纵剪设备的电气控制技术

纵剪设备的电气控制技术
王刚;白云峰
【摘要】本文主要介绍了东北轻合金有限责任公司南线板带车间纵剪设备的设备功能、电气控制系统构成、电气控制原理.
【期刊名称】《有色设备》
【年(卷),期】2014(000)002
【总页数】4页(P29-32)
【关键词】纵剪;工作模式;制动张紧辊组;多轴控制器;可编程控制器
【作者】王刚;白云峰
【作者单位】东北轻合金有限责任公司系统工程师站,黑龙江哈尔滨150060;东北轻合金有限责任公司系统工程师站,黑龙江哈尔滨150060
【正文语种】中文
【中图分类】TG333.21
随着时代的发展、社会的进步，航空航天业、印刷业、轨道交通行业、造船、电子等行业对铝合金带材成品宽度要求越来越窄，原始的纵剪设备无法做到高精度、快速地剪切和卷曲较窄的成品铝合金带材，而且生产效率也无法满足日益增长的商品需求。

东北轻合金有限责任公司南线板带车间由国外进口的纵剪设备能够很好地满足这些要求，其最大成品剪切条数和宽度、机列最大运行速度远远超越原有旧纵剪设备，自动化控制方式也极为先进。

该纵剪设备主要剪切由拉弯矫直机矫正后的铝合金带材，如图1所示，其主要设
备包括：上卷小车，开卷机对锥，卸套筒运输传送带，对中系统偏导平台，入口气动剪切刀，纵切刀，碎边系统，碎边运输机，带材条分隔盘轴，出口偏导辊，活套坑遮盖平台，带材条分隔盘轴，制动张紧辊组，带材条分隔盘轴，张紧夹送辊，液压剪刀，出口带材导向辊，出口喂料平台，卷取机，卷取机液压活动支撑，卸卷小车。

南线纵剪生产线具有2种工作模式：张紧模式和活套模式。

张紧工作模式工作：依据入口凸度值情况，可在张紧模式下加工。

带材从开卷机到纵切工位后的卷取机一直都保持在张力下，利用分隔圆盘分隔各抛条，然后由熨平辊偏导，熨平辊在卷取工位期间总是压靠在卷上工作，熨平辊可以保持窄条持续贴紧缠绕在卷材上，以获得匀称统一的卷材直径，避免空气夹入的现象，见图2。

活套模式为活套式：纵切机对带材进行纵切，在张力作用下由夹送辊拉入并偏导到活套坑中。

在活套坑中，带材形成一个活套，补偿各条带材的长度差异。

在活套坑出口，由分隔盘把带材分隔开。

制动张紧辊组包括制动张紧辊、摩擦辊、偏导辊。

制动张紧辊和摩擦辊具有大辊径，以180°缠绕带材，制动带材以便在所有各条带材之间产生均匀的张力，通过两个带摩擦力分区的胶辊，使张力均匀分配在各窄条上，实现紧密精确的卷取。

设备工作在活套工作模式时，张紧区域夹送辊对带材的压力可以调节，其压力越大出口卷曲张力也越大。

同时摩擦辊中通入的压缩空气压力也可以进行调节，当压缩空气压力增大时，摩擦辊膨胀，导致带材与摩擦辊附着力增大，此时出口卷曲张力也会增大。

带材通过制动张紧辊组后，再利用分隔圆盘分隔各抛条，然后由熨平辊偏导进行卷曲，见图3。

此外，纵剪具有自动上卷、自动卸开卷卷筒、自动开卷对锥装置对中、自动更换纵切刀架、自动卸卷、熨平辊自动控制等功能。

选用高性能控制器是实现精准、快速控制的关键，所以东北轻合金有限责任公司南
线纵剪设备采用了西门子公司S7- 300系列的可编程控制器，主CPU采用317-
2DP，其对二进制和浮点数运算具有极高的处理速度，具有MPI/DP组合接口和PROFIBUS DP接口。

