GE Rx7i PLC在热连轧带钢生产线飞剪控制系统中的应用.pdf

P L C 与D C S PL C an d DCS 自动化技 术与应用2 0 1 1年第 3 0卷第 2期 G E R x 7 i P L C在热连轧带钢生产线飞剪 控制 系统 中的应用 徐杰 迁安轧一钢铁集团有限公司轧钢厂， 河北唐山 0 6 4 4 0 2 摘要 本 史十要介缁G E R x 7 i P L C在热连轧带钢牛产线飞剪定尺 控制系统， { 『 n 用， 分忻 剪切控制 理， 推导飞剪 ，对提高飞剪的作业率和带钢顷蛩 以及下 一 步升级他化 切 有较 高的参影价 j 指导意 义。 关键词 G E Rx T i P i C； 飞 ； 定尺翦切； 控制系统 } 1 j 冬 J ， ， 类 T M5 7 1 ． 6 1 之献标识码 B 文章编 r ] ‘ 1 0 0 3 7 2 4 1 2 0 1 1 0 2 0 0 2 1 O 5 Ap p l i c a t i o n o f G E Rx 7 i PL C F l y i n g Sh e a r f o r Ho t S t r i p St e e l Co n t r o l S y s t e m XU J i e Z h a y i I r o nS t e e l Gr o u p C o ． ， L t d ． Qi a n a n R o l l i n g Mi l l ， T a n g s h a n 0 6 4 4 0 2 Ch i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r i n t r o d u c e s a p p l i c a t i o n o f GE Rx 7 i P LC c u t t i n g t o l e n g t h o f fly i n g s h e a r f o r h o t s t r i p s t e e l c o n t r o l s y s t e m a n d a n a l ys e s t h e c u t t i n g c o n t r o l t h e o r y a n d d e r i v e s t h e s h e a r e q u a t i o n ． Co mb i n i n g wi t h a l t e r a t i o n o f t h e p r a c t i c a l i t y o f o u r f a c t o r y，i t i s s i g n i f i c a n t t o i n c r e a s e t h e o p e r a t i n g r a t e a n d q u a l i t y f o r p r o d u c t a n d t o u p g r a d t h e o p t i mi z i n g c u t t i n g s y s t em ． Ke y wo r d s GE Rx T i P LC； fl y i n g s h e a r ； c u t l e n g t h； c o n t r o l s ys t e m 1 引言 在迁安轧一 1 2 5 0热连轧机组中， 飞剪用于将运行中 的钢坯切 去其不规则 的头部和 尾部 ， 以利于 中间钢 坯料 顺利进入精轧机组 ， 并且可 以提高带钢成品的头尾质 量。本文将结合我厂实际情况介绍 G E Rx 7 i P LC在热 轧带钢生产线控制系统中的应用 ， 并推导飞剪定尺剪切 的剪切方程 ， 对一些常见的问题进行分析说 明。 2 飞剪控制系统 的组成 迁安轧一飞剪控制系统由飞剪转鼓、剪刃、位置反 馈编码器 、飞剪直流 电机 、减速箱及 热金属检测器 HMD 等组成， 图一中HMD 4 0 1 、HMD 4 0 2 、HMD 4 0 3 、 HMD4 0 4均为热金属检测器 其中HMD 4 0 3为线扫描式 收稿 日期 2 0 1 0 0 9 2 9 热金属检测器 ， 飞剪位置编码器安装在 电机减速机上 ， 负责检测剪刃的位置 ， 电机速度检测编码器安装与飞剪 电机 尾部 ， 当 HMD4 0 2 信号检到后 ， 辊道速度将为 1 米 ／ 分 ， 同时 MR1 上升到预定位置测速 ， HMD 4 0 1 和 H MD 4 0 2 用于检测带钢的位置以便于 P L C对辊道速度进行调节控 制， HMD4 0 3检到信号后， 飞剪剪切方程开始计算， 当计 算的带钢位移量与设定值相等时实施剪切 ， MR2负责检 测带钢切尾时速度的测量 对于成品厚度不同的带钢 ， 带 钢尾部速度不 同 。