滾切式雙邊剪的自動化控制

馮展國

(寶鋼工程技術集團有限公司 上海201900)

滾切式雙邊剪的自動化控制

馮展國①

(寶鋼工程技術集團有限公司 上海201900)

通過使用西門子PCS7系統，針對6SE70變頻調速裝置的進行主令速度控制，實現滾切式雙邊剪夾送輥夾送鋼板精確控制要求，同時對主剪和夾送輥運動控制進行了詳細分析，并通過比較使用FM458控制夾送輥的控制方式，給出了一種優化的控制方式。

雙邊剪 主剪控制 夾送輥控制 脫離FM458的PLC控制方式

1 引言

配合2010年上海世博會建設，上海浦東鋼廠整體搬遷，其中一部分搬遷到新疆八一鋼鐵集團成立了八鋼中厚板廠。該廠2011年新上一臺西馬克式滾切式雙邊剪，代替了原有搬遷而來的擺切式雙邊剪[1]。需要為新雙邊剪配套PLC及傳動控制系統，并編寫相應的控制軟件[2][3]來充分發揮設備設計生產能力，實現精確控制、高產量、高質量切口的“一鍵式”剪切生產。

2 雙邊剪的主要電氣設備及控制流程

雙邊剪機組中，夾送輥夾持鋼板，通過快速啟停，將鋼板送到主剪刀下，控制主剪刀的剪切時機，在鋼板靜止時進行迅速切邊。該過程設備運行精度要求高，響應速度極快。

通過對比直流調速和交流調速的優缺點，不采用6RA70直流調速[4][5]，而使用更易維護且性能能滿足要求的交流6SE70變頻裝置。

共設八個夾送輥，每個夾送輥配一個驅動電機，對應有一個西門子6SE70變頻裝置進行傳動控制。夾送輥分布在雙邊剪前后及兩側，呈對稱布置，機組出入口各四臺，下側的兩個夾送輥通過機械軸硬連接同步，上側兩個夾送輥之間不設同步軸，完全通過電氣控制實現同步。

主剪相對鋼板走向對稱布置，每側的主剪和碎邊剪通過機械結構聯鎖運行，動力來源于2臺主剪電機，每臺主剪電機通過一臺6SE70變頻裝置驅動。其中一側剪房可根據鋼板寬度進行移動。

八一鋼廠中厚板廠的工藝流程如下：

板坯加熱爐——粗軋機、精軋機軋制——ACC冷卻——矯直機矯直——冷床冷卻——磁力對中——雙邊剪切邊——切頭剪進行定尺剪切——成品入庫。

具體到雙邊剪控制流程如下：

磁力對中完成——按下自動剪切按鈕——根據L2傳來的當前鋼板的厚度，PLC自動迅速檢查主剪剪刃間隙，碎邊剪剪刃間隙是否合適，如果不合適自動進行調整至合適——打開夾送輥——入口輥道送鋼板進入入口夾送輥處，夾送輥跟隨入口輥道的速度給定運轉——PHR1傳感器檢測到鋼板到達后，鋼板停止輸送——夾送輥壓下，啟動主剪——根據設定的剪切頻率，夾送輥及主剪以相應的速度夾送、剪切鋼板。入口夾送輥在檢測到鋼板快要離開、出口夾送輥已經夾緊鋼板進行剪切后抬起，出口夾送輥在檢測到鋼板到達時壓下，在檢測到鋼板剪切完畢，離開主剪后抬起，為避免拖動，此時出入口輥道跟隨夾送輥速度進行運轉；鋼板由出口輥道拉出到后續輥道，此時夾送輥跟隨出口輥道速度運行。整個過程高度自動化，通過PLC控制實現了“一鍵式”剪切。

3 夾送輥同主剪的速度匹配控制

主剪馬達可調速，但針對某種剪切頻率，主剪轉速是一定的。通過齒輪箱、曲軸連桿轉化為主剪刃的周期往復剪切動作，碎邊剪跟隨進行碎邊剪斷。把主剪刃一個周期定義為360o，那么對于各個點可定義如下圖1所示。