从站采用了ET200S模块，主站和从站采用了Profibus-DP 通讯，减少了现场控制电缆的数量和接线工作，并提高了系统的可靠性。

HMI人
机界面所使用的PC机与PLC采用Profinet通讯。

传动控制系统选用了西门子公
司全新的集V/F、矢量控制及伺服控制于一体的SINAMICS S120多轴控制器，SINAMICS S120系统组件之间都具有高度的兼容性，中心控制单元采用CU320-
2DP，其与PLC采用Profibus-DP通讯。

电气控制系统通讯网络连接如图4所示，其中+PP1为主操作台，+PL1为入口区操作台，+PL2为出口区操作台，+PL4为入口料卷基座区控制台，+PL5为纵切刀更换控制区操作台。

张紧工作模式时，操作手在HMI人机界面中输入带材的宽度、厚度、开卷机带材单位面积张力、机列线速度设定等参数，程序中根据带材的横截面积乘以开卷机带材单位面积张力计算出开卷机的设定张力值，然后根据开卷机的设定张力值计算出开卷机传动的转矩限幅值，转矩限幅值越大，开卷机张力也会越大。

卷取机在此工作模式下时转矩限幅是固定值，为±100%。

开卷机速度给定值为入口测机列线速
度的编码器反馈值减去偏差值，卷取机的速度给定为机列设定线速度值，所以卷取机的速度给定值要大于开卷机的速度给定值，这样就建立起了机列带材张力，而且这种工作模式下开卷机的张力等于卷取机的张力。

活套工作模式时，操作手在HMI人机界面中输入带材的宽度、厚度、开卷机带材单位面积张力、卷取机带材单位面积张力、区域夹送辊设定压力、摩擦辊压缩空气设定压力等参数。

此种工作模式时开卷机的速度给定值和转矩限幅产生过程与张紧工作模式时相同，由于带材进入活套坑中失去张力，所以在活套坑出口要重新建立带材张力，张力需要在制动张紧辊和摩擦辊之间、摩擦辊和卷取机之间建立。

程序中根据带材的横截面积乘以卷取机带材单位面积张力计算出制动张紧辊和摩擦辊的
设定张力值，然后根据制动张紧辊和摩擦辊的设定张力值计算出各自的转矩限幅值，转矩限幅值越大，制动张紧辊和摩擦辊出力越大。

制动张紧辊和摩擦辊的速度给定如公式(1)、(2)所示：
在活套工作模式时，卷取机的速度给定为机列线速度设定值，从中我们可以看出卷取机的线速度给定大于摩擦辊线速度给定，摩擦辊线速度给定大于制动张紧辊线速度给定。

这样出口机组通过速差就建立起了张力。

此外区域夹送辊设定压力可以根据制动张紧辊设定张力和制动张紧辊实际张力进行自动调节，当制动张紧辊设定张力大于制动张紧辊实际张力时，程序中自动减小区域夹送辊设定压力，反之则增加区域夹送辊设定压力。

同理，摩擦辊压缩空气设定压力根据摩擦辊设定张力和摩擦辊实际张力进行自动调节。

卷取机在此工作模式下时转矩限幅是固定值，为
±100%。

熨平辊也是纵剪重要的设备，其具有两种工作模式，位置控制和压力控制，熨平辊支臂安装有测量自身下降位移的编码器，其液压回路中安装有高精度比例阀控制熨平辊支臂动作。

此外熨平辊液压回路中安装有控制其下压和抬升的高精度比例阀，同时熨平辊伸缩液压缸上安装有位置传感器。

当熨平辊处在位置控制时，其根据卷取机卷径的变化，保持熨平辊和料卷表面距离不变，逐渐增大熨平辊支臂抬升高度设定值，实际值由编码器实时反馈，进行PI闭环调节自动控制。

当熨平辊处在压
力控制模式时，程序中会根据卷取机卷径的大小选择不同的熨平辊液压缸伸出长度值，通过控制熨平辊支臂比例阀来进行调节保持熨平辊液压缸伸出长度值，并根据熨平辊位置传感器实际反馈值来进行PI闭环自动控制。