飞剪 剪切 控制系统框图详见 图 2 1 1 l 。 埔_ 柏 l嘲鼬l o 2 l ■B ‘ o 3 图 1 飞剪控制系统检测器布置示意图 自 动 化 技 术 与 应 用 2 0 1 1 年 第3 0 卷 第2 期 P E G 与D G S Pk C an d DCS 3 剪切工艺对 飞剪 的基本要求 1 剪切带钢头部时， 飞剪剪刃在带钢运动方向的 分速度V x应与带钢运动速度Vo 匹配， 般取 1 1 ． 0 3 o ， 以防止剪刃阻挡带钢前进 ， 造成带钢头部弯曲甚至 带 钢缠剪 刃事故 ， 若 V x 比Vo 大得 多 ， 将 使带钢 产生 较 大的拉 应力 ， 影响带钢 的剪 切质量 ， 同时 增加 飞剪 电机 的冲击 负荷 。 2 剪切带钢尾部 时 ， 飞剪剪刃在带钢运动方 向的 分速度 应与带钢运动速度Vo 匹配， 般取 O ． 9 5 1 Vo ， 以防止造成带钢尾部弯曲， 剪掉的尾部不能顺利落 到飞剪下方的废料收集装置 中。 3 能剪切不同规格和不同定尺长度的产品， 且能 满足定尺长度精度和剪切断面质量的要求 。 4 能满 足轧机 和机组 生产率的要求⋯。 图2 飞剪控制系统框图 4 飞剪的运行及剪刃 的位置控 制 飞剪控 制系统 中 ， 剪刃 的位 置是 由安装在 减速机上 的编码器反馈来表示的， 剪刃的位置随飞剪电机传动减 速机带动转鼓按带钢运行方向旋转 ， 旋转一周为 3 6 0 。， 为 了说 明计算结果 的物理意 义 ， 我们定 义带钢进 入飞剪 运行方向为正， 切点位置为切头和切尾剪刃重合位置 ， 并定义为 0 。角， 图三中实心箭头表示切头剪刃 ， 空心箭 头表示切尾 剪刃 ， 图三 中为 飞剪转 鼓上 剪刃 的运行示意 图， 下剪刃与之对应 ， 下面我们以飞剪在工作时上剪刃 的运动轨迹说 明飞剪的剪切过程 。 1 剪前辊道运送 钢坯 ， 钢坯 经由剪前导尺使钢坯 对 中，由测 速 辊测量 出钢 坯 的运 行速 度 并将 信号 传 至 P L C控制系统， 由P LC来控制转鼓的速度， 从而使带坯 的运 行速 度与 剪切 速度 相 匹配 。 2 在不剪切时， 剪刃处于等待位置， 就是剪刃静 止的位置或在此位置上带坯运行通过飞剪 ， 而剪刃则由 冷却水进行冷却， 此时切头剪刃处于 2 7 0 。， 切尾剪刃处 于 1 8 0 。。 3 当飞剪得到切头的指令后， 首先提前将切头剪 刃转到 1 8 0 。位置就是切头剪刃的起动位置。飞剪得到 切头起动的指令后 ， 切头剪刃既从 1 8 0 。加速， 在 1 6 ． 8 。 进入 剪切 ， 至 0 。 时剪切 完成 ． 在 超越 2 0 。位置开 始制 动 ， 在 1 3 0 。时制动结束， 然后再返回到 2 7 0 。等待位置， 等待下一个切头过程再重复以上的全过程。 4 切尾时切尾剪刃直接从 1 8 0 。位置启动加速， 在 1 6 ． 8 。开始进入剪切 ， 至 0 。剪切完成， 在 一 2 0 。位置 开始制动， 在 1 3 0 。位置制动结束， 然后再返回 1 8 0 。等 待位置【 2 l 。 舀 e oo ．J 舀 e。 ． 。 。． o c [] 0 ] 图3 飞剪切头 ／切尾时工作流程图 5 电控 系统 5 ． 1 硬件系统 飞剪 电控系统设计采用 GE PAC系列可编程 自动 控制器 ， G E RX7 i 框架 ， VME背板总线 ， P L C 4 0 1 A机架 扩展采用 G E总线发送器， 总线接收器与机架 P L C 4 0 1 B、 P L C 4 0 1 C连接， 采用 DP网与远程操作台、现场操作箱 及传动控制系统进行通讯， 下图是我厂飞剪控制器实际 配置 图 ， 当然飞 剪控 制器还 控制 一些其 它辅助 设备 ， 如 轧机 冷 却水控 制 等 。 图 四中主 要功 能模 块如 下 1 处理器 美国 G E P AC P I I I 处理器 ， 主频 3 0 0 MHZ C P U集成两个 以太网口， 可用于 E G D通讯和编程 口使用。 2 B E M7 1 3 总线发送器。 3 B E M7 1 1 总线接收器。 