專利名稱：雙電機高精度多功能棒材飛剪控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種冶金工業(yè)的棒材軋制的飛剪設(shè)備，尤其是一種用于多功能棒材飛 剪設(shè)備的控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在冶金工業(yè)的棒材軋制過程中，飛剪是整個棒材生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備，對生產(chǎn)線的連續(xù) 無故障運行，軋制成品的成材率、定尺率有較大的影響。而飛剪的剪切精度和優(yōu)化剪切對 減輕精整工序職工的勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率影響極大，因此提高飛剪的工作性能和穩(wěn) 定性就成為棒材連續(xù)軋鋼的一個重大的課題。但棒材飛剪，因要求速度快、精度高、剪切 功能齊全、定位準(zhǔn)確、工藝復(fù)雜，其自動控制一直是軋線控制的一個難點。
我國棒材生產(chǎn)廠家早期使用的飛剪基本為國外整套進(jìn)口，價格高，花費了大量外匯， 全套引進(jìn)包括機械設(shè)備和軟件編程調(diào)試費用折合人民幣高達(dá)幾百萬。而且由于國外廠家對 軟件進(jìn)行了加密處理，我國引進(jìn)方對飛剪的控制原理缺乏了解，維護(hù)難度高，維修服務(wù)周 期長， 一旦出現(xiàn)故障，將會嚴(yán)重影響生產(chǎn)，給棒材生產(chǎn)廠家造成巨大的經(jīng)濟損失。
近十幾年來，我國國內(nèi)的工業(yè)自動化控制公司在參考了國外設(shè)備的基礎(chǔ)上，逐步開發(fā)
了自主的倍尺飛剪控制系統(tǒng)，在經(jīng)歷了繼電器連鎖與模擬裝置控制，PLC與數(shù)字傳動系統(tǒng) 控制，PLC與數(shù)字傳動系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制等階段，目前國內(nèi)飛剪控制系統(tǒng)的技術(shù)水平己逐漸接 近進(jìn)口設(shè)備的水平，但仍存在相當(dāng)?shù)牟蛔恪?br> 我國自主開發(fā)的飛剪控制系統(tǒng)大多模仿國外的控制系統(tǒng)，與國外的控制系統(tǒng)具有大致 相同的技術(shù)特點飛剪由一臺幾百千瓦的直流他勵電機驅(qū)動；飛剪的機械軸上安裝接近開 關(guān)用于確定飛剪的起始位置和剪切位置；軋線布置上，在飛剪的前后各安裝一臺熱金屬檢 測器用于測定軋件的線速度，從而計算出飛剪剪切時的設(shè)定速度；根據(jù)測定的速度，由剪 后的熱金屬檢測器啟動計時器，當(dāng)計算出的軋件長度與設(shè)定長度相等時，向傳動系統(tǒng)發(fā)出 剪切指令，傳動系統(tǒng)驅(qū)動電機從起始點加速完成一次剪切并重新定位回到起始點。正是由 于上述幾個特點，對飛剪的剪切精度產(chǎn)生了較大的影響。接近開關(guān)確定飛剪的起始位置和 剪切位置，這種定位存在死區(qū)，易受溫度、震動等因素影響，定位精度不高， 一般誤差在 4度以上，造成每次剪切的行程不同，影響剪切精度；采用安裝在剪前和剪后的熱金屬檢 測器測量的軋件速度是軋件在這段距離行走的平均速度，并不能準(zhǔn)確代表軋件在剪后熱金 屬檢測器后的行走速度，如果剪后熱金屬檢測器感光后軋件速度發(fā)生波動，就直接影響剪 切長度的精度。此外，使用一臺幾百千瓦的直流他勵龜機拖動，會增加電機的飛輪矩使系 統(tǒng)的快速響應(yīng)能力變差，過度過程延長，降低了生產(chǎn)效率，和飛剪的剪切精度。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型是要提供一種雙電機高精度多功能棒材飛剪控制系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有飛剪
控制系統(tǒng)存在的定位精度差，直接影響剪切長度精度的技術(shù)問題。
為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術(shù)方案是 一種雙電機高精度多功能棒材飛剪控制
系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于起停式飛剪，其機械傳動部分的兩個剪刃分別由一套直流電機和減速機
構(gòu)成，而其剪機本體為一個整體；控制剪刃的兩臺直流電機共用一套控制裝置(6RA70)
和PLC系統(tǒng)，兩臺電機的電樞和勵磁分別串聯(lián)；其特點是兩臺并聯(lián)的直流電機電樞串聯(lián)、
勵磁串聯(lián)后接控制裝置(6RA70)和PLC系統(tǒng)；控制裝置(6RA70)和PLC系統(tǒng)舉出的速
度給定和控制指令經(jīng)電勢和預(yù)控調(diào)節(jié)模塊，勵磁電流和預(yù)控調(diào)節(jié)模塊處理后輸入單相半控
