淺談高速倍尺飛剪的控制方案

王盈 張寶青

【摘 要】隨著冶金行業(yè)不斷的發(fā)展與進(jìn)步，對(duì)于設(shè)備的性能提出了更高的要求，目前國(guó)內(nèi)棒材生產(chǎn)線倍尺飛剪切分系統(tǒng)僅能提供最高15m/s的剪切速度，但對(duì)于軋機(jī)設(shè)備本身可提供最高大于40m/s的生產(chǎn)速度，這樣相對(duì)落后的飛剪系統(tǒng)就成為了軋鋼生產(chǎn)過(guò)程中的瓶頸。鑒于此，本文著重講述了更高性能倍尺飛剪的設(shè)計(jì)基本理念，以期能夠更好的提高我國(guó)冶金行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】高速飛剪；軋鋼；棒材；電氣自動(dòng)化技術(shù)

1.概況

目前國(guó)內(nèi)冶金市場(chǎng)產(chǎn)能過(guò)剩已經(jīng)成為不可爭(zhēng)議的事實(shí)，在國(guó)內(nèi)棒材市場(chǎng)逐漸飽和的大市場(chǎng)環(huán)境下，軋鋼車(chē)間節(jié)約成本就顯得尤為重要。飛剪在生產(chǎn)棒材的軋鋼車(chē)間是一種非常重要的設(shè)備，飛剪的主要作用是在棒材軋線末架軋機(jī)后， 工件上冷床之前， 根據(jù)冷床的長(zhǎng)度及所生產(chǎn)產(chǎn)品的定制長(zhǎng)度， 把軋線出口的棒材成品按照所需定尺的倍數(shù)（最終成品長(zhǎng)度為定尺長(zhǎng)度，飛剪按照定尺的倍數(shù)來(lái)切分成品，稱(chēng)為倍尺長(zhǎng)度）剪切分段以方便停放在冷床上。為了提高成材率減少?gòu)U料，對(duì)于倍尺飛剪應(yīng)具備超高的剪切精度以及極快的剪切速度，因?yàn)楸冻唢w剪的剪切速度如與棒材速度不匹配會(huì)造成棒材在飛剪剪切過(guò)后出現(xiàn)彎頭彎尾現(xiàn)象，造成廢料產(chǎn)生。故而國(guó)內(nèi)的很多生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率受到了飛剪最大剪切速度的局限，無(wú)法提高棒材生產(chǎn)線出口產(chǎn)品的線速度。目前國(guó)內(nèi)常見(jiàn)棒材生產(chǎn)線的出口速度為6m/s～14m/s，如能提高棒材出口速度將大大提高生產(chǎn)效率，給企業(yè)節(jié)約成本，讓企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲得更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

目前市面上主要使用的倍尺飛剪有 3種結(jié)構(gòu)形式。

a.離合式

本飛剪主要由電機(jī)、減速機(jī)、離合器構(gòu)成，根據(jù)離合器不同又可以細(xì)分為液壓、氣動(dòng)、電磁等形式。在工作過(guò)程中電機(jī)本身長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，飛剪本體長(zhǎng)期靜止，電機(jī)本體經(jīng)過(guò)離合器、減速機(jī)與飛剪本體連接。在需要剪切時(shí)根據(jù)飛剪本體所裝的傳感器信號(hào)（接近開(kāi)關(guān)、編碼器等）通過(guò)PLC程序控制離合器的分?jǐn)?，?lái)控制飛剪本體動(dòng)作。

離合式飛剪的優(yōu)點(diǎn)是電機(jī)功率較小，缺點(diǎn)是離合制動(dòng)機(jī)構(gòu)受到的沖擊大，易損壞，維修工作量大。

b.電機(jī)啟停式

本飛剪主要結(jié)構(gòu)是直流電機(jī)與飛剪本體直接連接，通過(guò)直流調(diào)速器控制飛剪在剪切瞬間進(jìn)行電機(jī)啟?？刂?，這種形式的飛剪是目前普遍采用的飛剪結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的飛剪一般剪切速度能達(dá)到14m/s～15m/s。

該產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有機(jī)械式啟停結(jié)構(gòu)，而是通過(guò)電流對(duì)電機(jī)進(jìn)行啟停控制，這樣的控制方式穩(wěn)定性高，不像離合剎車(chē)結(jié)構(gòu)對(duì)設(shè)備沖擊大，故障率低，維護(hù)容易。但是缺點(diǎn)也很明顯，因?yàn)橐箅姍C(jī)在瞬間就能達(dá)到剪切速度，所以電機(jī)功率及過(guò)載倍數(shù)選型較大，一般在達(dá)到15m/s的剪切速度后很難突破，無(wú)法進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。

c.旋轉(zhuǎn)式

本類(lèi)型飛剪是本文著重介紹的產(chǎn)品，該飛剪采用直流電機(jī)常轉(zhuǎn)、剪切時(shí)由伺服機(jī)構(gòu)送料至剪切位剪切的方式工作。現(xiàn)國(guó)內(nèi)該設(shè)備主要提供商為德國(guó)西馬克、意大利達(dá)涅利、美國(guó)摩根，剪切速度可達(dá)40m/s，廣泛應(yīng)用于高速棒材生產(chǎn)線，但由于技術(shù)壟斷，價(jià)格較高，投資回收周期較長(zhǎng)。