4 C P A1 5 B 高性能嵌入式控制器， 负责A1 5上子 板的数据处理 ， 通过背板与 P L C进行数据交换。 5 AO M6 2 1 模拟量输 出模 板。 6 AI M3 5 1 模拟量输入模板。 P L C 与D e S Pk C an d DCS 7 MD L 7 5 0 数字量输出模板。 8 MDL 6 5 3 数字量 输入模 板。 P B M5 7 0 DP网通讯模板， 负责与操作台、现场控制 箱 、直流传动控制器通讯。 C MX0 1 6 内存映象网板， 负责与其它区域 P L C进行 高速数据 交 换 。 从硬 件 配置 图可 以看 出飞 剪控 制器 对 于 带钢 的 跟 踪 、测速计 算、剪刃的定位 以及飞剪剪 切速度 的给定主 要 由主机架 P L C 4 0 1 A 来完成 。 5 ． 2 网络 结构 如图4所示 ， 飞剪控制系统采用 3层网络结构， 分别 为 E t h e r n e t ， RT NE T 内存映象 网和 P r o f i b u s DP网。 E t h e r n e t 接口位于P AC C P U板下方， 可用于下载和在 线监控用户程序 ， 与飞剪电机直流传动控制器 ADD 3 2 进行 E G D 通讯 ； R T 内存映象网用于和生产线其它 G E P L C进行通讯 ， 速度为 2 G b ／ S ； D P网有 2 路 ， 一路去操 作台操作键盘 OP U， 一路去交、直流传动装置 即辊道 变频器和 ADD3 2 直流传动控制器 。 图 4 电控系统配置 6 剪切控制 飞剪在剪切运行的过程中可分为四个运行阶段 加 速、剪切 、制动、AP C重新定位阶段。传动控制系统 在位置环 、速度环 、电流环 3种工作状态下 自动切换 ， 传动系统可接受位置给定、速度给定、加速电流给定 ， 在每个阶段都要对速度、加速度 、位置进行修正， 其控 制系统图可参看上图2。 6 。 1 切头过程控制 参考图3 如图 1 所示 ， 当 HMD4 0 1 检测到带钢头部时 ， 飞剪 进行切 头前预摆位动作 ， 飞剪切头剪刃 由 2 7 0 。转到 1 8 0 自动化 技术与应用2 0 1 1年第 3 O卷第 2期 。位置， 当HMD 4 0 2检测到带钢时， 前测速辊 MR1由气 缸传动升起开始测量带钢头部速度 ， 并把速度信号实时 送给 P LC， 当HMD4 0 3 检测到带钢头部信号时， 启动剪 切方程开始跟踪计算带钢头部位置， 当跟踪计算值等于 预设剪切量时， 由PL C发出剪切命令 ， 飞剪切头剪刃由 1 8 0位置启动进行切头。 ＼ 目 脚 ． } 棚 ＼ 一 t辩 _● “ 图 5 飞剪剪切控制时序图 6 ． 2 切尾过程控制 参考 图3 如图 1所示 ， 飞剪头部剪切完成并穿过除鳞箱， 精 轧机组 首机架 咬钢 时 ， 后 测速辊 M R2开始将 测量带钢 速度反 馈给 除鳞箱辊道 进行控 制 以稳 定带钢 尾部速度 ， 并把速度信号实时送给P L C， 当 HMD 4 0 3检测到带钢尾 部时 ， 启动剪切方程开始跟踪计算带钢尾部位置， 当跟 踪计算值等于预设剪切量时， 由PL C发出剪切命令， 飞 剪切尾剪刃由 1 8 0位置启动进行切尾。 6 ． 3 剪切方程 1 a A 飞剪剪刃加速度 计算得到 2 a 带钢加速度 计算得到 3 L S 飞剪剪刃由启动到剪切位移度 即飞剪半 周 周 长 4 S 1 飞剪加速运动时带钢移度 5 S 2 飞剪从加速 到 KV2到剪切过程 中带钢移 度 6 s 3 飞剪启动滞后时间内带钢移度 7 K 剪切放大系数 常数， 取经验值 8 Td 飞剪 运行 滞后时 间 时 间 常数 ， 由实 际 测 量 得 到 9 Ta 飞剪从转 动到剪切运行时 间 计算得到 1 0 L HMD 4 0 3 到飞剪转鼓 中心线 的距离 l 1 LC 人工设定的剪切长度 1 2 Vt 带钢的线速度由测速装置实际测出 1 3 LC E RR 带钢 剪切 长度修正值 ， 调试完成后为 固定常数 K V2 a A X T a 而 K V2 K X【 Vt a T d T a ] K V t aT d 』 a一 日A n 自 动 化 技 术 与 应用 2 0 l 1 年 第3 0 卷 第2 期 P L C 与D C S PL C a n d DCS - ． 。 Ls 1 a A x z K v 2 T c 圭 K a T c 2 ． ．