CN102023610A - 利用工艺软件实现飞剪定位及剪切控制的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用工艺软件实现飞剪定位及剪切控制的方法及装置，为解决现有技术中成本高、信号不稳定等问题而发明。本发明通过在传动装置自带的工艺软件或可编程块中自定义设置速度给定模块、位置给定模块及功能切换模块，并在飞剪离切角位置设置接近开关，功能切换模块通过接收外部系统的剪切指令和接近开关发出的信号完成在速度给定模块和位置给定模块之间的切换控制，在传动装置内部控制完成飞剪定位和剪切的准确控制。上述的方法及结构，大大减少了控制硬件，受外界信号干扰程度小，节约成本，操控简单，对操作者的要求较低。

Description

利用工艺软件实现飞剪定位及剪切控制的方法及装置

技术领域

本发明涉及棒线材轧钢领域，特别涉及启停飞剪传动及自动化控制领域用工艺软件实现飞剪定位及剪切控制一种方法及装置。

背景技术

飞剪是棒线材轧钢系统中重要设备之一，其工作的稳定性和可靠性直接影响产品的成材率以及生产产量。启停飞剪定位及剪切控制是飞剪控制重要环节，目前实现这一控制方法归纳有两类：一、通过PLC完成；二、由工艺板T400完成(T400是西门子公司为其传动装置(如6RA70、6SE70等)配置的标准选件)。

通过PLC完成飞剪的定位控制不可避免存在以下问题：以西门子S300 CUP(6ES7 315-2AG10-0AB0)配置FM354轴定位模块(6ES7 354-1AH01-0AE0)为例，其他类型PLC以及其他配置方式工作原理基本相同，不一一阐述：

(1)控制系统复杂、干扰源多、稳定性差。由于FM354输出信号只能为正负10V模拟量，其信号作为传动装置速度给定，若PLC与传动装置不在一处，该信号的传输极易受到干扰；同时0V零漂也影响着系统稳定；FM354还必须接受现场剪刃编码信号，无论以何种通讯方式传输，若该信号受到影响也直接影响到系统稳定性。

(2)控制成本高。剪刃位置编码器、FM354轴定位模块是该系统中必不可少设备，对应机械安装设计、信号传输抗干扰保护材料是必须的。

由工艺板T400完成飞剪的定位、剪切控制，目前方法有两种(1)工艺板T400不含标准剪切软件，工程人员利用S7-CFC编程工具完成有关飞剪的控制程序。(2)T400含标准剪切软件，工程人员通过外部连接、T400参数设置完成系统搭建及功能实现。无论采用(1)、(2)方法，由于T400本身特点不可避免存在以下问题：

(3)控制系统复杂、对工程人员及维护人员要求素质高。不论采用(1)、(2)方法，由于T400存在固定了飞剪控制系统复杂外围结构：末轧机或前夹送辊速度编码器信号采集、剪刃位置编码器信号采集、冷热金属检测器信号采集等等；利用S7-CFC编程开发飞剪对应功能软件或对T400功能参数及工艺参数设置都非常复杂，对工程人员及维护人员要求素质高。

(4)控制成本高。复杂控制系统离不开对应硬件和软件支出：T400本身、S7-CFC或标准剪切软件、剪刃位置编码器、脉冲分配板等等。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明的目的在于提供一种简单易行、干扰性低、准确性高的利用工艺软件实现飞剪定位及剪切控制的方法。

为了达到上述目的，本发明的利用工艺软件实现飞剪定位及剪切控制的方法，包含以下步骤：

(1)在飞剪电机的传动装置中自带的工艺软件或可编程块内设置速度给定模块、位置给定模块以及在速度给定模块和位置给定模块之间进行转换的功能切换模块；

(2)传动装置接收到外部辅助系统发出的剪切指令后，功能切换模块动作转换至速度给定模块对飞剪电机进行控制，将飞剪由定位控制状态转换至剪切控制状态；

(3)速度给定模块通过控制传动装置完成速度闭环控制，使飞剪电机的速度满足在剪刃入切角至离切角之间转动时剪刃水平方向分量线速度与轧件速度保持一致；

(4)剪刃转动至离切角位置时接近开关发出信号，传动装置接收到该信号后功能切换模块动作转换至位置给定模块控制，将飞剪由剪切控制状态转换至位置定位控制状态；

(5)位置给定模块根据剪刃位置与参考给定位置比较的差值和事先设定好的特征曲线形成负反馈控制剪刃转动至设定起始位置即与参考给定位置对应时速度为零，完成位置闭环。

进一步地，所述的位置给定模块包括：

剪刃位置比较单元，向速度特征曲线单元输出剪刃位置与设定起始角参考给定位置比较的差值；

速度特征曲线单元，根据设定的剪刃的起始角、传动装置的传动比、飞剪电机编码器每转脉冲数以及剪刃在不同位置段速度给定值而设定速度特征曲线，接收到剪刃位置比较单元输出的差值后，根据该速度特征曲线得到该差值对应的速度并将该速度作为速度给定值输送至负反馈控制单元；

