1780热连轧机中的飞剪PLC控制

一、项目简介

宁波建龙钢铁公司是一家大型钢铁联合企业，年产量为600万吨，主要产品全为板材。其中1780热带钢连轧机组生产能力为400万吨，主要控制的工艺设备有：3座步进式加热炉、2架粗轧、飞剪、7机架精轧、层流冷却、3台卷取机、平整线等等。

整个热轧机组采用了新技术、自动化程度高。电源动态无功补偿采用西门子SVC;机组主传动同步电动机使用交•交变频装置，控制器采用16套Siemens公司的SIMADYN D全数字矢量控制系统；交流异步机辅传动系统（73套）采用西门子全数字交一直一交变频器（6SE70系列产品）；卷取机同步电动机定子电枢主回路采用6SE70装置，转子励磁回路则由6RA70装置供电；所有传动变频控制装置与基础自动化系统（PLC、TDC共36套）之间的通讯全部采用Profibus-Dp通讯协议；而所有控制器装置(PLC、TDC、SIMADYN D)的远程I/O采用经Profibus-Dp通讯的ET200M站（1 73个）；基础自动化系统（一级）的操作监控软件采用Wincc;配置了二级机控制系统；一级和二级的控制系统均采用工业以太网通信。

热轧机组中采用的西门子控制设备很多，控制的对象也很多，这里仅就飞剪的PLC控制作介绍。

二、工艺设备介绍

位于精轧除鳞机前的飞剪采用转鼓式结构，由一台2300kW交流同步电动机通过齿式联轴器与主减速机相连，主减速机输出端通过鼓形齿联轴器与下转鼓相连。上下转鼓间由同步齿轮相连。在各个转鼓上成90。地安装两个剪刃，一对用于头部剪切，切头时剪刃速度应当稍大于飞剪前的带坯速度；另一对用于尾部剪切，切尾时剪刃速度应当稍小于F1机架的咬入速度。当电动机转动时带动下转鼓转动，上转鼓也同时转动。由装在上下转鼓上的剪刃剪切带坯。停机用气动抱闸。飞剪用于将运行中的钢坯切去头部和尾部，以便钢坯顺利进入精轧机，并且可以提高成品的头、尾质量。    

飞剪的控制设备包括两部分：一是s7-400 PLC的逻辑顺序控制，二是交•交变频的矢量控制器 SIMADYN D。这里重点介绍飞剪的PLC控制。

三、控制系统构成

飞剪的控制采用1套S7-400 PLC，系统由主机架、ET200M远程I/O站组成，功能模块有FM450高速计数器模板，绝对值编码器位置检测模板(SM338)。

PLC S7-400通过工业以太网通讯模板(CP443)连接到以太网上，完成与HMI、其他PLC的通讯。

主机架上CPU模板集成的DP接口通过Profibus-DP网连接3个ET200M远程站。

主机架上Profibus-DP网通讯模板(IM467) DP接口通过Profibus-DP网连到变频传动装置的 Profibus-DP网通讯模板(CBP2、SS52)上。

控制系统的硬件配置图如图1所示。

四、控制系统完成的功能

1．PLC  S7-400主要完成精轧飞剪区以下控制功能

●飞剪前辊道速度控制

●飞剪前侧导板控制

●飞剪机架辊运转控制

●飞剪自动控制（切头、切尾）

●飞剪手动控制（切头、切尾）

●除磷箱入口夹送辊速度、压下控制

●除磷箱内辊道速度控制

●除磷箱出口夹送辊速度、压下控制

●高压除鳞水开闭控制

●除鳞箱盖开闭控制等。 

图1  控制系统配置图

2．飞剪的剪切动作

(1)在不剪切时，剪刃处于等待位置，就是剪刃的静止位置，在此位置上带钢通过飞剪，剪刃则由冷却水进行冷却。除了切头、切尾外，剪刃均处于该位置。此时切头剪刃处于270，尾剪刃处于18。

(2)当飞剪得到切头的指令后，首先将切头剪刃转到220。，该位置就是剪刃的起动位置，飞剪得到切头起动的指令（B处延时）后，切头剪刃即从220。位置起动加速，在16.8。开始进剪切，至0。剪切完成，在-20。位置开始制动，在130。位置制动结束，然后再返回到270。等位置，等待下一个切头指令，再重复以上全过程，如图3所示。

图3切头动作示意图

(3)当飞剪得到切尾的指令后，首先切尾剪刃从180位置转到240，该位置就是剪刃的起亏位置，当飞剪得到切尾起动的指令（B’处延时）后，切尾剪刃即从240位置起动加速，在16.8始进入剪切，至0剪切完成，在-20位置开始制动，在130位置制动结束，然后再返回到180冬待位置，等待下一个切尾指令，再重复以上全过程，如图4所示。

3．飞剪控制方式

“飞剪切头”、“飞剪切头切尾”的选择在HMI上实现，操作台上选择开关完成“机旁”，“主控”切换，机旁可点动，操作台上主控分手动，自动方式，在HMI上设动自动方式的头部(C)/尾部（C’）剪切长度，速度超前，滞后率的数据。操作台上主控有连续剪切蘑菇头操作按钮(故障切废功能)。    

飞剪控制主要包括轧件测速、头尾位置检测，主电动机的转速测量，飞剪剪刃主轴位置检测，飞剪的起停控制和安全联锁。而计算确定剪切定时器的设定时间是关键（根据运动学公式）。在控制系统中，采用了两种轧件速度测量方式：

图4切尾动作示意图

(a)热金属检测器(HMD)方式，HMD301和HMD302用于检测钢坯的位置，当坯头或坯尾到达HMD301时，PLCd的计时器开始计时，到达HMD302时，PLC计时器停止计时，读取计时器数值。两个热金属检测器之间的固定长度，计时器数值，可得出坯头或坯尾的速度。

(b)测量辊，夹送辊方式，从HMD301检得(A)开始，钢坯头部速度的检测是通过安装在测量辊上的编码器来实现的；HMD302检得(B)时，起动剪切定时器，定时时间到，开始起动剪刃。从HMD301检失(A’)开始，钢坯尾部速度的检测是通过安装在夹送辊上的编码器来实现的； HMD302检失(B’)时，启动剪切定时器，定时时间到，开始启动剪刃。

飞剪剪刃位置检测是由安装在剪刃主轴上的绝对编码器信号送SM338位置模块测出的，有：等待位置、起动位置、开始制动位置、制动结束位置。在不同位置PLC给SIMADYN D发出不同速度值指令。

安全联锁：

(a)飞剪起动剪切条件：干油、冷却水供应正常；辊道工作正常；测速辊工作正常；电气过载保护；剪刃间隙调节处于锁紧状态。

(b)飞剪不剪切条件：带钢静止时不切；带钢折叠时不切；带钢温度偏低时不切。

五、结束语

整个飞剪的剪切过程为转动一起动加速一匀速一剪切一制动一返回一停止。飞剪的控制采用三环系统，由PLC完成位置环控制，由交•交变频的矢量控制器SIMADYN D完成速度、电流环控制。SM338模块记录下剪刃返回到等待位置的脉冲偏差数，下次剪切时将脉冲偏差数用于修正剪切定时器的设定时间值，从而有效地提高了系统剪切精度。还可开发飞剪在停电检修后剪刃停在随机位置，上电后飞剪由PLC控制自动找到等待位置的程序。也可开发主操作工通过计算机监控画面操作飞剪模拟剪切以检查生产使用前飞剪功能是否正常。