圖1 主剪運行圓周圖

各點對應的工藝含義如下：

SB—開始剪切時間點，定義為零點；SE—剪切結束點；VB—可開始送鋼板；VE—到此處須停止送鋼板，使鋼板保持靜止；D—主剪刃上下刃間隙最大處(大約110mm)，也稱作“駐點”，為剪刃開口從變大轉化為變小的切換點；

OW—剪刃水平最高位置(上剪刃)；

VW—剪刃水平最低位置，換刀位。

那么對于夾送輥的夾送鋼板功能，需要在主剪刃抬起一定高度的安全區域內，夾住鋼板迅速啟動并在主剪刃落下前迅速停止。在剪切16刀/min的情況下，夾送輥須按照如下速度運行,如圖2所示。

各點對應的控制含義如下：(以每次送板步長1300mm為例說明)如圖2所示。

圖2 步長速度對應關系

4 控制系統的構成

4.1 概述

為了滿足高精度位置控制，以及高度自動化的生產，此工程采用西門子PCS 7系統，該系統是完全無縫集成的自動化解決方案，是西門子的DCS系統，基于過程自動化，從傳感器、執行器到控制器，再到上位機，自下而上形成完整的TIA(全集成自動化)架構。主要包括Step7、CFC、SFC、Simatic Net和WinCC以及PDM等軟件，組態對象選用S7-400高端CPU，PCS7中的OS中的很多模板和畫面都是在Step7中用CFC和SFC自動生成的，變量記錄和報警記錄也都是由Step7中編譯傳送到WinCC中去的，并不需要象使用普通WinCC那樣手動組態畫面、變量記錄和報警記錄[2]。

4.2 硬件配置和架構

本工程采用S7-416-2DP，主要性能：內置工作存儲1600KB字節，裝載存儲256K RAM,可擴展RAM 64M，FEPROP 64M；處理能力：位操作和位指令最小0.08us，整數運算指令最小0.08s，浮點數運算指令最小0.48μs，定時器和計數器數量均為512個，FB和FC塊可用均為2048個，總I/O地址區16k字節/16k字節，數字量通道I/O:131072/131072個，模擬量通道I/O均為 8192/8192個[6]。

配備443-5 Profibus-DP通訊處理卡2快，443-1工業以太網通訊處理卡1快，急停型號采用400機架上配備IO模塊。現場數據采集采用ET-200M遠程I/O站，通過Profibus-DP同CPU通訊。6ES70傳動裝置、主要馬達的編碼器也采用Profibus-DP同CPU通訊[4]。CPU同其他CPU通訊用DP-COUPLER實現。工程師站WS、操作員站OS通過工業以太網同CPU通訊。預留了打印功能，未配置打印機。硬件架構如圖3所示。

圖3 雙邊剪硬件架構

4.3 軟件架構和SCADA

SCADA軟件采用西門子PCS7系統，通過同PLC的高度集成，實現HMI人機交互功能。PLC軟件采用STEP7,用STL、CFC、SFC方式編制，HMI軟件為WinCC，PCS7集成的優點在于在編制CFC/SFC時，可利用系統功能自動生成WinCC畫面，并可根據其他要求進行細致的修改完善。

5 脫離FM458的獨特的主令控制實現

5.1 一種新型的控制方式

西門子有一款代號FM458的專用處理器，以及相應的編碼器模塊，可進行高速采樣和高速控制。為了實現主令速度控制，雙邊剪控制系統可采用這套FM458系統[9]，但是經過研究分析，本工程摒棄了FM458，轉而通過一個獨特的軟件架構成功實現了步長設定和主令速度曲線產生。其核心在于兩種方案的優缺點分析，見表1。