本產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)是由于飛剪不需要瞬間加速到剪切速度，所以對(duì)于直流電機(jī)的功率選型較小，同時(shí)更容易實(shí)現(xiàn)更高的剪切速度。而本產(chǎn)品的主要難度在于伺服機(jī)構(gòu)要求響應(yīng)速度較快，必須在飛剪旋轉(zhuǎn)2圈時(shí)間內(nèi)將棒材從安全區(qū)域進(jìn)給到剪切區(qū)域，所以調(diào)試較傳統(tǒng)產(chǎn)品相對(duì)復(fù)雜，但是調(diào)試正常后可靠性依然很高。

2.基本系統(tǒng)配置與控制原理

HSC通道要求：設(shè)計(jì)剪切速度40m/s，軋輥直徑為360mm，編碼器每圈輸出360計(jì)數(shù)脈沖，估算碼盤(pán)脈沖頻率約為12738HZ。根據(jù)以上參數(shù)進(jìn)行PLC選型，采用西門(mén)子S7-300 313C CPU作為飛剪主PLC。伺服機(jī)構(gòu)采用西門(mén)子S7-200和 EM253進(jìn)行控制，以達(dá)到高速響應(yīng)的目的。飛剪主電機(jī)采用西門(mén)子6RA70進(jìn)行直流調(diào)速控制。伺服驅(qū)動(dòng)器采用臺(tái)達(dá)高性能ASDA-B2系列伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器組合，以滿足系統(tǒng)對(duì)于伺服電機(jī)高速響應(yīng)的要求。

基本工作流程：工件從末架軋機(jī)出口被熱金屬檢測(cè)器檢測(cè)到，將信號(hào)傳給PLC，HSC高速計(jì)數(shù)通道清零當(dāng)前計(jì)數(shù)脈沖并重新開(kāi)始計(jì)數(shù)，該計(jì)數(shù)脈沖值可根據(jù)軋機(jī)軋輥的周長(zhǎng)換算成棒材行走的長(zhǎng)度，通過(guò)比較當(dāng)前長(zhǎng)度與目標(biāo)長(zhǎng)度進(jìn)行飛剪剪切動(dòng)作。

剪切動(dòng)作：飛剪主PLC給出飛剪剪切信號(hào)至S7-200 CPU 由EM253模塊發(fā)送位置脈沖控制伺服機(jī)構(gòu)動(dòng)作，此時(shí)伺服擺桿機(jī)構(gòu)指向第一通道，在飛剪離剪切還有兩整圈時(shí)，擺桿開(kāi)始動(dòng)作向剪切點(diǎn)靠攏，在飛剪刀片重合時(shí)由于伺服的精密控制此時(shí)棒材正好行走到飛剪的剪切區(qū)域，此時(shí)剪斷棒材后伺服繼續(xù)向后運(yùn)動(dòng)并離開(kāi)剪切區(qū)域，最后指向第二通道。再次剪切重復(fù)以上動(dòng)作并由第二通道反向擺回第一通道，周而復(fù)始不斷循環(huán)。

飛剪調(diào)速控制：飛剪本體旋轉(zhuǎn)一圈劃分為360度，飛剪刀片重合時(shí)，飛剪接近開(kāi)關(guān)信號(hào)恰好為ON。并且清零飛剪角度脈沖，故認(rèn)為飛剪刀片重合時(shí)為零度。

由于軋機(jī)編碼器反饋給PLC的數(shù)值可計(jì)算出鋼筋已經(jīng)經(jīng)過(guò)熱檢的長(zhǎng)度并計(jì)算出飛剪合理角度，將飛剪合理角度與當(dāng)前角度進(jìn)行比較，并用系數(shù)加權(quán)進(jìn)行PID調(diào)速控制，保證剪切時(shí)的長(zhǎng)度正好為設(shè)備中預(yù)先設(shè)置好的剪切長(zhǎng)度。