橋回路，單相半控橋回路經(jīng)分流器接兩臺并聯(lián)的直流電機的串聯(lián)勵磁；檢測器檢測的位置
信號和測速信號經(jīng)速度調(diào)節(jié)模塊，電樞電流和預(yù)控調(diào)節(jié)模塊處理后輸入控橋回路，控橋回
路接兩臺并聯(lián)的直流電機的串聯(lián)電樞其中，測速信號還反饋給電勢和預(yù)控調(diào)節(jié)模塊，分流
器輸出勵磁電流實際信號給勵磁電流和預(yù)控調(diào)節(jié)模塊。
控制裝置(6RA70)和PLC系統(tǒng)上配有CBP通訊板，并通過PROFIBUS-DP網(wǎng)進(jìn)行數(shù)
據(jù)通訊，發(fā)出啟動和停止指令以及速度指令；電勢和預(yù)控調(diào)節(jié)模塊由電勢調(diào)節(jié)器(EC)和
電勢預(yù)控器(EP)并聯(lián)組成；勵磁電流和預(yù)控調(diào)節(jié)模塊由勵磁電流調(diào)節(jié)器(FC)和勵磁電
流預(yù)控器(FP)并聯(lián)組成；速度調(diào)節(jié)模塊由給定積分器(GJ)和速度調(diào)節(jié)器(SC)串聯(lián)組
成；電樞電流和預(yù)控調(diào)節(jié)模塊由電樞電流調(diào)節(jié)器(AC)和電樞電流預(yù)控器(AP)并聯(lián)組成。
系統(tǒng)的剪刃定位精度為±0.5度，且尾段剪切無短尺；剪切速度范圍為l~10m/s,兩臺直流
電動機的功率為37KW;PLC可編程控制器由電源模塊(PS307)、高速計數(shù)模塊(FM350-1)、
以太網(wǎng)通訊模塊(6ES7-343)、開關(guān)量輸入模塊(DI)、開關(guān)量輸出模塊(DO)、模擬量輸
出模塊(AO)和模擬量輸入模塊(AI)組成；飛剪控制系統(tǒng)包括兩級網(wǎng)絡(luò)通訊，第一級
為工業(yè)以太網(wǎng)通訊，用于飛剪PLC和上位機通訊以實現(xiàn)飛剪的參數(shù)設(shè)定和狀態(tài)顯示；第二
級網(wǎng)絡(luò)為PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，用于飛剪PLC向傳動系統(tǒng)控制裝置(6RE70)發(fā)送控
制指令及傳動系統(tǒng)返回工作狀態(tài)。
本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是 (1)機械傳動部分的兩個剪刃分別由一套直流電機、減速機構(gòu)成，而其剪機本體為一個
整體，運行穩(wěn)定可靠，故障率低；兩臺電機的直流傳動裝置為雙閉環(huán)可逆讕速與弱磁調(diào)速
配合的控制系統(tǒng)，兩臺并聯(lián)直流電機由一套全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)控制，且來用電樞串聯(lián)、
勵磁串聯(lián)的形式；該方式能有效地克服兩臺電機由于制造的原因而出現(xiàn)電樞電磁通不相等
的問題，防止了在雙電機拖動系統(tǒng)中一臺電機過載、過熱而另一臺卻負(fù)載不足的情況，使 兩臺電機的速度變化率同步。采用雙電機拖動的飛剪控制系統(tǒng)具有很好的快速響應(yīng)性和穩(wěn) 定性(圖2所示)；全數(shù)字直流調(diào)速裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊，控制功能齊全，調(diào)試簡便等優(yōu)點；
(2) 剪切速度范圍滿足n0m/s;
(3) 可實現(xiàn)切頭、切尾、單切、碎斷、任意分段剪切、倍尺剪切、剪切參數(shù)動態(tài)調(diào)整且
無需修改PLC程序，以及飛剪工作狀態(tài)和故障信息實時顯示等功能；
(4) 剪切棒材端面光滑，且采集出口機架碼盤信號，精度可達(dá)土7mm;
(5) 剪切面積可達(dá)2500ram2 ;
(6) 尾段剪切無短尺；
(7) 飛剪剪刃定位精度達(dá)到土0.5度；
(8) 成品成材率提高0.5%。


圖1是本實用新型的控制系統(tǒng)原理圖； 圖2是雙電機拖動機械特性圖； 圖3是預(yù)控調(diào)節(jié)框圖4是剪刃運行軌跡圖5是飛剪和HMD的平面布置圖6是飛剪切頭時的動作執(zhí)行過程示意圖7是飛剪切尾時的動作執(zhí)行過程示意圖。
具體實雜方式
下面結(jié)合具體實施例，進(jìn)一步闡述本實用新型。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本
實用新型而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本實用新型講授的內(nèi)容之后，
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本實用新型作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附