5.2 實現方法

表1 兩種方案PLC配置對比

圖4 雙邊剪刀剪切動作流程控制框圖

雙邊剪刀可實現的剪切頻率是16/20/24/28刀/min，通過和兩種步長1050mm/刀，1300mm/刀的組合，一個可以產生8種剪切模式，完全可以滿足實際使用要求。并具備靈活的擴展性，若有需要，可在這個基礎上開發出新的模式，限制是設備的機械響應性能。事實證明，28刀/min的剪切速度下，夾送輥夾送能力已經達到極限，設定1300mm/刀時夾送輥夾送距離只能達到1100mm，和1050mm/刀的步長相差不大，而且在28刀/min的情況下跑偏幾率增大，得不償失，生產中一般不采用。

6 調試過程遇到的問題和以后研究方向

6.1 跑偏問題

因為鋼板本身尺寸、兩側夾送輥液壓壓下微小時間差及壓下力微小不同等原因，在一定情況下，鋼板會發生跑偏，并且通過夾送輥夾送，這種跑偏現象會被放大，進而產生臺階型缺陷、牙簽型缺陷、沖板型缺陷，通過調整夾送輥同步準確度，以及調整夾送輥的夾角，改變了鋼板兩側的受力不等的缺點，取得了良好的效果[7]。但是這種調整還不能做到在線實時自動調整，下一步改進研究方向是將8個夾送輥角度調整改進為由變頻或伺服控制，在相對于夾送輥中心軸垂直的平面內從橫向和縱向兩個方向調整，加入傳感器檢測鋼板跑偏情況，并建立數學模型，結合神經網絡等先進的控制方法，做到對鋼板跑偏的實時糾正。

6.2 夾送輥和夾送輥電機連接螺栓斷裂

因為剪切過程，夾送輥高速啟動停止，機械沖擊很大，試生產階段，幾乎每隔幾天就發現夾送輥螺栓全部切斷，經過分析是由于每個螺栓受力不均勻，在大沖擊力下，會被“各個擊破”，后面經過現場技術處理，換用高強螺栓，并通過一個環形金屬圈焊接成一個整體，大大改善了螺栓受力均勻狀況。從控制上，通過將變頻驅動的速度輸出進行優化，使速度曲線更加平滑，減少轉矩、速度的微小突變，改善了外部作用的螺栓上的沖擊力。最終螺栓斷裂狀況大大好轉。

6.3 移動側剪房的移動馬達，主剪剪刃間隙調整馬達，碎邊剪剪刃間隙調整馬達均為恒速馬達，生產期間間歇運行，存在控制精度低，調整速度慢的缺點，通過優化控制，能基本滿足目前的要求。下一步研究方向是將這些馬達的控制改為變頻控制，進而提高調整精度和速度，加快生產節奏。

7 結束語

2010年中冶京誠總包的寶鋼中厚板雙邊剪工程從開始安裝到負荷試車成功，絕對工期80天，創造了當時同類工程的最短記錄，八一鋼鐵公司滾切式雙邊剪從安裝到達產僅用62天，創造了新的記錄。滾切式雙邊剪的控制難度高，國內能做好該系統軟件編程及調試的單位寥寥無幾，通過該項目證明寶鋼工程技術集團項目成員優異的設計、編程和調試能力。這也是跟業主的大力配合分不開的。調試時間為2011年春節，利用了生產淡季，經過近4年多以來的良好運行，證明了設計的優良，同時在以后的類似項目中，具有較強的借鑒意義。

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AutomaticControlofDoubleSidesRotaryTrimmingShear

Feng Zhanguo

(Baosteel Engineering & Technology Group Co., Ltd., Shanghai 201900)

Through the use of Siemens PCS7 system, with master speed control on 6SE70 variable frequency speed regulating devices, to achieve precision control requirements of double sides trimming shear′s pinch rollers on pinching steel plate, analyze main shear and pinch roll′,motion control in detail. And put forward a kind of optimization control method without FM458 module after compared several type control methods including the control method with FM458.

Double sider trimmer Main shear control Pinch roll control PLC control mode without FM458

馮展國，男，1979年出生，畢業于北京科技大學機械工程及自動化專業，學士，工程師，從事電氣專業工作

TG333.21

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.05.009

2014-05-10)