CN102033506A - 飞剪自动控制方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及剪切工艺，公开了一种飞剪自动控制方法及其系统。本发明中，通过计算求出飞剪在不同目标剪切速度下所需要的启动上升时间，实现飞剪的变斜率启动，使得飞剪启动电流大大减小，有效节约了电能。另外，在低速时速度调节器采用纯比例控制或者增加用于检测飞剪实际速度的脉冲编码器的测量周期，可使得飞剪在停止位不抖动，无机械振动。并通过剪刃位置和测速共用同一个编码器，降低系统故障率。

Description

飞剪自动控制方法及其系统

技术领域

本发明涉及剪切工艺，特别涉及飞剪的自动控制技术。

背景技术

剪切工艺在造纸、塑料、冶金(板带/线材/棒材)等自动控制领域内被广泛应用。目前有离合器式、摆槽式、启停式等几种常用方式。飞剪机作为生产线的关键设备，它的控制精度及其稳定性、可靠性对于生产线的连续生产起到至关重要的作用。

T400工艺模板是一个32位CPU板，具有极高的运算能力和强大功能。它可以装于西门子交流变频器6SE70和直流变流器6RA70中，通过双口RAM(内存)快速地对其进行高级工艺控制。T400模块的最快执行周期小于1ms，适合于对交流、直流驱动器做复杂(具有大量的运算)，高精度和高速的控制，这种情况下普通的PLC(可编程逻辑控制器)是不能满足控制要求的。

从飞剪自动控制系统方案角度，分为以工艺板T400为控制核心的剪切系统与以PLC为控制核心的剪切系统两种。从硬件上讲，以PLC为核心的剪切系统对PLC要求较高，并且还需要连接各种传感器的I/O模块和高速计数模板以采集数据，模块的性能直接影响到剪切系统的稳定性。PLC发送的主给定等数据通过网络传输给传动设备。而工艺板T400直接装于传动设备的插槽内，本身集成了DI/DO、AI/AO、编码器接线的外部端子，数据直接与传动装置内存交换，从而大大减少了数据的交换时间。PLC因其固有的系统扫描时间和数据在网络上传输的时间，必然会影响到剪切精度。从经济成本方面考虑工艺板T400可以节约大量费用。

在软件方面，用PLC编写的剪切程序，程序量非常大，要耗费大量的时间精力，而且通用性不强，他人想调整程序非常困难。工艺板T400可以选择带西门子标准剪切软件和自编程软件两种。带西门子标准剪切软件的T400工艺板内已经固化好程序，只能通过修改外部参数来调整，无法看到程序内部，成本高，遇到问题时不利于分析解决，并且标准程序比较复杂，有很多不常用的功能。而通过自编程软件可易于修改调整，程序运行可靠稳定，通用性强，剪切精度高。

目前，在生产过程中，飞剪根据生产不同的品种和不同的轧制速度水平，飞剪工作在不同的速度下，一般从电机的额定速度30％到100％之间。按照传统的定斜率启动剪切方式，为了满足最高速度时的剪切启动时间，斜坡函数发生器的上升时间需要设定很小，通常在0.1～0.15s之间，导致启动电流大；在轧制大规格产品需要低速剪切时，飞剪还是按照最高速时的剪切启动斜率工作。这样，生产线长期运行，对电机的冲击很大，对电机和剪机设备寿命都有很多影响，并且造成大量的电能浪费。

另外，为了使飞剪每次剪切后都能准确回到初始位置，通常速度环采用比例积分控制(PI控制)，获得较好的闭环控制效果。但是，由于PI调节是有差调节，如果参数匹配不好的话，尤其是高速飞剪，飞剪在停止位附近经常抖动，机械振动大。

另外，在飞剪的速度检测和位置检测过程中，各需要一个脉冲编码器，使得系统中需要检测的元件多，系统故障率高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种飞剪自动控制方法及其系统，使得能以变斜率的方式启动飞剪，从而使飞剪启动电流大大减小，节约电能。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种飞剪自动控制方法，包含以下步骤：