權(quán)利要求書所限定的范圍。
如圖1所示，本實用新型的雙電機高精度多功能棒材飛剪控制系統(tǒng)，基于起停式飛剪，
將傳統(tǒng)的單臺大功率直流電動機驅(qū)動，改為由兩臺37KW直流電動機組成的機械并聯(lián)、電 氣串聯(lián)傳動系統(tǒng)形式?？刂葡到y(tǒng)采用德國西門子公司的S7-300PLC可編程控制器，該控制 器由電源模塊PS307、高速計數(shù)模塊FM350-1、開關(guān)量輸入模塊DI、開關(guān)量輸出模塊DO、 模擬量輸出模塊AO和模擬量輸入模塊AI組成。直流電動機驅(qū)動系統(tǒng)采用SIEMENS的全數(shù)
字直流調(diào)速系統(tǒng)6RA70，鋼的信號檢測由裝在飛剪前后的三只熱金屬檢測器完成。
本系統(tǒng)采用三環(huán)全數(shù)字控制方式，有全數(shù)字直流調(diào)速裝置和PLC完成電流環(huán)、速度環(huán)、 位置環(huán)的運算和控制。操作人員利用操作臺的工控機進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。工控機與S7-300PLC 之間采用以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，S7-300PLC與6RA70全數(shù)字直流調(diào)速裝置之間采用PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線進(jìn)行通訊。
雙電機拖動，即是用兩臺小功率直流電機共同拖動飛剪上、下兩剪刃，代替一臺大功 率直流電動機。就本飛剪電氣傳動系統(tǒng)而言，兩臺直流電動機功率相等僅為37KW,且具有 相同的電氣特點和性能，即使它們之間有差值，也應(yīng)在磁場控制允許的范圍內(nèi)。兩臺電機 的直流傳動裝置為雙閉環(huán)可逆調(diào)速與弱磁調(diào)速配合的控制系統(tǒng)，兩臺并聯(lián)直流電機由一套 SIEMENS的全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)6RA70控制，且釆用電樞串聯(lián)、勵磁串聯(lián)的形式(如圖1)。 該方式能有效地克服兩臺電機由于制造的原因而出現(xiàn)電樞電磁通不相等的問題，防止在雙 電機拖動系統(tǒng)中一臺電機過載、過熱而另一臺卻負(fù)載不足的情況，使兩臺電機的速度變化 率同步。
控制裝置(6RA70)和PLC系統(tǒng)發(fā)出的速度給定和控制指令經(jīng)電勢和預(yù)控調(diào)節(jié)模塊， 勵磁電流和預(yù)控調(diào)節(jié)模塊處理后輸入單相半控橋回路，單相半控橋回路經(jīng)分流器接兩臺并 聯(lián)的直流電機的串聯(lián)勵磁；檢測器檢測的位置信號和測速信號經(jīng)速度調(diào)節(jié)模塊，電樞電流 和預(yù)控調(diào)節(jié)模塊處理后輸入控橋回路，控橋回路接兩臺并聯(lián)的直流電機的串聯(lián)電樞其中， 測速信號還反饋給電勢和預(yù)控調(diào)節(jié)模塊，分流器輸出勵磁電流實際信號^^勵磁電流和預(yù)控 調(diào)節(jié)模塊。
電勢和預(yù)控調(diào)節(jié)模塊由電勢調(diào)節(jié)器EC和電勢預(yù)控器EP并聯(lián)綴成；M電流和預(yù)控調(diào) 節(jié)模塊由勵磁電流調(diào)節(jié)器FC和勵磁電流預(yù)控器FP并聯(lián)組成；速度調(diào)節(jié)機決由給定積分器 GJ和速度調(diào)節(jié)器SC串聯(lián)組成；電樞電流和預(yù)控調(diào)節(jié)模塊由電樞電流調(diào)節(jié)器AC和電樞電流 預(yù)控器AP并聯(lián)組成。
本實用新型基于起停式飛剪，其機械傳動部分的兩個剪刃分別由一^直流電機和減速 機構(gòu)成，而其剪機本體為一個整體?？刂萍羧械膬膳_直流電機共用一套6RA70裝置和PLC 系統(tǒng)，兩臺電機的電樞和勵磁分別串聯(lián)。飛剪定位采用與飛剪剪刃同軸安裝光電編碼器， 并經(jīng)西門子高速計數(shù)模塊FM350-1運算的方法，使飛剪定位精度達(dá)到±0.5度以內(nèi)；采用 出口機架軋輥編碼器信號計數(shù)的方法計算剪切長度，避免軋機速度波動對飛剪剪切精度的 影響充分利用S7-300PLC掃描周期對剪切精度的影響；采用熱金屬檢柳雕對軋件尾部進(jìn) 行計算和尾部優(yōu)化剪切計算；利用三臺熱金屬檢測器組成的檢測網(wǎng)絡(luò)，附之PLC程序?qū)崿F(xiàn)
切頭、切尾、單切、碎斷、任意分段剪切、倍尺剪切等功能。
本實用新型包括飛剪的硬件配置和PLC軟件編程，飛剪的硬件配置包括軋線軋機
及檢測設(shè)備布置、飛剪機械設(shè)備和驅(qū)動電機、飛剪操作設(shè)備、傳動系統(tǒng)設(shè)計、PLC配置及