3.詳細(xì)控制方法

假設(shè)熱檢所在位置為A點(diǎn)， 當(dāng) 工 件到 達(dá) A 點(diǎn) ， 熱 檢H1信號(hào)輸出， HSC模塊開(kāi)始為棒材長(zhǎng)度計(jì)數(shù)（由軋機(jī)編碼器P1提供長(zhǎng)度信號(hào)）。假設(shè)工件前進(jìn)的速度為V1，目標(biāo)剪切長(zhǎng)度為L(zhǎng)m，飛剪旋轉(zhuǎn)速度為V2。因?yàn)轱w剪速度要與棒材速度一致，故飛剪調(diào)整的目標(biāo)速度為飛剪速度與棒材速度相匹配V1等于V 2。從 B點(diǎn)開(kāi)始考慮飛剪的計(jì)算與調(diào)節(jié)， 由HSC計(jì)數(shù)值計(jì)算得出棒材已經(jīng)經(jīng)過(guò)B點(diǎn)的行程為 L x。

剩余未走完長(zhǎng)度L=Lm-Lx

飛剪電機(jī)編碼器P2可測(cè)量飛剪剪刃的角度與速度 。設(shè)上下剪刃相切時(shí)的位置為角度零點(diǎn)。飛剪上剪刃與零位夾角為 α ， 下剪刃與上剪刃步調(diào)一致無(wú)需額外考慮，其位置完全與上剪刃同步且對(duì)稱(chēng)。設(shè)飛剪周長(zhǎng)為C則飛剪當(dāng)前調(diào)整的的目標(biāo)角度β為：

β=360*MOD（L/C）

根據(jù)飛剪目標(biāo)角度與實(shí)際角度的偏差通過(guò)PID控制算法可得飛剪當(dāng)前速度計(jì)算公式：

V=V2*K*[1+（α-β）/180]

其中K為PID調(diào)節(jié)中的增益系數(shù)，可在調(diào)試過(guò)程中根據(jù)設(shè)備工作情況適度調(diào)整系數(shù)大小，達(dá)到系統(tǒng)快速響應(yīng)的目標(biāo)并能保持系統(tǒng)穩(wěn)定。

系統(tǒng)在工作過(guò)程中始終按照上述公式進(jìn)行調(diào)整，剪切后的長(zhǎng)度即為設(shè)定長(zhǎng)度 L m。實(shí)際工作中， 每次飛剪剪切成功，由飛剪本體接近開(kāi)關(guān)信號(hào)清零棒材長(zhǎng)度的計(jì)數(shù)值，飛剪重新判斷位置并繼續(xù)調(diào)整?？刂葡到y(tǒng)在運(yùn)動(dòng)中始終不斷根據(jù)偏差調(diào)節(jié)電機(jī)的速度， 從而實(shí)現(xiàn)飛剪不斷重復(fù)剪切出設(shè)定長(zhǎng)度Lm的目的。

簡(jiǎn)單的說(shuō)就是控制系統(tǒng)根據(jù) α和 β 的偏差， 通過(guò)增大或減小飛剪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度， 使α角度逼近β位置。當(dāng)α角 度 等 于β值 時(shí)， 只 要 維 持 V 1=V 2， 即飛剪剪刃線速度 V 2始終跟隨工件的速度 V 1， 直到剪切位置， 則最終剪切工件長(zhǎng)度即為設(shè)定長(zhǎng)度L m。

為了提高剪切精度， 在編寫(xiě)控制系統(tǒng)的軟件時(shí)， 還應(yīng)考慮以下的測(cè)量校正與補(bǔ)償。因?yàn)镻 1編碼器得到的計(jì)數(shù)值， 并不完全表示工件的行程。在軋制過(guò)程中工件變形造成的超前或滯后， 使得軋輥的線速度與工件的線速度并不完全相等， 使 P 1計(jì)數(shù)值得到的工件長(zhǎng)度不準(zhǔn)確，在程序算法中應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。 僅僅采用理論計(jì)算來(lái)補(bǔ)償， 影響計(jì)算的因素太多， 如軋輥磨損、 輥縫大小、 軋制速度、 軋件溫度等， 很難進(jìn)行精確補(bǔ)償， 難于得到準(zhǔn)確值。

故應(yīng)采用簡(jiǎn) 單 的 方 法在 飛 剪 后 設(shè)補(bǔ)償用熱金屬檢測(cè)器H2。工件前端經(jīng)過(guò)H2時(shí)鎖存當(dāng)前長(zhǎng)度計(jì)數(shù)值，用于與H1＼H2兩個(gè)熱檢實(shí)際距離進(jìn)行比較，即可校正工件在行走中產(chǎn)生的長(zhǎng)度誤差。

4.結(jié)論

以上所述方法可以使飛剪剪切速度達(dá)到30m/s～40m/s，并且剪切精度提高達(dá)到±30mm，大大提高棒材生產(chǎn)效率，為企業(yè)節(jié)約成本，提高產(chǎn)能，使企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲得更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

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