棒材飞剪的自动化控制研究

2020-12-20张国强

中国金属通报 2020年4期

张国强

（河钢股份有限公司承德分公司河北省钒钛工程技术研究中心，河北承德 067000）

飞剪是棒材轧制的关键设备，其精度直接影响着棒材产品的质量，也是满足高端客户需求的关键，所以飞剪设备越来越受到了技术人员的重视，成为了技术人员关注的焦点。基于飞剪设备技术的复杂，对技术人员的专业技术要求很高，这也需要技术人员持续提升专业技术水平，不断提升对飞剪设备的掌控能力，确保飞剪设备最大限度发挥效能，更好地服务生产。

1 概述

在冶炼金属的过程中，常常用到飞剪机这一关键工具，该设施跟别的剪切机不一样，飞剪机可以辨识正在加工运作的轧件并将其剪开，别的剪切机仅仅用来剪开停下不动的轧件。在进行棒材轧制时，要求飞剪机必须具备高精准度。飞剪机主要是用来掌控电动机与液压体系，因为这两个设备的惯性非常小，运转的速度又很快，所以必须把周期掌控在2ms～20ms，比如电力系统中的设施与过程掌控数据（电流、转速等）不能超过20ms。该周期跟热工参数前提下的冶炼钢铁的自动化比较而言，掌控周期超过了20倍。运用轧机进行加工时，其自动化设备必须能够及时刷新相关数据。这其中的各项掌控任务都是互相作用的，它们同时参考运转过程中的相关数据，所以必须及时刷新每个子站与每个CPU的信息。掌控轧钢飞剪机必须做到三点。第一，同步。我们知道剪刃是在轧件加工时进行剪切，因为剪刃是跟着滚筒轴和曲柄轴同时运转的，要让剪刃和运转着的轧件的水平速度保持一致，就得准确掌控剪刃的水平分速度。正常来说，剪刃的水平分速度比轧件的速度稍微高一些。剪刃的水平分速度如果跟不上，就会导致剪刃受到损伤造成生产事故。而剪刃的瞬时分速度要比轧件的速度高出很多，所以剪刃就出现了针对轧件的拉应力，从而造成了拉钢，降低了钢材的合格率。

第二，规格与质量。因为成品的尺度和标准不一样，客户的需求也不一样，所以剪切轧件的时候应该注意合乎要求与规范。产品的质量和精确程度也必须符合规范。第三，生产率。掌控飞剪机的速度时要注意跟另外的设施保持一致。如今掌控飞剪机的水平持续提高，并逐步过渡到降低成本的需求上来。因此，进一步准确、细致地掌控飞剪机，提升当前的掌控规格，能够促进后期轧钢过程中自动化技术的全面提高。

2 系统硬件和网络配置

起停式的飞剪掌控体系主要包括PLC掌控体系、现场与HMI操作体系以及动力体系。其中润滑模块属于PLC掌控。自动化掌控体系通过SIEMENS公司S7系列PLC与WINCC人机接口监控体系（HMI）构成。PLC掌控体系主要是用来收集并掌控信息，HMI系统主要用来改正并监控信息。动力体系运用了西门子SIMOVERT6SE70变频器，通过整流单元与逆变器构成动力体系。

10KV高压母线经三绕组降压变压器后导出来两条输入线路，一条是主输入线路，一条是从输入线路，它们在通过整流柜后聚集到直流电压母线排上，逆变器设备连在直流电压母线上。从1#轧机到3#轧机并1#飞剪一起使用一个整流柜与制动单元柜，从4#轧机直到7#轧机一起使用一个整流柜与制动单元柜，从8#轧机直到10#轧机并2#飞剪一起使用一个整流柜与制动单元柜。采用把逆变器连在直流电压之间回路的策略能够节省许多网侧元件，比如说断路器、接触器以及交流电抗器等，全部的动力设备在同一个时间停止的时候，只需要一个制动单元和电阻回路，节约了空间。

在动力系统发电时，另外的逆变器就能经中间回路展开能量置换，很大程度上节约了能源并且降低了整流部分的容量。各飞剪都专门准备一个300CPU的PLC，系统传递信息大多通过工业以太网与现场总线PROFIBUS-DP这两个方式。从PLC模块CP343-1以太网接口卡的RJ45连接处把两个PLC连在电气室的交换机上，两个HMI操作屏从网口连在操作室里面的交换机上，两个交换机全部连在轧线体系的交换机上，从而构成了具有较强聚集力的自动化掌控体系。各飞剪的PLC都设置了三个框架，即PLC柜、触摸屏与现场操作柜，把这三个框架通过总线连接器和逆变器柜的PFB网卡以DP电缆连在一起，构成了PROFIBUS网络体系。

3 系统功能的实现

3.1 系统组件

通过PLC和传动变频器掌控全部生产工艺，若要使掌控水平达到非常精准的地步，应该运用T400专门使用的控制板，PLC应该采购西门子CPU317-2DP，它的精准度和功效跟传统的CPU315-2DP比较而言更胜一筹，如果一个是以太网的接口，一个是DP的接口，那么就采用2PN/DP，接线的过程中一定不要把线路混杂在一起。还有另外的一些辅助功能块，例如FB841能够掌控润滑油，FB865能够掌控废弃材料的集中，同时掌控体系也包含一部分掌控飞剪地点和速度的模块。如功能块FB820能够掌控动力，以掌控分合闸的方式掌控全部传动工作，并把一部分掌控时的信息迅速传送给CPU。

3.2 飞剪速度位置控制

功能块FB903能够掌控飞剪的速度和具体剪切点，以角度的方式来标明剪刃的定点，剪刃运转的一个周期为360°，规定剪刃竖直向下的时候是0°，那么剪刃开始运转起点为逆时针方向旋转60°，如果剪刃的定点出现了特殊情况，就能通过掌控体系来将它恢复到原来的位置，并且为了防止发生故障，在剪刃上还附加上了通过手动来进行调节的设置，在剪刃进行加速运行的过程中，达到逆时针315°时，飞剪的速度慢于轧件的运转速度，在剪刃运行到30°的时候，它的运转状况相对平稳，此时它的速度和轧件保持一致，也许会稍微比轧件速度快一点，在结束剪切以后，剪刃会慢慢降下速度然后恢复到原来的起点位置。通过PLC加以掌控，就能够结合现场的工作要求，任意选取其中一个出口机架的轧件运转速度当成依据，得出轧件的速度，再调节剪刃的运转速度。掌控角度的时候，应该通过T400控制板来进行精准掌控，在PLC和动力设备之间转换信息，先运算PLC收到的信息，然后用角度的方法标明，再反应到现场HMI的显示器里。

3.3 剪切长度控制

结合对剪切的要求，应该相应地掌控切头、分段和切尾，并运用不一样的控制模块来实施掌控，防止这些不同的控制模块产生影响，也方便维护人员进行维修和保护。先用热金属探测器精准确定头部的位置，同时运用长度脉冲当量来校对数据。如果飞剪从开始运转到和轧件的运转速度一样时经历的时长为t1，全部剪切结束的时长是t2，那么运算剪切长度的时候应该从飞剪开始运转到结束全部剪切用的时间t1+t2作依据。再把飞剪出的产品运用FC808加以运算和校对，并且要注意其他因素可能会制约剪切的精准程度。例如冷缩率和倍尺根数等，再结合分段长度、修正长度和热金属探测器到剪切点的距离得出剪切的长度。同时运用T400工艺板，能够防止剪刃进行加速的时候发生偏差，还能随时调节剪切的长度，防止发生故障，大大提升了剪切的精准程度和生产速度。