網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；PLC軟件編程又分為定位控制、切頭剪切控制、切尾剪切控制、單切剪切控制、
碎斷剪切控制、任意分段剪切控制、倍尺剪切控制、尾段優(yōu)化剪切、監(jiān)控畫面設(shè)計。PLC 即可編程控制器是整套飛剪控制系統(tǒng)的核心部件。PLC要完成對現(xiàn)場檢測設(shè)備的信號采集， 并根據(jù)剪切參數(shù)的設(shè)定完成數(shù)據(jù)計算，向傳動系統(tǒng)發(fā)出剪切指令，并根據(jù)剪臂的實際位置， 進(jìn)行定位控制，使飛剪快速精確地回到起始位置。因此，經(jīng)過仔細(xì)的比較與篩選我課題組 選擇了 S正MENS公司的SIMATIC S7-300系列PLC, SIMATIC S7-300PLC是S正MENS 公司設(shè)計生產(chǎn)的工業(yè)環(huán)境下使用的底版總線機架式PLC,用于中、高性能工業(yè)控制領(lǐng)域， 它采用模塊化設(shè)計，有多種性能各異的CPU和I/0模塊，易于系統(tǒng)擴展和分布控制，可根 據(jù)使用需求靈活組合配置，具有強大的數(shù)據(jù)處理能力和多種網(wǎng)絡(luò)通訊功能，同時擁有良好 的電磁兼容性和抗沖擊、耐振動性，能最大限度的適應(yīng)各種工業(yè)環(huán)境。根據(jù)飛剪的控制要 求，在S7-300機架配有如下模塊高性能電源模塊6ES7307，中央處理器模塊選用 6ES7315-2DP,以太網(wǎng)通訊模塊6ES7-343，高速計數(shù)模塊FM350-1、 32點開關(guān)量模塊 6ES7321和32點開關(guān)量輸出模塊6ES7322。
整個飛剪控制系統(tǒng)采用兩級網(wǎng)絡(luò)通訊，第一級采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊，用于飛剪PLC和 上位機通訊以實現(xiàn)飛剪的參數(shù)設(shè)定和狀態(tài)顯示。工業(yè)以太網(wǎng)通訊速率為10MB/S，采用802.3 國際標(biāo)準(zhǔn)，通訊介質(zhì)同軸電纜，按照正EE標(biāo)準(zhǔn)，本網(wǎng)絡(luò)段最多可有IOO個節(jié)點，目前設(shè) 計網(wǎng)絡(luò)上只有十個節(jié)點左右，對采用載波監(jiān)聽，碰撞檢測方式的ETHERNET不會造成通 訊率的衰減。第二級阿絡(luò)采用PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，用于飛剪PLC向傳動系統(tǒng)6RE70 發(fā)送控制指令及傳動系統(tǒng)返回工作狀態(tài)。PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，是國際上普遍采用的現(xiàn)場 總線，通訊速率1.5MB/S，通訊介質(zhì)采用屏蔽雙絞電纜，最大通訊距離取決于通訊速率， 若保證1.5MB/S的通訊速率，最大通訊距離〈200M，每段總線上最多可有32個節(jié)點(不 帶REPEATER)。 PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)為帶有主從方式的令牌網(wǎng)絡(luò)，適用于工業(yè)實時控制， 可以自動檢測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的加入和退出。
飛剪的定位控制是指對飛剪剪刃的控制，也即在接到剪切指令后控制飛剪剪切并最終 回到初始位置。由于本飛剪是采用起-停工作制，剪切和制動均在一周內(nèi)完成，所以需要對 剪刃位置進(jìn)行控制，因此在飛剪直流電動機所需的電流環(huán)、速度環(huán)外，另加一個位置環(huán)進(jìn) 行控制，位置環(huán)的反饋為與剪刃同軸安裝的位置編碼器，以實現(xiàn)對剪刃位置的精確控制。 飛剪控制就是通過軋線檢測設(shè)備判斷軋件的行走位置和長度，適時地發(fā)出剪切指令， 使飛剪按照監(jiān)控畫面設(shè)定的剪切長度對軋件剪切。飛剪監(jiān)控系統(tǒng)的目標(biāo)是實現(xiàn)飛剪剪切參 數(shù)的動態(tài)調(diào)整，飛剪工作狀態(tài)和故障信息的及時顯示，為工廠維護(hù)人員處理故障提供幫助，
做到工廠維護(hù)人員不需要對PLC程序進(jìn)行修改和監(jiān)控就可以掌握飛剪及現(xiàn)場輔助設(shè)備和 現(xiàn)場檢測設(shè)備的工作狀態(tài)。
本實用新型的速度給定和控制指令 兩臺電機異軸并聯(lián)，為了保證兩臺電機運轉(zhuǎn)的一致性，控制系統(tǒng)必須保證同時啟動、
