基于T400的新型棒线材飞剪控制方法

摘要

本发明提供的基于T400的新型棒线材飞剪控制方法是一种先进的棒线材启停式飞剪的电气控制方法，其包括精确的剪刃位置控制、剪切长度控制和自动优化剪切等步骤，在生产过程中，当上游轧机发生事故时，或者轧件某一段质量较差时，可以在线启动碎断功能对轧件进行部分碎断或者全部碎断，碎断剪切速度自动与轧件同步，当停止碎断时，飞剪自动定位到起始位，进入正常剪切模式待机状态。本发明充分利用T400强大的计算功能，将飞剪核心控制部分全部集成到T400中，无需高速计数器、轴定位模块及触摸屏，节省了成本，并且取得了很高的精度，当飞剪以21m/s的速度进行倍尺剪切时，倍尺误差基本在75mm以内，部分可以达到30mm以内。

说明书

技术领域

本发明涉及电气控制领域，特别是涉及一种棒线材飞剪的控制方法。适用于棒材及高速 线材的启停式飞剪(包括回转式、曲柄连杆式、曲柄连杆飞轮式)。

背景技术

在热连轧棒材生产线以及高速线材生产线中，为了提高生产率及成材率，需要对轧件进 行头部剪切、尾部剪切及倍尺剪切等，早期的飞剪曾采用机械离合式飞剪，但离合式飞剪不 能满足高速剪切的要求，并且离合器及制动部件冲击大，易损坏，维修工作量大且维修复杂。 随着电力电子技术、计算机技术和控制技术的高速发展，为了提高生产率并减轻操作人员的 劳动强度，目前棒线材生产线上的飞剪均采用全数字化电气控制的启停式飞剪(包括回转式、 曲柄连杆式、曲柄连杆飞轮式)。

飞剪是提高棒线材生产线生产率及成材率的关键设备。目前，国内棒线材生产线上的飞 剪设备和控制系统仍然有相当一部分是全套从国外引进，但近年来，随着国内制造技术及控 制水平的提高，棒线材飞剪的设备成套及控制系统已经逐步开始国产化，并取得了较好的控 制效果。早期的棒线材飞剪控制系统国产化主要以GE的控制系统为代表，其硬件构成为 GE90-30PLC、轴定位模块、高速计数器、触摸屏等。近年来，基于西门子的高性能控制器 (FM458、T400等)的飞剪控制系统应用逐步得到推广，该控制系统具有剪切精度高、操作维 护便捷、成本更低等特点。

T400工艺板为基于32位SIMADYN-D处理器的高性能控制板，可以直接插在西门子 直流调速装置6RA70和西门子交流调速装置6SE70机箱内，无需机架及通讯模块即可方便的 实现与传动装置的通讯。其软件开发平台为STEP 7，与西门子PLC共享开发平台，使得维护 更便捷，编程语言为图形化语言CFC，使得编程更直观，并可通过标准C语言进行功能块的 开发，具有良好的移植性，是冶金行业应用比较广泛的开发平台。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于T400的新型棒线材飞剪控制方法，该方法 通过精确的剪刃位置控制、精确的剪切长度控制、自动优化剪切和事故碎断四种手段综合起 来实现棒线材飞剪的高精度高可靠性控制，从而提高棒线材产品的剪切质量。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的基于T400的新型棒线材飞剪控制方法，该方法包括以下步骤：

(1)精确的剪刃位置控制：

通过安装在剪刃轴上的绝对值编码器读取到精确的位置信息值，反馈到位置控制器，通 过PI调节器，使剪刃实现快速而精确的位置控制；如剪刃轴上没有安装绝对值编码器，则可 以通过飞剪电机轴上的增量型编码器进行折算得到剪刃的位置信息值，以实现剪刃的位置控 制；

(2)剪切长度控制：

当轧件的头部经过热金属检测仪后，飞剪根据设定的剪切长度，自动调整飞剪启动的时 机，按照设定剪切长度精确的完成剪切任务；

(3)自动优化剪切：

估算轧件的剩余长度，自动判断倒数第二段倍尺剪切是否需要借尺，防止出现短尺，无 法顺利上冷床，影响生产；

经过上述步骤实现对棒线材飞剪的控制。

本发明在对棒线材飞剪的控制过程中，当上游轧机发生事故时，或者轧件某一段质量较 差时，可以在线启动碎断功能对轧件进行全部碎断或者部分碎断，碎断剪切速度自动与轧件 同步，当停止碎断时，飞剪自动定位到起始位，进入正常剪切模式待机状态。