根据生产速度轧制水平，得到飞剪在到达入切角时所需的目标剪切速度；

根据所述飞剪在到达入切角时的目标剪切速度，计算所需的启动上升时间；

以所述计算的启动上升时间所对应的启动斜率，启动所述飞剪。

本发明的实施方式还提供了一种飞剪自动控制系统，包含：

时间计算模块，用于根据飞剪在到达入切角时的目标剪切速度，计算所需的启动上升时间，其中，所述目标剪切速度根据生产速度轧制水平得到；

启动模块，用于以所述时间计算模块计算的启动上升时间所对应的启动斜率，启动所述飞剪。

本发明实施方式相对于现有技术而言，根据飞剪在到达入切角时的目标剪切速度，计算所需的启动上升时间，以计算的启动上升时间所对应的启动斜率，启动飞剪。也就是说，通过计算求出飞剪在不同目标剪切速度下所需要的启动上升时间，实现飞剪的变斜率启动。由于根据生产速度轧制水平，保证不同速度下采用不同的启动斜率，即在保证剪切入切角时达到剪切速度的前提下，采用不同的启动斜率值。因此当轧制大规格产品需要低速剪切时，飞剪无需按照最高速时的剪切启动斜率工作，使得飞剪启动电流大大减小，有效节约了电能。

另外，在低速时速度调节器采用纯比例控制。由于速度环采用纯比例控制，是无差调节，并通过调整位置差的延时时间来撤销使能和速度设定信号，以消除纯比例控制所带来的偏差。既能保证停止位置准确又能使飞剪在停止位不抖动。

另外，也可以在低速时通过增加用于检测飞剪实际速度的脉冲编码器的测量周期，使飞剪在停止位不抖动，无机械振动。由于脉冲编码器是速度闭环控制系统中实际速度的检测元件。低速时，如果测量周期越小，测量到速度实际值波动就越频繁，速度实际值波动越频繁，速度调节器调节也越频繁，导致飞剪在停止位抖动。如果增大低速时的测量周期，可以使速度实际值波动频率减弱，从而使速度调节器调节频率减弱，达到减小飞剪在停止位抖动的问题。

另外，剪刃位置和测速共用同一个编码器，通过接近开关清零。通过将测速和位置反馈共用一个增量型编码器，可以减少一个编码器。由于减少了外围设备，也就可以减少维修故障点，从而使得故障率得到有效降低。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的飞剪自动控制方法流程图；

图2是根据本发明第一实施方式中变斜率的计算示意图；

图3是根据本发明第一实施方式中某钢厂棒材生产线倍尺飞剪系统的组成结构示意图；

图4是根据本发明第一实施方式中的位置、转速、电流三环控制的位置随动系统结构示意图；

图5根据本发明第四实施方式的飞剪自动控制系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明的第一实施方式涉及一种飞剪自动控制方法，应用在T400工艺模板中。在本实施方式中，根据生产速度轧制水平，保证不同速度下采用不同的启动斜率，即在保证剪切入切角时达到剪切速度的前提下，采用不同的启动斜率值。具体流程如图1所示。

在飞剪系统就绪后，进入步骤101，选择飞剪的剪切方式。一般来说，飞剪剪切方式分为手动和自动两种方式。手动用于生产准备时测试飞剪工作是否正常。生产时采用自动方式，可以选择单切头、单切尾，也可以同时选择切头切尾。