制動和停止。由于本系統(tǒng)采用一套直流控制裝置，所以在控制裝置6RA70上配有CBP通訊 板和S7-300PLC通過PROFIBUS-DP網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，S7-300PLC同時給傳動系統(tǒng)發(fā)出啟動 和停止指令以及速度指令。 本實用新型的勵磁控制
異軸并聯(lián)的雙電機控制系統(tǒng)，通常設(shè)計時，采用兩套獨立的勵磁裝置分別供給兩臺電 機的勵磁電流。而本次設(shè)計中，將兩臺電機的勵磁繞組串聯(lián)，由一套勵磁裝置供電，雖勵 磁繞組串聯(lián)后要求勵磁裝置的輸出電壓有所提高，但兩電機的同步性能得到加強。勵磁電 流的調(diào)節(jié)部分在6RA70裝置中完成，具有勵磁電流設(shè)定、停機勵磁和自動弱磁控制等功能。 其功率部分仍為單相半控橋回路，勵磁電流實際信號取自勵磁單元輸出回路中的分流器，
調(diào)節(jié)器參數(shù)均可在優(yōu)化運行中確定。 本實用新型的電勢調(diào)節(jié)
由于兩臺電機的勵磁控制是串聯(lián)的，速度調(diào)節(jié)器在兩電機共周系統(tǒng)中，為保證兩套系 統(tǒng)同時進(jìn)行自動弱磁控制和電勢調(diào)節(jié)，對兩臺電機同時進(jìn)行特性測試運行，來確定弱磁點、 磁化曲線和電勢調(diào)節(jié)器的參數(shù)，從而達(dá)到兩臺電機的同步運行。
本實用新型的預(yù)控調(diào)節(jié)
在數(shù)字控制系統(tǒng)中，為了使給定和反饋信號很快通過控制環(huán)節(jié)挺響被調(diào)量,加快系統(tǒng)對 給定量的響應(yīng)，都設(shè)計了預(yù)控環(huán)節(jié)。其原理是根據(jù)給定量及系統(tǒng)參數(shù)計算出控制對象所需
的控制信號，直接作用于控制對象。在系統(tǒng)中有電樞電流預(yù)控、EMF預(yù)控和勵磁電流預(yù)控
環(huán)節(jié)。以電樞電流預(yù)控介紹預(yù)控結(jié)構(gòu)原理。
電樞電流預(yù)控環(huán)節(jié)是根據(jù)電樞電流給定，電動機電樞回路參數(shù)電阻，電感以及電勢，
計算出系統(tǒng)所霈的觸發(fā)信號。原理框圖如圖3所示。
本實用新型采用雙電機拖動的飛剪控制系統(tǒng)具有很好的快速響應(yīng)性和穩(wěn)定性(圖2所
示)。兩臺電機各自的機械特性相同(特性1)，共同承擔(dān)總的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，輸出的合成特性
(特性2)比一臺電機的機械特性因硬很多。機械特性越硬，則系統(tǒng)越穩(wěn)定。因此，選擇 小功率的電機，飛輪矩也減小很多。飛輪矩的減小將使系統(tǒng)的機械慣性減小，起、制動的 過渡過程縮短，提高了快速響應(yīng)能力，適應(yīng)了飛剪設(shè)備高速動作的要求，減小了堵轉(zhuǎn)電流 和能量消耗。
全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)(SIEMENS 6RA70系統(tǒng))由于其結(jié)構(gòu)緊湊，控制功能齊全，調(diào)試 簡便等優(yōu)點，因此在冶金行業(yè)各領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，它具有如下特點
(1) 全數(shù)字化，所有控制器及所有控制功能的實現(xiàn)由參數(shù)設(shè)定完成；
(2) 速度調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器參數(shù)能通過自優(yōu)化而自動設(shè)置；
(3) 標(biāo)準(zhǔn)裝置采用電流、速度雙閉環(huán)原理，可實現(xiàn)四象運行，滿足各種基本控制要求；
(4) 本機能實現(xiàn)裝置一裝置、USS協(xié)議網(wǎng)通訊。
(5) 保護(hù)功能齊備；
(6) 磁場電流閉環(huán)可調(diào)，可實現(xiàn)弱磁調(diào)速；
(7) PID工藝調(diào)節(jié)器，可實現(xiàn)三環(huán)(電流、電壓、速度)系統(tǒng)；內(nèi)部靈活豐富的軟件功能， 滿足各種比較比較復(fù)雜的控制要求，通過工藝板選件PT10及標(biāo)準(zhǔn)軟件，可實現(xiàn)巻曲，張 力、位置、同步等高精度控制要求，通過通訊板選件CB24，可實現(xiàn)PROFIBUS—DP網(wǎng)通訊， 并聯(lián)SITOR功率單元，可實現(xiàn)功率擴展。
本實用新型的自動控制過程
(1) 飛剪運行過程