在上述步骤(1)中，可以应采用包括以下步骤的方法实现精确的位置闭环控制：

(1)剪刃轴端装有绝对值编码器：

通过T400的标准功能块及T400控制板的SSI接口，直接读取位置信息值，并转化为角度 值，反馈到位置控制器，实现快速而精确的剪刃位置控制；

(2)剪刃轴端没有安装绝对值编码器：

通过T400的标准功能块及T400控制板的增量型编码器接口，读取飞剪电机轴端增量型编 码器的值，考虑减速比，转化为剪刃轴的角度值，反馈到位置控制器，实现快速而精确的剪 刃位置控制。

在上述步骤(2)中，可以采用以下方法实现剪切长度控制：应以热金属检测仪检测到轧 件头部为起点，对上游机架轧机编码器脉冲数进行计数，当达到目标计数值时，启动飞剪， 实现设定长度的剪切，预设的目标计数值与设定剪切长度有关，

其计算公式如下：

$\frac{i}{\pi D_f}[L+L_1-R\sin \theta -2\mathrm{\pi D}*\left(\frac{360-\alpha -\theta }{360}\right)\cos \theta ]\times 1024$

上述公式中：i为上游机架减速比；D_f为上游机架轧机工作辊径；L为设定剪切长度；L₁为热金属检测仪到飞剪剪切中心线的距离；R为剪刃回转半径；为剪刃回转直径；α为剪刃起 始位置角；θ为入切角。

在上述步骤(3)中，可以采用以下方法避免出现短尺：先估算轧件的成品总长度，根据 已剪切刀数及剪切长度计算剩余长度，再根据剩余长度的大小判断最后一刀剪切是否需要借 尺，从而控制末段长度在合理范围内，避免出现短尺。

本发明通过西门子PLC 300及T400控制板即实现了棒线材飞剪的控制，其与现有技术 相比具有以下的主要有益效果：

1.无需高速计数器、轴定位模块及触摸屏，使飞剪的控制结构简化。

2.可提高棒线材产品的剪切质量和精度，提高成材率。

通过优化程序结构，使飞剪核心控制部分全部由T400完成，PLC 300只负责外部通讯及 一些数据的处理，充分发挥T400的运算能力，最终取得了很好的效果，根据现场实测数据， 飞剪以21m/s的速度进行倍尺剪切时，倍尺误差基本在75mm以内，部分倍尺甚至可以达到 30mm以内。

3.本发明所设计的控制软件具有超强的模块化功能和超强的可移植性，使调试及维护变 得异常简单，并且可以非常方便的适应硬件的升级换代。

本发明的控制软件的核心算法全部集成到T400中，控制软件通过CFC图形化语言编程。 利用CFC图形化语言的超强模块化编程功能及超强的可移植性，将飞剪控制的核心算法按功 能进行模块化设计和编制并进行标准化，调试人员只须激活相应的功能块即可适应各种棒线 材生产线的各种功能需求；CFC语言的超强可移植性使得本控制软件可以在支持D7 SYS的 硬件平台上任意移植，直接复制-粘贴，一分钟内即可完成移植工作，非常便捷。

4.本发明可以推广应用到其他领域的启停式飞剪控制，如薄板冷连轧机组的飞剪控制、 中厚板热连轧机组的飞剪控制、高速连续退火机组的飞剪控制、横切机组的飞剪控制等。

5.本发明的控制系统可以应用于直流传动的飞剪，也可以应用于交流传动的飞剪。一般 高速棒线材飞剪以直流传动为主，少部分机组采用交流传动，本发明均可适用。

附图说明

图1飞剪的结构示意图。

图2飞剪剪刃运行轨迹示意图。

图中：1.上游机架轧辊；2.热金属检测仪；3.飞剪剪刃；4.剪刃加速区域；5.剪刃起 始位；6.剪切点；7.离切位置；8.入切位置。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。

本发明提供的基于T400的飞剪控制方法，是一种先进的棒线材飞剪的电气控制方法，具 体包括以下步骤的方法：

一.灵活的剪切模式选择：

棒线材的飞剪主要有以下三种机械结构形式：回转式、曲柄连杆式和曲柄连杆飞轮式。 首先，在画面上勾选飞剪的机械结构形式，飞剪控制器T400自动读取相应机械结构的参数并 且自动切换到相应机械结构形式的飞剪控制模型。