接着，在步骤102中，判断选择的剪切方式是否为自动。如果不是自动(即为手动)，则进入步骤103；如果是手动，则进入步骤104。

在步骤103中，进行手动单切，包括操作台、箱单切按钮等操作，与现有技术相同，在此不再赘述。并在步骤103后，直接进入步骤109。

在步骤104中，进入自动剪切模式，判断是切头还是切尾，如果是切头则进入步骤105；如果是切尾，则进入步骤107。

在步骤105至步骤106中，进行剪前热检信号上升沿、等待切头启动时间等操作。并在步骤106后，进入步骤109。

在步骤107至步骤108中，进行剪前热检信号下降沿、等待切尾启动时间等操作。

在步骤109中，飞剪启动，给传动发速度和使能信号，退出位置闭环。

接着，在步骤110中，按照飞剪在到达入切角时的目标剪切速度，采用变斜率方式得出启动斜率时间，启动飞剪，即根据飞剪在到达入切角时的目标剪切速度，计算所需的启动上升时间，以计算的启动上升时间所对应的启动斜率，启动飞剪，实现变斜率启动。

具体地说，斜坡函数发生器是直流调试控制系统速度给定通道的关键环节，是通过阶跃变化的方式使给定速度从0达到目标速度。斜坡上升时间P303是指速度给定值从0到100％或从0到-100％所用的时间，斜坡下降时间P304是指速度给定值从100％到0或从-100％到0所用的时间。参数P636是斜坡函数发生器时间减小信号的源，这个参数作为接入斜坡函数发生器时间减小信号的连接器的选择。采用本实施方式的变斜率启动方式时，斜坡上升时间P636.003是T400中计算的上升时间与P303的乘积值，斜坡下降时间P636.004是T400中计算的下降时间与P304的乘积值。在T400程序里，通过计算求出飞剪在不同速度下所需要的启动上升时间和制动下降时间，以实现飞剪的变斜率启动。具体计算方式如下：

设飞剪电机额定转速为n_e，飞剪机减速比为i，剪刃转速为n，飞剪回转半径为r，剪前轧机的线速度为v，飞剪从停止位到剪切位转动角为θ，转过θ角所用时间为t₁，斜坡用时为t₃，计算不同的斜率为t₄，实际选用的斜坡时间为T，斜坡用时为t₂，应加矩形时间为t_x，最后要计算的启动时间为T₁，速度系数a，如果要求飞剪转过θ₁角度时达到剪切速度，那么根据转速、角速度和线速度关系公式

v＝ω*r；

得出

则t₁＝t；t₃＝2*t₁；

t₂＝a*T；

$T_1=t_2+t_x=\mathrm{aT}+t_1-\frac{\mathrm{aT}}{2}=\frac{\mathrm{aT}}{2}+t_1=\frac{a{\mathrm{\θ}}_1{t}_4}{2\mathrm{\θ}}+t_1=(\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{\mathrm{\θ}}+1)t=\frac{({\mathrm{\θ}}_1+\mathrm{\θ})*60i}{2\mathrm{\πa}{n}_e}$

如图2所示，所需要的启动上升时间计算步骤如下：

(1)算出1.0，0.9......0.1速度所对应的启动时间t1；

(2)算出1.0速度所对应的斜坡时间T0；

(3)计算出速度a所对应的斜坡时间t3；

(4)选择实际的斜坡时间T；

(5)剪刃沿着实际斜率升速，到达F点再以速度a运动到G点；

(6)计算增加矩形的时间：矩形FGHt2面积＝矩形OaDt1面积-三角形OFt2面积；

(7)实际所需要的启动上升时间为t2+tx。

下面以某钢厂棒材生产线倍尺飞剪系统为例，进一步介绍说明工艺板T400是如何实现飞剪的变斜率启动的。

该系统的飞剪为起停式飞剪，工艺板T400剪切所需要的外部条件包括热金属检测器2个(剪后热检用于倍尺剪切和剪前热检用于优化剪切)，1个脉冲编码器(装于飞剪电机轴上，兼做飞剪速度检测和剪刃位置检测)，1个接近开关(装于飞剪剪刃轴上，用于位置清零)。

