后运动并离开剪切区域，最后指向第二通道。再次剪切重复以上动作并由第二通道反向摆回第一通道，周而复始不断循环。

飞剪调速控制：飞剪本体旋转一圈划分为360度，飞剪刀片重合时，飞剪接近开关信号恰好为ON。并且清零飞剪角度脉冲，故认为飞剪刀片重合时为零度。

由于轧机编码器反馈给PLC的数值可计算出钢筋已经经过热检的长度并计算出飞剪合理角度，将飞剪合理角度与当前角度进行比较，并用系数加权进行PID调速控制，保证剪切时的长度正好为设备中预先设置好的剪切长度。

3.详细控制方法

假设热检所在位置为A点，当工件到达 A 点 ,热检H1信号输出,HSC模块开始为棒材长度计数(由轧机编码器P1提供长度信号)。假设工件前进的速度为V1，目标剪切长度为Lm，飞剪旋转速度为V2。因为飞剪速度要与棒材速度一致，故飞剪调整的目标速度为飞剪速度与棒材速度相匹配V1等于V 2。从 B点开始考虑飞剪的计算与调节,由HSC计数值计算得出棒材已经经过B点的行程为 L x。

剩余未走完长度L=Lm-Lx

飞剪电机编码器P2可测量飞剪剪刃的角度与速度。设上下剪刃相切时的位置为角度零点。飞剪上剪刃与零位夹角为 α ,下剪刃与上剪刃步调一致无需额外考虑，其位置完全与上剪刃同步且对称。设飞剪周长为C则飞剪当前调整的的目标角度β为:

根据飞剪目标角度与实际角度的偏差通过PID控制算法可得飞剪当前速度计算公式：

其中K为PID调节中的增益系数，可在调试过程中根据设备工作情况适度调整系数大小，达到系统快速响应的目标并能保持系统稳定。

系统在工作过程中始终按照上述公式进行调整，剪切后的长度即为设定长度 L m。实际工作中,每次飞剪剪切成功，由飞剪本体接近开关信号清零棒材长度的计数值，飞剪重新判断位置并继续调整。控制系统在运动中始终不断根据偏差调节电机的速度,从而实现飞剪不断重复剪切出设定长度Lm的目的。

简单的说就是控制系统根据 α和 β 的偏差,通过增大或减小飞剪驱动电机的速度,使α角度逼近β位置。当α角度等于β值时,只要维持 V 1=V 2,即飞剪剪刃线速度 V 2始终跟随工件的速度 V 1,直到剪切位置,则最终剪切工件长度即为设定长度L m。

为了提高剪切精度,在编写控制系统的软件时,还应考虑以下的测量校正与补偿。因为P 1编码器得到的计数值,并不完全表示工件的行程。在轧制过程中工件变形造成的超前或滞后,使得轧辊的线速度与工件的线速度并不完全相等,使 P 1计数值得到的工件长度不准确，在程序算法中应进行补偿。仅仅采用理论计算来补偿,影响计算的因素太多,如轧辊磨损、辊缝大小、轧制速度、轧件温度等,很难进行精确补偿,难于得到准确值。

故应采用简单的方法在飞剪后设补偿用热金属检测器H2。工件前端经过H2时锁存当前长度计数值，用于与H1H2两个热检实际距离进行比较，即可校正工件在行走中产生的长度误差。