本飛剪系統(tǒng)以剪刃速度作為系統(tǒng)速度，因為剪刃為360°周期運行，所以剪刃所處角度 值表示飛剪位置， 一般以剪刃閉合位置即剪切位置作為角度零位。圖4為飛剪運行軌跡， 飛剪的上下剪刃連接與同一減速機上，上下剪刃相對運行，示意圖簡化為上剪刃運行圖。 如圖4所示，Ax為飛剪剪刃入切位置， 一般取剪刃與工件相碰開始的角度，Ay為飛剪剪刃 出切角， 一般取剪刃與工件離開的角度。飛剪啟動后自動停在起始位置Az,接到啟動命令 后飛剪由起始位置Az加速到剪刃入切角度Ax時達(dá)到工件速度v。，在剪切過程中，即剪刃 在入切角與出切角范圍內(nèi)保持與工件同速，同時剪刃到達(dá)零位置時工件P點到達(dá)剪切零位， 到達(dá)剪刃出切角Ay剪切完成后，開始減速，接近起始位置時開始剪刃定位控制，剪刃停在 起始位置等待下一次剪切命令。
(2) 控制算法 飛剪和3個HMD的平面布置圖(如圖5所示)。
(3)切頭控制
A. 確定飛剪線速度Vjl
S7-300PLC系統(tǒng)通過高速計數(shù)器FM350-l獲取單位時間內(nèi)的飛剪前末軋機碼盤脈沖 數(shù)PJ，再根據(jù)軋輥直徑D1，碼盤每轉(zhuǎn)脈沖Pr即可先算出軋輥線速度Vgl:
V 1= n dl Pj/Pr
考慮到軋件前滑的影響，根據(jù)實踐經(jīng)驗選取前滑系數(shù)為1.03,則軋件實際速度為
Vg=l. 03Vgl
飛剪切頭速度應(yīng)考慮一定的超前量，則Vjl—1.03-1.05)Vg，超前系數(shù)選取可根據(jù)實 際生產(chǎn)確定。
B. 計算飛剪從啟動到剪切的時間TO
由于直流電機機械特性較硬，全數(shù)字直流驅(qū)動系統(tǒng)6RA70性能優(yōu)良，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的 速度控制，通過設(shè)定其內(nèi)部斜坡函數(shù)的參數(shù)來保證飛剪以恒加速度升速，故飛剪加速度aj 可根據(jù)6RA70直流驅(qū)動的設(shè)定參數(shù)計算得到，并可用示波器校正，則可計算出加速度時間 Tl:
Tl = Vjl/ci j
則加速距離AzAx為
Sj = AzAx = Vjl T1/2 飛剪從啟動到剪切所運行過的距離S-AzAxO，由飛剪后的測速碼盤測出的角度，并由 PLC按下列公式計算得到
S = n D3 X a /360 式中a -— AzAxO所對應(yīng)的角度； D3 ---飛剪剪刃回轉(zhuǎn)直徑。 飛剪穩(wěn)定運行到剪切點O的距離AxO為
S2= AxO =S-S1
運行時間為
T2 = S2 Vjl 故飛剪運行時間為 TO = Tl + T2
C. 計算啟動距離Lx
當(dāng)HMD1、 HMD2同時檢測到锎信號后，切頭程序開始運行，并計算出飛剪啟動時鋼頭運 行的距離Lx(如圖6):
Lx = L+AX-( TO + T3 )Vg 式中L --- HMD2到剪刃對齊時的距離； △X ---設(shè)定的切頭長度； T3 --- PLC發(fā)出指令到飛剪啟動瞬間的延遲時間 由于PLC掃描時間引起延遲的影響，啟動瞬間的實際距離Ls大于其計算距離Lx,故實 際誤差為
△L = Ls - Lx
即鋼頭運行的時間為
△T = AL / Vg
為彌補這段時間所造成的誤差，飛剪剪速度應(yīng)增加到Vj2以保證剪切精度。速度增量
為
△Vj - Vj2 —Vjl
為升高速度所用時間為
△t = AVj / a j
速度增加所運行過的距離為
A2 =(T2- AT —At/2)AVj 為補嘗由于啟動延遲所造成的誤差，應(yīng)使Al = A2,而A1 = Vjl AT
由上述可得 _
Vjl=a j (T2-AT ± V (T2—厶T)2—2 Tl AT) 在上式中，取"+ "號時，實際剪切的切頭長度偏小，不利于安全可靠的剪切，為保 證合適的切頭長度，故取號為宜。則飛剪啟動剪切的實際速度為Vj2 =Vjl
(4) 切尾控制
飛剪切尾時的動作執(zhí)行過程如圖3所示，飛剪切尾時的動作過程和算法原理與切頭時 基本相同，主要的不同之處在于HMD信號檢測方式的微小區(qū)別:切頭時，是IM)l、 HMD2有信 號、HMD3無信號，同時紅鋼(頭部)通過HMD2，HMD2信號由低電平變成高電平(即上跳變)； 切尾時，是HMD2、 HMD3有信號、HMD1無信號，紅鋼(尾部)通過HMD2， HMD2信號由高電平變 成低電平(即下跳變)，其它內(nèi)容這里不再重復(fù)敘述。
(5) 連剪(碎斷)控制
飛剪連剪(碎斷)的動作過程和原理跟切頭時完全相同，但連剪(碎斷)主要用于非正常 生產(chǎn)過程(如發(fā)生堆鋼和其它生產(chǎn)事故時)的緊急情況，它不需要HMD信號檢測，可直接通
過主操作臺或機旁操作箱的按鈕(按鍵)強行執(zhí)行，而且可以選擇是單剪一刀還是連續(xù)剪切 多刀(即碎斷)，中途可以隨時停止。
(6) 分段剪切控制
S7-300PLC算出飛剪前末架的脈沖當(dāng)量
Pw = nD/(I 4P) (mm/P)
D——飛剪前末架軋輥直徑 I 一飛剪前末架減速比
P——編碼器每周脈沖數(shù) 利用Pw可將分段長度L折算成脈沖數(shù)
Pf =(L—V T)/Pw
V——末架出口速度
T——剪刃啟動到剪切位的時間