系统组成结构如图3所示，控制核心：自编程飞剪控制软件的工艺板T400；传动设备：6RA70全数字直流调速装置(配有CBP2通讯板、4Q)；驱动电机：ZFQZ-355-42型直流他励电机(额定功率355kW、额定电压440V、额定电流890A、装置电流2000A、额定转速530rpm、励磁电压220V、励磁电流28.4A)；剪切设备：飞剪(带减速箱)；传感器：热金属检测器(2个)、脉冲编码器(每转1024个脉冲、1个)、接近开关1个；控制器：S7-315PLC；监控设备：上位机。

其中，工艺板T400装于6RA70全数字直流调速装置箱内通过与6RA70主板CUD1共用双口内存实际数据交换，主给定由T400发送。剪刃接近开关接于T400外部端子上，飞剪剪前和剪后热金属检测器也引入T400端子。料速通过出口成品轧机电机轴上的编码器采集进入轧机调速装置内，再通过Profibus-DP网发给PLC，PLC程序根据轧制工艺选择出口机架再把速度通过Profibus-DP网发给飞剪调速装置。剪切指令通过主操作台和人机界面(HMI)，由工业以太网和Profibus-DP网发送，同时还可以把飞剪的各种工作状态、数据、波形在HMI上监视。

在T400程序中计算不同目标剪切速度下的启动斜率时间表，通过背板总线把数据传到直流调试装置中。通过调整参数P636.003控制启动上升时间。

接着，在步骤111中，飞剪在到达入切角时进行剪切。

接着，在步骤112中，飞剪离开出口角，剪切结束，再次停在初始位置。需要说明的是，在剪切后需要回到初始位置时，需要计算飞剪从当前的速度下降为零速度所需的制动下降时间，然后以计算的制动下降时间所对应的制动斜率，制动飞剪。也就是说，在制动时，通过调整P636.004控制下降时间。在步骤112后，回到步骤101。

另外，值得一提的是，在本实施方式中，飞剪位置检测和速度检测共用一个脉冲编码器BN，通过一个接近开关使飞剪每运动一周把码盘值清零，重新计数。

具体地说，目前的传动装置多用增量型脉冲编码器作为速度检测，而通过利用该传动装置中脉冲编码器的脉冲计数功能同样可以得到剪刃的位置信号。比如说，剪刃实际位置的百分值可由以下公式求出：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{act}}=\frac{K42}{C_0\×P144\×i}$

其中，θ_act表示位置实际值；K42表示位置计数器的计数值；C₀表示编码器每周脉冲数；P144表示倍频数；i表示减速机减速比。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。

通过将测速和位置反馈共用一个增量型编码器，可以减少一个编码器，使系统更稳定。由于减少了外围设备，也就可以减少维修故障点，从而使得故障率得到有效降低。从飞剪剪切结束到初始位停止的过程是典型的位置随动系统，位置-速度-电流三闭环位置随动系统如图4所示。其中，APR表示位置调节器；ASR表示转速调节器；ACR表示电流调节器；BN表示增量型脉冲编码器；UPE表示功率触发单元；

表示位置设定值；U_P表示位置实际值；

表示速度设定值；U_n表示速度实际值；表示电流设定值；U_i表示电流实际值。

不难发现，在本实施方式中，由于在保证剪切入切角时达到剪切速度的前提下，采用了不同的启动斜率值，因此当轧制大规格产品需要低速剪切时，飞剪无需按照最高速时的剪切启动斜率工作，使得飞剪启动电流大大减小，有效节约了电能。

需要说明的是，本实施方式中的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本发明的第二实施方式涉及一种飞剪自动控制方法。第二实施方式在第一实施方式的基础上作了进一步改进，主要改进之处在于：在本实施方式中，当剪切后飞剪的速度小于预定值时，采用纯比例控制方式控制速度环，使飞剪回到初始位置。由于速度环采用纯比例控制(P控制)，是无差调节，并通过调整位置差的延时时间来撤销使能和速度设定信号，以消除纯比例控制所带来的偏差。既能保证停止位置准确又能使飞剪在停止位不抖动。

