飞剪控制

棒线材轧制中飞剪自动化控制
1.1飞剪对自动化和传动系统的要求
（1）飞剪的控制站采用一台西门子S7 315-2DP/PN和高速计数器模板FM350-1组成，飞剪的运动控制主要在PLC 系统中完成，基础自动化的PLC和HMI对飞剪的控制主要体现在工艺操作和显示方面，例如，合分闸、速度设定、头尾长度设定、剪切模式设定、故障报警、实际值显示等，运动控制完全移到传动系统中。

基础自动化PLC对飞剪传动装置的通讯方式也为PROFIBUS-DP通讯。

（2）功率储备
因为飞剪在启动和制动时要求有足够大的加速度，所以要求电动机和整流装置有足够功率储备，一般应有2.5倍的过载
能力。

虽然剪切的工作周期比较短，发热量有限，但是如果像倍尺飞剪那样间歇时间不够长，也应当考虑散热的问题。

（3）速差补偿
实际中轧件的线速度并不恒定，而剪刃的启动时间是按照轧件匀速运动的条件进行计算的，其结果使得剪切长度不准确。

因此，要求传动控制系统对轧件速度变化进行补偿。

通常采用速差电流的方法进行补偿。

这种补偿的方法本质上是一种微分反馈的原理。

补偿的原理如图1所示。

转速设定值转速实际值
速差电流
补 偿 值
电流设定值
电流实际值
系数
速差阈值
电流调节器
图1 速差电流补偿的原理图
速差电流补偿的另一个好处是使电动机的速度严格跟随设定值。

在加速段中，电动机的速度波形成为标准的三角形，启动时间的计算值和实际值吻合精度很高。

在减速段中，可以使剪刃按照计算值准确地停在停止位。

（4）速度检测和位置检测
目前的传动装置多用增量型脉冲编码器作为速度检测。

利用传动装置中脉冲计数功能就可以得到剪刃的位置信号。

剪刃实际位置的百分值由下式求出
i P C K act ⨯⨯=144420θ (3)
式中，act θ: 位置实际值；
K 42: 位置计数器的计数值；
C 0: 编码器每周脉冲数；
P 144: 倍频数；
I: 减速机减速比。

在上下剪刃的合口位置处安装接近开关，把接近开关的
信号作为位置计数器的清零信号。

基础自动化的PLC把剪前工作机架的线速度折算为电动机的转速，通过PROFIBUS-DP通讯传送给传动装置作为转速的设定值。

1.2飞剪运动的过程
通常把飞剪的运动过程分为三个阶段，即启动加速段、剪切段、减速定位段。

通常把上下剪刃的合口位定义为0º，由接近开关清零位置计数器。

（1）启动加速段
图2 飞剪运动过程示意图
剪刃的启动时刻是一个非常关键的问题。

轧件从剪前热金属检测器到达剪切位置是一个匀速运动的过程，所用的时间被称为钢行时间。

用钢行时间减去剪刃的启动时间，就是启动的等待时间。

所以当热金属监测器检测到轧件时，等待时间的计时器开始计时，计时结束就立即启动飞剪电动机。

在启动加速段，剪刃由零速启动到与轧件线速度相同步（切头时乘以超前系数，切尾乘以滞后系数）。

启动加速段的加速度可以采用定加速度方式，也可以采用变加速度方式，变停止位
启动加速段 减速定位段 剪切前段 剪切后段
R R-d/2
d/2
H
V δ
δ R d R 2/cos 0-=δ1θ
加速度方式的优点是在低于最大线速度的场合，可以减小电动机的启动电流。

V H.m
H
V qV H.m 0t
qt t t m m q A B C D
图3 用图解法求出飞剪的启动时间
剪刃启动是匀加速运动，使用图解法就能够很方便地求出在不同线速度情况下的启动时间。

计算启动时问的首要任务就是要根据轧件最大线速度确定最短启动时间（或最大加速度）。

设轧件最大线速度为m B V .，超前系数（或滞后系数）为K ,则剪
刃的最大线速度为m B m H KV V .. ，考虑到剪刃半径和齿轮箱的减速
比，折算到电动机的转速为ωmax ，当剪刃启动的角位移为θ1时，则有斜坡情况下最短起动时间为 max 12ωθ=
m t
(1) 设q 为对应于最大线速度的相对值系数0≤q ≤1，在图3中可以看出，当轧件速度为m H qV .时，根据三角形ABC 的面积等
于矩形CDtmtq 的面积，可以得到启动时间为
()m m m q t q
q t q q t t 212122+=-+= (2) 式中,q t :在相对值系数为q 时的启动时间；m t :最大转速时的启
动时间。

根据这个公式就可以求出不同速度时的启动时间。

在应用程序中把剪刃启动时间做成自变量为线速度的折线，以便求出等待时间。

（2）剪切段
剪切段分为前段和后段。

剪切前段定义：当剪刃与轧件接触到上下剪刃合口位这一过程。

在这一阶段中，轧件的线速度是水平方向，而剪刃的线速度是切线的方向，因此剪刃在水平方向的分速度为δcos *H V ，当轧件直径较大时，这一因素影响是不容忽视的，否则轧件的线速度和剪刃水平方向线速度不同，轧件和剪刃之间的作用力会损伤剪刃。

当⎪⎭⎫ ⎝
⎛-==-2cos 10d R δδ时，进入剪切前段。

这时应对转速进行补偿，补偿的方法是把转速的设定值乘以补偿系数'K ,δcos /1'=K 。

δ角是不断变化的，所以要根据剪刃位置检测信号随时进行修正。

当剪刃到达合口位时，δ＝0º。

剪切后段的情况与剪切前段相似，只是过程相反。

这时
轧件已经被切断，但是还要保持剪刃的速度与轧件相同步，直至剪刃与轧件脱离进入减速定位段。

（3）减速定位段
在这个阶段中，控制系统由速度-电流双环控制切换为位置-速度-电流三环控制，是典型的位置闭环随动系统。

位置闭环应采用比例-积分调节方式，这将使得剪刃在停止位置没有静差，有利于剪切的准确性。

但是由于传递函数阶数增加，影响稳定性，在调节器参数配置上要精确计算。

受减速斜率的限制可将减速过程做成减速到零的第一阶段和反向爬行的第二阶段。

在轧件最高线速度的条件下，如果电动机和整流装置的裕量足够大，在最高线速度时也能够做到剪刃减速到零时恰好停在停止位，这样就可以不需要反向爬行的第二阶段。