负反馈控制单元，接收到上述速度给定值并通过传动装置控制飞剪电机转速。

其中，所述的剪刃位置通过定义所述传动装置的剪刃位置寄存器在剪刃转动至离切角位置时进行清零，对输入的飞剪电机编码器每圈脉冲个数及减速装置的传动比进行适时计算得出剪刃的实际位置值。

为了达到上述目的，本发明的利用工艺软件实现飞剪定位及剪切控制的装置，包括飞剪电机、自带工艺软件或可编程块的传动装置及设置在飞剪离切角处的与传动装置连接接近开关，所述飞剪电机设置有编码器，所述传动装置连接外部辅助系统通过PROFIBUS-DP与所述传动装置完成数据交换，工艺软件或可编程块包括：

速度给定模块，用于剪切状态即剪刃从起始角转动至离切角过程中飞剪电机速度的控制，使剪刃在入切角至离切角范围转动时剪刃水平方向分量线速度与轧件速度保持一致；

位置给定模块，用于定位状态即剪刃从离切角转动至起始角过程中飞剪电机速度的控制，使剪刃在起始角位置时速度为零；

功能切换模块，用于在接收到外部辅助系统的通过PROFIBUS-DP传输的剪切指令和接近开关的信号时完成在速度给定模块和位置给定模块之间的功能切换。

外部辅助系统向传动装置发送剪切指令，传动装置接收到该剪切指令后通过工艺软件功能切换模块切换至速度给定模块对传动装置进行速度闭环控制使剪刃在入切角至离切角之间水平方向分量线速度与轧件速度保持一致完成依次速度跟随剪切控制；剪刃转动至离切角位置时，接近开关向传动装置发出信号，传动装置接收到该信号后通过工艺软件功能切换模块切换至位置给定模块对传动装置进行控制使剪刃在从离切角转动至起始角位置时速度为零，动态调整剪刃位置，这样，剪刃处在起始角位置，剪刃的速度为零处在静止状态，完成了位置环定位控制，由于位置环始终处在工作状态，即使由于某种原因导致剪刃偏离设定起始角位置，也会适时地对其调整到位；上述的方法，仅利用飞剪电机的传动装置中自带工艺软件或可编程块完成飞剪的精确定位、剪切控制，并且，控制系统简单、干扰源少、工作稳定性高，节约大量控制成本，同时对工程人员及维护人员要求降低，而目前飞剪的传动装置中基本带有工艺软件或可编程块。

附图说明

图1为本发明的具体实施例的控制框图。

图2为本发明的飞剪剪切示意图。

图3为本发明的具体实施例中剪刃位置寄存器的量程转换示意图。

图4为本发明的具体实施例中位置环控制及剪切控制示意图。

图5为本发明的具体实施例中数据交换图。

图6为本发明的具体实施例中电气连接原理图。

图7为本发明的具体实施例中参数特征曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。

如图1-7所示，本发明仅利用飞剪电机的传动装置中自带工艺软件或可编程块完成飞剪的精确定位、剪切控制。目前飞剪的传动装置中基本带有工艺软件或可编程块。例如：SIEMENS直流装置6RA70带有工艺软件S00，SIEMENS交流传动装置6SE70带有免费自由功能块，ABB交流ACS800及直流DCS800装置均带有自定义编程功能。由于轧线上启停式飞剪驱动电机大部分为直流电机，且传动装置多为：SIEMENS SIMOREG DC-MASTER 6RA70。下面以SIEMENS 6RA70传动装置驱动飞剪直流电机为例，详细描述该发明主要技术方案：