具体地说，可通过改变参数P224来实现。参数P224是速度调节器I分量的控制字，P224＝1是调节器I分量有效，P224＝0是调节器I分量无效，既获得一个纯P调节器。也可以通过参数P221和P222来实现。P221是速度调节器同速度有关的PI/P调节器切换的滞环。P222是速度调节器PI/P调节器同速度有关的转换阈值(即上述预定值)。P222＝0表示从PI到P调节器的自动转换无效。P222＞0表示依赖于实际速度，如果速度降到在参数P222中设置的阈值以下，PI调节器转换到P调节器。在速度实际值＞P222+P221以前，积分器将不再接入(值为0)。这个功能允许速度调节器在使能时使用一个零给定使驱动系统实现无超调停车。

本发明的第三实施方式涉及一种飞剪自动控制方法。第三实施方式在第一实施方式的基础上作了进一步改进，主要改进之处在于：在本实施方式中，当剪切后飞剪的速度小于预定值时，增加用于检测飞剪实际速度的脉冲编码器的测量周期，使飞剪在停止位不抖动，无机械振动。由于脉冲编码器是速度闭环控制系统中实际速度的检测元件。低速时，如果测量周期越小，测量到速度实际值波动就越频繁，速度实际值波动越频繁，速度调节器调节也越频繁，导致飞剪在停止位抖动。如果增大低速时的测量周期，可以使速度实际值波动频率减弱，从而使速度调节器调节频率减弱，达到减小飞剪在停止位抖动的问题。

具体地说，可通过修改参数P146和P147来实现。参数P146＝0是指低速时(即飞剪的速度小于预定值)增加脉冲编码器测量周期功能无效，参数P146＝1是指低速时增加脉冲编码器测量周期功能有效。所以设定P146＝1。参数P147是脉冲编码器信号计算的正常测量时间。P147＝0是指正常测量时间为1ms，触发脉冲同步测量。P147＝1是指正常测量时间为2ms，触发脉冲同步测量，产生比P147＝0更稳定的速度实际值。P147＝2是指正常测量时间为4ms，触发脉冲同步测量，用在具有较大转动惯量的驱动中，产生比P147＝1更稳定的速度实际值。根据调试设备的实现效果，考虑修改参数P147的值。

本发明第四实施方式涉及一种飞剪自动控制系统，本实施方式的飞剪自动控制系统基于T400工艺板。其结构如图5所示，包含：

时间计算模块，用于根据飞剪在到达入切角时的目标剪切速度，计算所需的启动上升时间，并在剪切后需要回到初始位置时，计算飞剪从当前的速度下降为零速度所需的制动下降时间。其中，目标剪切速度根据生产速度轧制水平得到。

启动模块，用于以该时间计算模块计算的启动上升时间所对应的启动斜率，启动飞剪。

制动模块，用于以该时间计算模块计算的制动下降时间所对应的制动斜率，制动飞剪。

值得一提的是，本实施方式的飞剪自动控制系统还包含位于上下剪刃的合口位置的接近开关。飞剪的位置检测和速度检测共用一个脉冲编码器，该位于上下剪刃的合口位置的接近开关，用于在飞剪每运动一周时将码盘值清零，重新计数。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的系统实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。

本发明第五实施方式涉及一种飞剪自动控制系统。第五实施方式在第四实施方式的基础上作了进一步改进，主要改进之处在于：在本实施方式中，飞剪自动控制系统还包含速度环控制模块，用于在低速时(即剪切后飞剪的速度小于预定值时)，采用纯比例控制方式控制速度环，使飞剪回到初始位置。由于速度环采用纯比例控制(P控制)，是无差调节，并通过调整位置差的延时时间来撤销使能和速度设定信号，以消除纯比例控制所带来的偏差。既能保证停止位置准确又能使飞剪在停止位不抖动。

