摘要：论述了小型棒材生产线上起停式高速倍尺飞剪的电气控制，作者采用Siemens 6RA70装置、$7-300 PLC及智能模块，针对倍尺飞剪高速、可靠、精确的特点，在控制上采用了一系列行之有效的方法，使得飞剪运行可靠、精度高、智能性好。倍尺长度误差控制在±40mm以内，满足了不同工艺条件的要求。几年来，已应用于国内多家大型钢铁企业，收到了良好效果，满足了用户需求。
0 引言
倍尺飞剪是小型棒材生产线的关键性设备，它直接影响生产率和成材率。10多年前，电气传动系统为传统的模拟系统，要想控制剪切速度为20m/s左右的起停式飞剪，几乎是不可能的。随着技术的日新月异，直流全数字系统遍及世界，为控制高速飞剪打下了坚实的基础。在这个基础上，通过利用PLC的强大功能，不断深人研究、创新和实践，中冶集团北京冶金设备研究设计总院起停式倍尺飞剪的剪切速度已达到19m/s，工作准确无误，倍尺精度达到±40mm，并最大限度地满足了用户的各种工艺要求。几年来，已在莱芜钢铁集团公司、冷水江钢厂、乌兰浩特钢厂、日照钢铁集团公司、宁夏恒力集团、宣化钢铁集团公司等近10个厂家可靠运行，达到了国内先进水平。
1 设计思想
起停式飞剪在不剪切时是静止的，当发出剪切信号后剪刃从起始点开始加速运行，要求在剪刃运行角度250°内加速到剪切速度(最高19m/S)，剪切完成后，立即制动，要求在250°内制动至零速，然后准确反爬至起始点。其中剪切信号是否能准确无误地发出和剪刃的定位精度是否能满足要求，是飞剪能否可靠工作和倍尺精度控制的关键。
该飞剪采用Siemens 6RA70全数字装置作为飞剪电机电气传动控制系统，它具备的强大功能和数字系统的精确性完全能胜任飞剪频繁、快速的起、制动的苛刻要求。采用s7—300PLC智能模块和对各种干扰因素考虑完备的软件控制飞剪的剪切和剪刃的定位，保证了飞剪动作的可靠性和倍尺精度。采用Siemens TP170B彩色触摸屏或上位机作为人机对活设备，并通过Profibus.DP网相连，其硬件配置如图1所示。为厂保证飞剪速度给定的精确性和可靠性，由PIC测算的速度信号及PLC发出的运行、停止命令通过DP网送至6RA70系统，6RA70系统的工作状态也通过DP网送至PLC。在操作台上，触摸屏或上位机实现了人机对话，操作者根据工艺要求，输入倍尺长度、修正系数、成品轧机辊径、剪速度超前系数等参数，并可随时修改。同时，飞剪的丁作状态、故障信号等也在触摸屏或上位机上显示，极大方便了操作。
2 工作原理与控制过程
高速计数器A4用来测算轧件的长度，成品轧机的编码器与之相连。在输入辊径后，脉冲当量可根据式(1)计算：
Q=(P轧i轧×l000)/(πD轧) ( 1 )
式中，Q为脉冲当量，脉冲/m;P轧为成品轧机码盘脉冲数;i轧为成品轧机减速比;D轧为成品轧机辊径，mm。
当输入倍尺长度后，用脉冲当量乘以倍尺长度，就可以计算相应的脉冲数。一旦A4汁数脉冲到达该值，就发出剪切信号。高速计数器A5用来测算轧件的线速度，成品轧机的码盘与之相连。采用系统定时中断的方法，测量每个单位时间进入A5的脉冲数，由于脉冲当量已知，因此便可实时测量轧件的线速度，以便飞剪随时跟踪这个速度。
高速计数器A6用来测算剪刃的位置，飞剪本体码盘与之相连。通过测量A6的脉冲，便可获得剪刃的位置。剪刃运行一周即360°的脉冲数P周可根据式(2)计算：
P周=P剪i剪 (2)
式中，P前为飞剪本体码盘脉冲数;i剪为飞剪减速比。
典型的棒材全连轧精轧区布置见图2。倍尺飞剪的工作原理如下：当轧件头部到达热金属检测器RJ3时，立即启动高速计数器A4，这时将式(3)计算出的长度，L预置乘以Q作为预置值送至A4。
L预置=(L倍尺+L1一L2) (3)