如图1所示，外部辅助系统属于飞剪控制中料速测量及料位跟踪系统，它与6RA70装置通过PROFIBUS-DP通讯方式完成有关数据交换。仅用直流装置6RA70带有工艺软件S00搭建功能框图。当“外部辅助系统”发出剪切指令后，传动装置接受到后飞剪由“定位控制状态”通过“功能切换”转换为“剪切控制状态”，速度给定立即为轧件速度；传递到“6RA70基本功能图”中的“速度调节器”等等，通过编码器完成速度闭环，在剪刃到达入切角前剪刃在X轴分量线速度与轧件线速度相等，保证剪刃在入切角与离切角之间剪刃线速度与轧见线速度相等。当剪刃到达离切角时，接近开关发出脉冲信号；此时飞剪由“剪切控制状态”通过“功能切换”转换为“定位控制状态”，剪刃寄存器值清零，根据齿轮传动比、编码器脉冲数可以准确计算出剪刃实时位置，与设定位置值进行比较，得出不同差值查找出“事先设定好的特征曲线”速度给定值，直到剪刃在设定起始位时速度为零，完成位置环控制。事先设定好的特征曲线是根据：剪刃的启始角、齿轮传动比、电机编码器每转脉冲数以及剪刃在不同位置段速度给定值。

为了更好说明本发明工作原理、工作过程，首先看飞剪剪切示意图，如图2所示，同时规定：1、剪刃接近开关在剪刃处在离切角位置时接近开关信号为1，其它位置均为0；2、飞剪剪刃的停止位设定在900。图3、图4、图5是根据SIEMENS6RA70使用说明书中规定符号和表达方式绘制的。

图3是完成数据量程功能。反映剪刃位置寄存器有高位K43和低位K42，为了后面数据处理一致性：用单字完成，必须将其合二为一。在电机编码器每圈脉冲个数很大或减速箱减速比很大时，剪刃转动一周，K43中值不为零。图1就是将其数值(二进制)向右移动2位，实际将其数值(十进制)除以4后传递给K9113，将每转最大值控制在65535内，数据不溢出。

图4中中间部分接受图1中输出K9113值(剪刃的位置值)与K402值(剪刃停止位设定90°值)进行比较，其差值K9122传递给特性曲线模块106，根据事先设定好特性曲线外形构成负反馈控制，如图通过一系列传递到K9213，将其速度给定值，动态调整剪刃位置，直至K9122在死区范围内是K9213值为零，这样剪刃处在90°位置，剪刃速度为零处在相对静止状态，完成了位置环定位控制。由于位置环始终处在工作状态，即使由于某种导致剪刃偏离设定位，也会适时调整到位；图4中上面部分通过DP通讯接受到剪切指令B3101时，逻辑功能中自动转换为飞剪剪切状态，同时自动要求剪刃在入切角与离切角之间以K3002值剪切，满足飞剪剪刃与轧件速度跟随要求。当剪刃离开离切角时，控制功能自动转入位置环，即飞剪定位；图4中下面部分完善了飞剪碎段功能及检修时正向点动和反向点动功能。

图5中说明了将有关重要数据传递给其它系统。

本项发明可以通过建立小的飞剪模型进行验证。

下面以本人通过实验室实现本相发明为例介绍实验方法和步骤：

主要硬件组成：一个尾端带编码器(2048脉冲/每转)3KW直流电机，一个小型减速箱(减速比：3.57)，一套带DP通讯卡6RA7025-6DV62装置，一个接近开关(机械安装要求：减速箱输出轴安装一个感应铁条，模拟飞剪剪刃，输出轴转动一周，接近开关产生一个脉冲信号)，一套S7300PLC(这里不描述)。如图6所示，实验电气接线原理图。

实验步骤：

1、按上图接线。

2、将电机机械接手脱开，调试出飞剪电机传动特性要求(斜坡函数要尽可能短、电枢电流要放开等)。

3、调试PLC与传动装置通讯(这里下传只有2个参数：剪切指令B3101，模拟轧件速度K3002。)

4、接上电机接手。

5、将功能图1、图2、图3参数输入到传动装置中。

6、上电。通过PLC下达剪切指令B3101＝1(0.5秒脉冲，上升沿为起始点)，

同时下达轧件速度K3002。则飞剪完成一次剪切后停止在起始点。分别给出K3002不同值(范围：0-16384)，可以看出剪切速度变化。

下面是用SIEMENS传动调试软件DriveMonitor在实验时(K3002＝819250％)记录有关波形图也能充分说明问题：

如图7所示，图中最下方为2个开关量状态：剪切指令B3101，剪刃接近开关B16。

图中蓝曲线1为：电机实际速度；橙色曲线3为：电枢实际电流；黄色曲线4为：速度给定；绿色曲线5为：剪刃位置值。

利用飞剪电机的传动装置中自带工艺软件或可编程块完成飞剪的精确定位、剪切控制。

根据1、减速齿轮箱减速比，2、接受剪刃接近开关信号作为起始点，3、对电机编码器值进行计数。适时计算出剪刃实际位置值，与设定值进行比较，根据事先设定好特性曲线外形构成负反馈控制，实现剪刃精确定位控制。通过接受外部剪切信号，根据设计逻辑功能图自动完成一次速度跟随剪切控制。