本发明第六实施方式涉及一种飞剪自动控制系统。第六实施方式在第四实施方式的基础上作了进一步改进，主要改进之处在于：在本实施方式中，飞剪自动控制系统还包含测量周期增加模块，用于在低速时(即剪切后飞剪的速度小于预定值时)，增加用于检测飞剪实际速度的脉冲编码器的测量周期，使飞剪在停止位不抖动，无机械振动。由于脉冲编码器是速度闭环控制系统中实际速度的检测元件。低速时，如果测量周期越小，测量到速度实际值波动就越频繁，速度实际值波动越频繁，速度调节器调节也越频繁，导致飞剪在停止位抖动。如果增大低速时的测量周期，可以使速度实际值波动频率减弱，从而使速度调节器调节频率减弱，达到减小飞剪在停止位抖动的问题。

上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (12)

1.一种飞剪自动控制方法，其特征在于，包含以下步骤：

根据生产速度轧制水平，得到飞剪在到达入切角时所需的目标剪切速度；

根据所述飞剪在到达入切角时的目标剪切速度，计算所需的启动上升时间；

以所述计算的启动上升时间所对应的启动斜率，启动所述飞剪。

2.根据权利要求1所述的飞剪自动控制方法，其特征在于，还包含以下步骤：

在剪切后需要回到初始位置时，计算所述飞剪从当前的速度下降为零速度所需的制动下降时间；

以所述计算的制动下降时间所对应的制动斜率，制动所述飞剪。

3.根据权利要求1所述的飞剪自动控制方法，其特征在于，还包含以下步骤：

在剪切后所述飞剪的速度小于预定值时，采用纯比例控制方式控制速度环，将所述飞剪回到初始位置。

4.根据权利要求1所述的飞剪自动控制方法，其特征在于，还包含以下步骤：

当剪切后所述飞剪的速度小于预定值时，增加用于检测飞剪实际速度的脉冲编码器的测量周期。

5.根据权利要求1所述的飞剪自动控制方法，其特征在于，还包含以下步骤：

在飞剪位置检测和飞剪速度检测中，共用一个脉冲编码器，通过一个接近开关在所述飞剪每运动一周时将码盘值清零，重新计数。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的飞剪自动控制方法，其特征在于，

所述飞剪自动控制方法应用在T400工艺模板中。

7.一种飞剪自动控制系统，其特征在于，包含：

时间计算模块，用于根据飞剪在到达入切角时的目标剪切速度，计算所需的启动上升时间，其中，所述目标剪切速度根据生产速度轧制水平得到；

启动模块，用于以所述时间计算模块计算的启动上升时间所对应的启动斜率，启动所述飞剪。

8.根据权利要求7所述的飞剪自动控制系统，其特征在于，所述飞剪自动控制系统还包含制动模块；

所述时间计算模块还用于在剪切后需要回到初始位置时，计算所述飞剪从当前的速度下降为零速度所需的制动下降时间；

所述制动模块用于以所述时间计算模块计算的制动下降时间所对应的制动斜率，制动所述飞剪。

9.根据权利要求7所述的飞剪自动控制系统，其特征在于，所述飞剪自动控制系统还包含：

速度环控制模块，用于在剪切后所述飞剪的速度小于预定值时，采用纯比例控制方式控制速度环，将所述飞剪回到初始位置。

10.根据权利要求7所述的飞剪自动控制系统，其特征在于，所述飞剪自动控制系统还包含：

测量周期增加模块，用于在剪切后所述飞剪的速度小于预定值时，增加用于检测飞剪实际速度的脉冲编码器的测量周期。

11.根据权利要求7所述的飞剪自动控制系统，其特征在于，飞剪自动控制系统还包含位于上下剪刃的合口位置的接近开关；

所述飞剪的位置检测和速度检测共用一个脉冲编码器，所述接近开关用于在所述飞剪每运动一周时将码盘值清零，重新计数。

12.根据权利要求7至11中任一项所述的飞剪自动控制系统，其特征在于，

所述飞剪自动控制系统基于T400工艺板。

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