飞剪主要有以下几种剪切功能：头部剪切、尾部剪切、倍尺剪切、分段剪切、自动在线 碎断等。实际生产中，根据工艺需求，通过画面任意勾选相应的剪切功能，飞剪则可以自动 完成相应的剪切。以上剪切模式可以单选也可以多选，非常灵活。

二.精确的剪刃位置控制：

1.剪刃轴端装有绝对值编码器：

T400控制板只有SSI的绝对值编码器接口，因此，需要选用SSI接口的单圈绝对值编码 器，为了提高剪刃位置控制精度，绝对值编码器的精度通常为4096以上。通过T400的标准 功能块直接读取位置信息值，并转化为角度值，反馈到位置控制器，实现快速而精确的剪刃 位置控制，定位精度可以达到±0.5度。

2.剪刃轴端没有安装绝对值编码器：

当飞剪没有倍尺剪切功能，只须头部剪切，尾部剪切或分切时，对剪切精度要求不是特 别高，则剪刃位置控制可以采用飞剪电机轴端增量型编码器信号作反馈控制，实现快速的剪 刃位置控制，定位精度可以达到±2.5度，实施过程如下：

飞剪电机轴端编码器除了用于电机速度闭环控制外，同时通过脉冲分配器，将编码器信 号分配到T400，用作位置闭环控制。通常电机轴端的增量型编码器为每转1024个脉冲，则 可以计算出每个脉冲对应的角度值为：360/1024＝0.3515625。通过T400的标准功能块可以实 时读取飞剪电机轴端增量型编码器的脉冲值，考虑减速比，转化为剪刃轴的角度值，反馈到 位置控制器，实现快速而精确的剪刃位置控制，角度换算公式为：

$\gamma =\frac{360}{n_0}\times \frac{n}{i}$

式中：γ为剪刃实际角度值；n₀为飞剪电机轴端增量型编码器每转脉冲数，通常为1024； n为实际读取到的脉冲值；i为飞剪减速比。

三.剪刃的位置标定

剪刃的位置标定其实质是标定剪刃的参考位置，以实现精确的剪刃位置控制。其标定过 程如下：

参见图2，在画面上点击“剪刃标定”后，飞剪启动并低速旋转，当剪刃达到剪切点6 时，T400接收到飞剪轴端接近开关的上升沿信号，通过此上升沿信号对编码器位置信息值进 行清零，同时激活定位功能块，使剪刃自动定位到起始位5。

当采用绝对值编码器作位置反馈时，系统断电后，不需要重新进行标定；当采用增量型 编码器作位置反馈时，系统断电后，需要重新进行标定。

四.精确的剪切长度控制

精确的剪切长度控制是提高飞剪剪切精度的关键。根据其控制原理，头部剪切、分段剪 切及倍尺剪切可以统一计算公式，不同之处在于，头部剪切只须剪切一刀，分段剪切及倍尺 剪切则需要进行周期剪切；尾部剪切长度控制计算公式略有不同，分开进行了描述。

1.头部剪切、分段剪切及倍尺剪切：

参见图1和图2，飞剪定位到起始位是剪切的必要条件，连续剪切过程中，每次剪切周 期完成，飞剪自动定位到剪刃起始位5。头部剪切、分段剪切或倍尺剪切时，当热金属检测 仪2检测到轧件头部时，长度测量脉冲计数功能块被激活，当达到目标计数值时，启动飞剪， 剪刃从起始位5加速到入切位置8，经过剪切点6之后达到离切位置7，剪刃开始减速并定位， 当速度较快时，剪刃可能冲过初始位5，则反爬定位至初始位5，完成一次剪切过程，实现了 设定长度的剪切。图2中编号4为剪刃加速区域4。

设剪切长度为L，当热金属检测仪检测到轧件头部时，轧件再走L_k的距离后，飞剪启动， 则可得到如下计算式：

$L+L_1-R\sin \theta =L_k+\mathrm{Vt},$

则可得到：

$L_k=L+L_1-R\sin \theta -\mathrm{Vt}=L+L_1-R\sin \theta -2\mathrm{\pi D}*\left(\frac{360-\alpha -\theta }{360}\right)\cos \theta ,$