当熨平辊的设定压力为零时，程序中通过补偿值的设定来调节其液压回路中控制正向压力和抬升力的比例阀，使其熨平辊对带材表面的压力为零，也就是正向压力和抬升力保持相等平衡。

操作手在生产中可根据实际压力效果通过HMI人机界面输入熨平辊压力值来改变压力大小。

自动对中系统选用了美国FIFE公司研制的产品，带材检测选用了电容式传感器，该套对中设备具有运行可靠性高、精度高、免维护等优点。

目前东北轻合金有限责任公司南线板带车间纵剪设备已经投入生产运行，实践证明采用上述设计的纵剪设备运行可靠性高、工作效率高、带材剪切和卷曲效果质量达到了工艺技术要求。

山东省科技厅组织国内知名专家，对丛林铝船“铝合金特种船研制技术开发与应用”、“9.5 m铝合金游艇的研制与生产”以及丛林铝材、山东大学、青岛四方联合完成的“高性能大规格复杂截面铝合金型材挤压成形及应用技术”三个项目主持召开了科技成果鉴定会。

鉴定会上，专家组认真查阅了鉴定资料，听取了各项目组的研制工作报告和研制技术报告，参观考察了生产现场，通过质疑、答辩、评议、讨论后，对这三项目所做的创新性研究和开发工作给予了充分肯定。

专家组一致认为：(1)丛林铝船两项目整体技术处于国内领先水平，项目产品(铝合金船艇)具有重量轻、耐腐蚀、寿命长、回收利用率高、节能环保等优点，市场前景广阔。

其研发的工艺技术能够有效降低船体重量与造船成本，提高船舶制造质量与效率。

(2)高性能铝合金型材挤压成形及应用技术项目，整体技术达到国际先进水平，其中大规格复杂截面铝型材在高速列车上的应用技术达到国际领先水平。

东北大学资源与环境研究所关于“含钛矿物关键技术开发及应用”的科学技术成果通过辽宁省科技厅组织的专家组鉴定。

专家们一致认为“含钛矿物关键技术开发及应用”的研究理论水平高，研究内容具有新颖性和创新性。

涉及的含钛矿物利用的相关技术达到了国际领先水平，拓展和深化了含钛矿物的综合利用技术，对实现工业化整体利用含钛高炉渣有着重要借鉴和推动作用。

我国每年排放大量含钛高炉渣，已造成了严重的资源浪费、环境污染和生态破坏。

虽然含钛高炉渣的综合利用技术已取得了一些进展，但是相关技术存在着处理成本
高、经济效益差、技术效果不明显、处理量有限、产品附加值低、二次废弃等诸多问题，难以实现含钛高炉渣的工业化规模利用。

自2000年以来，在钒钛资源冶金过程有价组元强化迁移规律及分离理论等9项国家自然科学基金、高铬型钒钛磁铁矿冶炼和钒钛铬分离提取技术和联合开发国家重大国际合作项目、大型金属矿产基地资源综合利用关键技术研究国家科技支撑计划重点项目、高炉冶炼高铬型钒钛磁铁矿关键技术研究等4项校企合作项目的支持下，课题组立足于当前社会和经济需求，提出了资源综合利用、生态材料制备及污染治理协同研究理念，依据含钛高炉渣的矿物组成和物理化学性质，深入开展了7个方面的研究工作：利用含钛高炉渣制备泡沫微晶玻璃；利用含钛高炉渣光催化降解硝基苯、亚甲基蓝等水体有机污染物；利用含钛高炉渣制备TiO2；利用硫酸铵熔融法浸出沉淀钒渣/矿中V2O5；利用含钛高炉渣制备抗菌材料；利用含钛高炉渣制备TiN/O′-Sialon复相陶瓷；利用含钛高炉渣制备用于提高农作物生产的复合肥。

白云峰(1965-)，男，河南内黄人，高级工程师，大学本科，主要从事行政和设备管理工作，现任东北轻合金有限责任公司系统工程师站主任工程师。