式中L倍尺倍为用户设置的倍尺长度;L1为RJ3至3#飞剪的距离;L2为剪刃从起始位到达剪切位轧件走过的长度。
当A4计数值达到预置值时，PLC产生中断信号给6RA70，飞剪立即启动，其速度给定为成品轧机线速度乘以飞剪速度超前系数，其中，成品轧机线速度由A5实时测算，飞剪速度超前系数由用户根据需要在触摸屏上或上位机设定。当飞剪完成剪切后，本体接近开关动作，A6立即启动，测算现在剪刃的位置。当剪刃到达制动点时，PLC产生中断，将速度给定从剪切速度切换到制动速度，飞剪立即制动。当剪刃速度减至零时，将速度给定切换到反速度，反爬速度给定的大小与剪刃至起始位的距离成正比，如式(4)：
V反爬=KS ( 4)
式中，V反爬为反爬速度给定;K为常数(越大，反爬速度越快);S为剪刃现行位与起始位的距离。
从式(4)可以看出，剪刃距起始位的距离越近，速度给定越小，反爬速度越慢。当剪刃速度达到最大速度的1%时，保持这个速度，当剪刃到达起始位时，PLC再次产生中断，封锁6RA70，使剪刃准确停在起始位。
3特点
我院的起停式飞剪控制有几个特点：
(1)倍尺精度高。由于轧线速度很高，控制时间上有任何微小差异，都会影响倍尺精度。例如：轧线速度为16m/s，PLC的扫描周期会造成80mm的误差，DP网的传输时间会造成>200mm的误差。因此，在剪切信号的发出、剪刃定位等与倍尺精度有关的关键信号上，采用了高速计数器中断、高速计数器直接输出与DP网传输并存方式，避免了由于PLC扫描周期影响和DP网传输时问长造成的长度误差，提高了倍尺精度。
(2)防止定位干扰。本体接近开关信号是飞剪定位的关键点，当这个信号发出后，开始测算剪刃位置，如果有干扰信号误动作，飞剪定位就会出现误差，严重时还可能出现连剪。为此，我们采用了如下方法：当PIC发出飞剪启动信号时，打开本体接近开关信号通道，接近开关信号便可进入PLC，当PLC接到接近开关信号后，立即关闭这个通道，将干扰信号阻挡于门外，有效地解决了干扰问题。
(3)测长计数累加。在设计中，我们没有采用剪切一次，高速计数器清零一次的方法。这是由于清零信号晚于剪切信号，必须在倍尺设定时把这段长度减去，而当轧机速度变化时，这段长度是变化的。为此，我们采用了不断累加的方法，即：首先将首段长度作为预置值，首段长度为式(3)计算出的L预置，剪切一次后，将L倍尺+ L预置作为预置值，剪切二次后，将2L倍尺+ L预置作为预置值，以此类推。采用这种方法以后，有效地解决了这个问题。
(4)实现尾部优化。尾部长短不一的问题一直是困扰生产线的问题。尤其是在坯料不规矩的生产厂，矛盾更为突出。坯料不规矩使最终轧材的长度差别很大，尾部不是太短上不了冷床，就是太长跑出冷床。按部就班地按不变的倍尺剪切已不适应，为此，我们采用尾部优化方法。首先，计算钢尾到达RJ2时的轧材长度L：
L=(TV轧十L1+C1) (5)
式中，T为钢尾从RJ2至RJ3的时间，这个时间可通过PLC测出;V轧为成品轧机的线速度;C1为钢尾到RJ2时A4的现行计数值。
计算出L后，便可得知继续按正常倍尺剪切所剩的尾部长度时，如果尾部长度小于上冷床的最短长度，就将尾部前一段的长度设置更改为L倍尺一L定尺(定尺长度)或L倍尺一2L定尺，也就是将1倍或2倍定尺长度移给尾部，很好地解决了尾部过短的问题。其中，定尺长度可在触摸屏或上位机上输入。
4 结束语
由于我们在飞剪的设计上充分考虑了各种因素对飞剪的动作可靠性、倍尺精度产生的影响，因而，我院在各厂家运行的飞剪以其可靠性高、倍尺精度高、智能性好的优良品质，最大限度地满足了用户的各种需要，受到用户和同行的一致好评，达到了国内先进水平，也拓宽了市场份额。然而，我们还要不断创新、完善，争取用更少的硬件实现更高的控制精度。