上游机架轧辊1每转脉冲数为1024，则上式所对应的脉冲数如下式所示，此即为飞剪启 动前的目标计数值：

$\frac{i}{\pi D_f}[L+L_1-R\sin \theta -2\mathrm{\pi D}*\left(\frac{360-\alpha -\theta }{360}\right)\cos \theta ]\times 1024$

上述公式中：i为上游机架减速比；D_i为上游机架轧机工作辊径；L为设定剪切长度；L₁为 热金属检测仪到飞剪剪切中心线的距离；R为剪刃回转半径；D为剪刃回转直径；α为剪刃起 始角；θ为入切角。

2.尾部剪切：

参见图2，飞剪上一次剪切完成后将自动定位到剪刃起始位5，此为剪切的必要条件。连 续剪切过程中，每次剪切周期完成，飞剪自动定位到起始位5。尾部剪切时，当热金属检测 仪检测到轧件尾部时，长度测量脉冲计数功能块被激活，当达到目标计数值时，启动飞剪， 剪刃从起始位5加速到入切位置8，经过剪切点6之后达到离切位置7，剪刃开始减速并定位， 当速度较快时，剪刃可能冲过初始位5，则反爬定位至初始位5，完成一次剪切过程，实现了 设定长度的剪切。图2中编号4为剪刃加速区域4。

设剪切长度为L，当热金属检测仪检测到轧件时，轧件再走L_k的距离后，飞剪启动，则 可得到L_k的计算式如下：

$L_k=L_1-L-R\sin \theta -\mathrm{Vt}=L_1-L-R\sin \theta -2\mathrm{\pi D}*\left(\frac{360-\alpha -\theta }{360}\right)\cos \theta$

上游机架轧辊1每转脉冲数为1024，则上式所对应的脉冲数如下是所示，此即为飞剪启 动前的目标计数值：

$\frac{i}{\pi D_f}[L_1-L-R\sin \theta -2\mathrm{\pi D}*\left(\frac{360-\alpha -\theta }{360}\right)\cos \theta ]\times 1024$

上述公式中：i为上游机架减速比；D_f为上游机架轧机工作辊径；L为设定剪切长度；L₁为热金属检测仪到飞剪剪切中心线的距离；R为剪刃回转半径；为剪刃回转直径；α为剪刃起 始位置角；θ为入切角。

五.自动优化剪切

为了避免出现短尺，导致冷床段故障，需要进行自动优化剪切。假设最后一刀剪切程序 自动选择的倍尺长度为m，正常剪切设定倍尺长度为a，最短允许上冷床的短尺长度为b，每 剪完一次轧件剩余长度为n，n为剪切的倍尺根数。

首先计算轧件剩余长度，设粗轧机上游机架速度为v₁，轧件截面积为S₁，当中轧机前面热 检出现上升沿时记录时间为t₁，当该热检出现下降沿信号时记录时间为t₂，设轧件最终截面 积为S₂，根据秒流量相等原则可得到最终轧件长度为：

$L_{\mathrm{all}}=\frac{(t_2-t_1)v_1{S}_1}{S_2}$

当剪完第n刀后，剩余长度计算如下：

$x=L_{\mathrm{all}}-\mathrm{na}=\frac{(t_2-t_1)v_1{S}_1}{S_2}-\mathrm{na}$

则可通过如下条件进行判断，是否进行优化剪切：

x≥2a；m＝a         (1)，

a+b≤x＜2a；m＝a    (2)，

2b≤x＜a+b；m＝b    (3)，

b≤x＜2b；m＝0      (4)，

1.当剩余长度满足条件(1)时，m＝a，剪切长度以原设定值a进行正常剪切；

2.当剩余长度满足条件(2)时，m＝a，则最后一刀剪切长度以原设定长度a进行剪切， 末段长度为b≤x≤a；

3.当剩余长度满足条件(3)时，m＝b，则最后一刀剪切长度以设定长度b进行剪切，末 段长度为b≤x＜a；

4.当剩余长度满足条件(4)时，m＝0，表示不需要进行剪切，末段长度为b≤x＜2b。

六.事故碎断

当上游机架出现故障时或某一段轧件质量较差时，可以在线启动碎断功能，对剩余轧件 进行全部碎断或者部分碎断，碎断剪切速度自动与轧件同步，当停止碎断时，飞剪自动定位 到起始位，进入正常剪切的待机状态，碎断长度计算公式如下：

l＝πD

上式中：l为碎断长度；D为剪刃回转直径。