當(dāng)軋件經(jīng)過HMD2后，高速記數(shù)模塊FM350-l清零并開始記數(shù)。首刀分段長度的脈沖數(shù) 還應(yīng)加上HMD2到飛剪距離對應(yīng)的脈沖數(shù)PO = (L+Ll-V T) / PW記到分段長度的脈沖數(shù)后， 發(fā)出剪切指令。
(7) 倍尺剪切控制原理
如圖5，在紅鋼的頭部到達(dá)剛D3時，按照由以太網(wǎng)通訊傳送過來的剪切設(shè)定長度等計 算出延時時間，同時，根據(jù)棒材的截面積和紅鋼速度等計算出送6M70的數(shù)字量給定 n*shear,延時啟動飛剪。
(1)數(shù)字量給定的確定
《vsteel :2nnsteel Rshear/60(系數(shù)〖與棒材截面積有關(guān))
式中vsteel-紅鋼速度
nshear-飛翁轉(zhuǎn)速
Rshear~——飛剪半徑
送6RA70的數(shù)字量給定的最大值為21 4 = 16384，對應(yīng)飛剪電動機的最大轉(zhuǎn)速 700r/min,因此有
16384/n*shear = 600/ nshear 艮卩 n承shear = 27. 3 X nshear
(2)延時啟動時間的確定
vsteel (1> + +AL= Z
式中z-剪切設(shè)定長度
7>-延時時間
7>*——"飛剪從靜止運動到剪切點的時間，它是一個與vsteel有關(guān)的量
△L-HMD3到剪切點之間的距離
根據(jù)實測和回歸分析,得到
Tr=0. 20+0. 00267(vsteel-12)2
因此有
T"(L-AL) /vsteel-0. 20-0. 00267 (vsteel-12) 2
(8) 剪刃定位控制
為簡化系統(tǒng),在6RA70全數(shù)字直流調(diào)速裝置中省去了具有自定位功能的工藝模板，因此 定位靠S7-300PLC中的PM350-l高速脈沖計數(shù)器實現(xiàn)。飛剪剪斷熱鋼后，制動，在碰到Z脈 沖時，進(jìn)入位置閉環(huán)來確保飛剪停準(zhǔn)停好。在位置閉環(huán)期間，PLC起PD調(diào)節(jié)器的作用。 位置閉環(huán)控制律為
n*(s) = - (1 + Td S ) kpa ， (s) 式中kp -比例增益
Td ~~~微分時間
a '-刀位偏差信號
令kd = kp Td/TJ采樣時間7M取0.01s，寫成差分方程為 n*(j)=-kd[a (j)-a(j-l)]-kpa (j)
式中0 ^ ^ -第j時刻采樣的表示刀位的角度
"f J' - U -第j-l時刻采樣的表示刀位的角度
PD調(diào)節(jié)器的參數(shù)賦值恰當(dāng)就可使飛剪平穩(wěn)停在0*0期望停止刀位,選到適當(dāng)參數(shù)并將
角度折算成FM350-1計數(shù)值后，有
N*shear(j)=-24[N(j)-N(j-1)]-12[N(j)-N*0]
式中W f ^ -本次采樣的表示刀位的計數(shù)值,A^O期望停止刀位的計數(shù)值
W G'-U -上一次采樣的表示刀位的計數(shù)值
為改善飛剪停位的平穩(wěn)性，還可加入適當(dāng)?shù)臄?shù)字濾波和限幅等策略。
(9) 優(yōu)化剪切控制
為了使送到冷床上的倍尺鋼材和未經(jīng)剪切的尾鋼均在合理的范圍之內(nèi)(Lmin, Lmax)， 采用了優(yōu)化剪切控制?，F(xiàn)將實現(xiàn)優(yōu)化剪切PLC可行步驟之一簡述如下 begin
利用HMD1預(yù)報成品棒材的總長度LE 由LE/L得商q及余數(shù)r if r E Lmin ,按L長度剪切q刀 else if L + r F Lraax，按L長度剪切q-l刀
else按L長度剪切q-l刀，再按減少一個定尺的長度剪一刀
end end 6ndo
權(quán)利要求1.一種雙電機高精度多功能棒材飛剪控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于起停式飛剪，其機械傳動部分的兩個剪刃分別由一套直流電機和減速機構(gòu)成，而其剪機本體為一個整體；控制剪刃的兩臺直流電機共用一套控制裝置(6RA70)和PLC系統(tǒng)，兩臺電機的電樞和勵磁分別串聯(lián)；其特征在于，所述兩臺并聯(lián)的直流電機電樞串聯(lián)、勵磁串聯(lián)后接控制裝置(6RA70)和PLC系統(tǒng)；控制裝置(6RA70)和PLC系統(tǒng)發(fā)出的速度給定和控制指令經(jīng)電勢和預(yù)控調(diào)節(jié)模塊，勵磁電流和預(yù)控調(diào)節(jié)模塊處理后輸入單相半控橋回路，單相半控橋回路經(jīng)分流器接兩臺并聯(lián)的直流電機的串聯(lián)勵磁；檢測器檢測的位置信號和測速信號經(jīng)速度調(diào)節(jié)模塊，電樞電流和預(yù)控調(diào)節(jié)模塊處理后輸入控橋回路，控橋回路接兩臺并聯(lián)的直流電機的串聯(lián)電樞其中，測速信號還反饋給電勢和預(yù)控調(diào)節(jié)模塊，分流器輸出勵磁電流實際信號給勵磁電流和預(yù)控調(diào)節(jié)模塊。