上述的方法，控制系统简单、干扰源少、工作稳定性高。根据上图，本系统中电气硬件设备只有：飞剪电机、电机编码器、6RA70传动装置、剪刃接近开关。与以往控制系统比较不需要：剪刃编码器、轴定位模块、T400工艺板、脉冲分配板等设备，控制系统硬件结构简单；定位、剪切控制是6RA70传动装置内部完成，减少了许多外部信号传输环节，干扰源自然减少，工作稳定性相应得到提高。节约大量控制成本。本相发明技术中与以往方案比较：增加了1个接近开关及S00授权两项，增加费用为3千元左右；减少的硬软件成本约有5万元左右；本发明控制成本低是一目了然。对工程人员及维护人员要求素质降低。本系统功能完成主要在6RA70传动装置中，涉及外围知识相对少许多。

本发明不局限于上述实施方式，不论在其形状或结构上做任何变化，凡是利用上述的都是本发明的一种变形，均应认为落在本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种利用工艺软件实现飞剪定位及剪切控制的方法，包含以下步骤：

(1)在飞剪电机的传动装置中自带的工艺软件或可编程块内设置速度给定模块、位置给定模块以及在速度给定模块和位置给定模块之间进行转换的功能切换模块；

(2)传动装置接收到外部辅助系统发出的剪切指令后，功能切换模块动作转换至速度给定模块对飞剪电机进行控制，将飞剪由定位控制状态转换至剪切控制状态；

(3)速度给定模块通过控制传动装置完成速度闭环控制，使飞剪电机的速度满足在剪刃入切角至离切角之间转动时剪刃水平方向分量线速度与轧件速度保持一致；

(4)剪刃转动至离切角位置时接近开关发出信号，传动装置接收到该信号后功能切换模块动作转换至位置给定模块控制，将飞剪由剪切控制状态转换至位置定位控制状态；

(5)位置给定模块根据剪刃位置与参考给定位置比较的差值和事先设定好的特征曲线形成负反馈控制剪刃转动至设定起始位置即与参考给定位置对应时速度为零，完成位置闭环。

2.如权利要求1所述的利用工艺软件实现飞剪定位及剪切控制的方法，所述的位置给定模块包括：

剪刃位置比较单元，向速度特征曲线单元输出剪刃位置与设定起始角参考给定位置比较的差值；

速度特征曲线单元，根据设定的剪刃的起始角、传动装置的传动比、飞剪电机编码器每转脉冲数以及剪刃在不同位置段速度给定值而设定速度特征曲线，接收到剪刃位置比较单元输出的差值后，根据该速度特征曲线得到该差值对应的速度并将该速度作为速度给定值输送至负反馈控制单元；

负反馈控制单元，接收到上述速度给定值并通过传动装置控制飞剪电机转速。

3.如权利要求1或2所述的利用工艺软件实现飞剪定位及剪切控制的方法，其特征在于，所述的剪刃位置通过定义所述传动装置的剪刃位置寄存器在剪刃转动至离切角位置时进行清零，对输入的飞剪电机编码器每圈脉冲个数及减速装置的传动比进行实时计算得出剪刃的实际位置值。

4.一种利用工艺软件实现飞剪定位及剪切控制的装置，包括飞剪电机、自带工艺软件或可编程块的传动装置及设置在飞剪离切角处的与传动装置连接接近开关，所述飞剪电机设置有编码器，所述传动装置连接外部辅助系统通过PROFIBUS-DP与所述传动装置完成数据交换，工艺软件或可编程块包括：

速度给定模块，用于剪切状态即剪刃从起始角转动至离切角过程中飞剪电机速度的控制，使剪刃在入切角至离切角范围转动时剪刃水平方向分量线速度与轧件速度保持一致；

位置给定模块，用于定位状态即剪刃从离切角转动至起始角过程中飞剪电机速度的控制，使剪刃在起始角位置时速度为零；

功能切换模块，用于在接收到外部辅助系统的通过PROFIBUS-DP传输的剪切指令和接近开关的信号时完成在速度给定模块和位置给定模块之间的功能切换。

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