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙電機高精度多功能棒材飛剪控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控 制裝置(6RA70)和PLC系統(tǒng)上配有CBP通訊板，并通過PROFIBUS-DP網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊， 發(fā)出啟動和停止指令以及速度指令。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙電機高精度多功能棒材飛剪控制系統(tǒng)，其特征在于，所述電 勢和預(yù)控調(diào)節(jié)模塊由電勢調(diào)節(jié)器(EC)和電勢預(yù)控器(EP)并聯(lián)組成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙電機高精度多功能棒材飛剪控制系統(tǒng)，其特征在于，所述勵 磁電流和預(yù)控調(diào)節(jié)模塊由勵磁電流調(diào)節(jié)器(FC)和勵磁電流預(yù)控器(FP)并聯(lián)組成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙電機高精度多功能棒材飛剪控制系統(tǒng)，其特征在于，所述速 度調(diào)節(jié)模塊由給定積分器(GJ)和速度調(diào)節(jié)器(SC)串聯(lián)組成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙電機高精度多功能棒材飛剪控制系統(tǒng)，其特征在于，所述電 樞電流和預(yù)控調(diào)節(jié)模塊由電樞電流調(diào)節(jié)器(AC)和電樞電流預(yù)控器(AP)并聯(lián)組成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙電機高精度多功能棒材飛剪控制系統(tǒng)，其特征在于，所述系 統(tǒng)的剪刃定位精度為土0.5度，且尾段剪切無短尺；剪切速度范圍為l~10m/s。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙電機高精度多功能棒材飛剪控制系統(tǒng)，其特征在于，所述兩 臺直流電動機的功率為37KW。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙電機高精度多功能棒材飛剪控制系統(tǒng)，其特征在于，所述PLC 可編程控制器由電源模塊(PS307)、高速計數(shù)模塊(FM350-1 )、以太網(wǎng)通訊模塊(6ES7-343)、 開關(guān)量輸入模塊(DI)、開關(guān)量輸出模塊(DO)、模擬量輸出模塊(AO)和模擬量輸入模 塊(AI)組成。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙電機高精度多功能棒材飛剪控制系統(tǒng)，其特征在于，所述飛 剪控制系統(tǒng)包括兩級網(wǎng)絡(luò)通訊，第一級為工業(yè)以太網(wǎng)通訊，用于飛剪PLC和上位機通訊以 實現(xiàn)飛剪的參數(shù)設(shè)定和狀態(tài)顯示；第二級網(wǎng)絡(luò)為PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，用于飛剪PLC 向傳動系統(tǒng)控制裝置(6RE70)發(fā)送控制指令及傳動系統(tǒng)返回工作狀態(tài)。
專利摘要本實用新型涉及一種雙電機高精度多功能棒材飛剪控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于起停式飛剪，其機械傳動部分的兩個剪刃分別由一套直流電機、減速機構(gòu)成，而其剪機本體又為一個整體；控制剪刃的兩臺直流電機共用一套控制裝置(6RA70)和PLC系統(tǒng)，兩臺電機的電樞和勵磁分別串聯(lián)。本實用新型可實現(xiàn)切頭、切尾、單切、碎斷、任意分段剪切、倍尺剪切、剪切參數(shù)動態(tài)調(diào)整，以及飛剪工作狀態(tài)實時顯示等功能。其剪切棒材端面光滑，且采集出口機架碼盤信號，精度可達(dá)±7mm，剪切面積可達(dá)2500mm²，尾段剪切無短尺；飛剪定位采用與剪刃同軸安裝編碼器的方法，使定位精度達(dá)到±0.5度；成材率提高。實現(xiàn)了無維護(hù)、無故障、多功能的目標(biāo)。
文檔編號G05B19/05GK201063106SQ20072007169
公開日2008年5月21日 申請日期2007年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月27日
發(fā)明者劉衛(wèi)東, 鋒 周, 軼 肖 申請人:寶鋼集團(tuán)南通鋼鐵有限公司