Ls丢 a A K V 2 x T c a T c 2 2 S 2V 1 V2 T c a x T c 2 3 x 3 将 3 式代入 2 有 LS 1 a A T a K s 2 4 s 1 _ vt aT d T a a 5 s l s 2 兰 十 r 、 ， H 咀 x T d K V t a x T d a A - K x a x K 2 V t a T d 2 K、 a A-Kx a 2 K a A ～Kx a 2 L S K V t a x T d 2 ．K V t a x T d z K a A 2 a a 6 L S K Wt a x T d 一■ -一 K 2 a A- Kx a 3 V t T d二以 XT d 7 2 因此 s 瑚 LS 综合以上得到飞剪剪切方程 D I s s E T LL c 一 S 1 S 2 S 3 L C E R R D I S S E T为 计算剪切 点 i 露 I刊 T‘ 飞韩 ； A w t a ． i I 阳 甥 }，毫 。切 头 l Il 曩 l L 一 『_ H峰 ’I l- I l } l } l J l l j l{ 4 豳翻啊 麒黼岫 号 ⋯|怒黧 糕 雹 餮器 囊 穰 圈 岫 一。 l 豳 舞 目 ～霸_舅 l蔓 _ i j l藿 I ， _ 1 f 圈 鬈二 窿茹 器 一 囊 詈 享譬 嬲 一 ⋯ } ～ 队 图6 飞剪剪切实际曲线 从图 6 c s s r e f 和 c s s p f b k的 时间差值 中可 以求解 Td O ． 9 6 S ， T a 0 ． 9 1 9 从 而可以求解飞剪 的加速度 a A ． 叭 Vt xKm ． ． a A 其中Nn为电机速度 ， Vt 为转鼓的剪切时线速度 m／ ， D为转鼓直径 m ， Km 为减速机减速 比， Ta为飞剪转鼓从转动到剪切速度 运行时间 S 根据图6计算结果为． a A 0 ． 8 9 2 g n／ s 其 中 D l m， K 2 1 ． 9 ， Ta 0 ． 9 1 9 s 。 6 ． 4 控 制方式说 明 切头过程 一般带钢在 HMD4 0 1 检到后经过一定延 时后以恒定的速度匀速运行。 切尾过程 带钢 的速度为 中精轧的轧制速度 ， 匀加 速运行 ， 加速度 a 。 带钢头部到达TO 时刻 即 HMD 4 0 3 检到 开始计算 ， 经过时间T 1 ， 带钢位移I V t d t ， 此时， 飞 剪以a A的加 速度启动 ， 在设定的剪切长度 LC处准确的将带钢剪断 ， 然而在实际运行过程中， 飞剪剪刃的运行要滞后于剪切 指令， 从P LC发出剪切指令到飞剪电机传动转鼓开始动 作的时间T d， 带钢位移为 S 3 ； 另外从飞剪开始运行到到 达给定转速需要一定的相应时间Ta ， 此时带钢位移 S 1 ； 从到达剪切速度到剪切完成这一段时间 Tc ， 此期间带钢 位移为S 2 ； 从带钢到达 HMD 4 0 3到飞剪剪切完成， 带钢 总位移为 L L C 切尾时为 L - L C ， 定尺剪切控制原理就 是根据剪切方程来求解飞剪启动的时刻。 D I S S E T的值即为带钢头 尾 离开 HMD 4 0 3 多长距 离后判断开始启动飞剪， 在实际应用中， 切头时带钢加 速度 a 0 ， 这样使得剪切方程更加简单。另外， 实际剪切 计算 中 ， 测速 辊的速度需要进 行递推滤波 一般取 3 0次 后送到剪切方程 ， 这样可以消除外界千扰因素 。 6 ． 5 控 制时序 1 HMD 4 0 1 检到， 飞剪进行 9 0度定位； 2 HMD 4 0 1 检到 经过一定延时后 ， 将辊道速度 降至 剪 切速度 ； 3 HMD 4 0 2检到后， 测速辊 MR1 抬起； 4 HMD4 0 3 检到后， 调用切头程序块， 飞剪切头方 程开 始计算 ； 5 剪切方程满足条件， 启动切头， 制动 ， AP C定位， 测速辊 下 降 ； 6 HMD4 0 4检到 ， 除鳞箱 后夹送辊下降 ， 辊道速度 跟随精轧机组速度 ； 7 HMD4 0 3 检失， 调用切尾程序块， 飞剪切尾方程 开始计算 ； 下转第 3 1页 P L C 与D C S PL C a n d DCS 图 1 2 报警程序 根据 光 电传感器 自身 的特点 ， 当 X 轴和 Y 轴对应 的 传感器检测到错误的信号时， 报警器就会报警， 只有当 正 确的取 出对 应数 据 的储物 盒 时才 能使 报警 解 除。 在 程序中， 同样可以体现相应的过程。如图 1 2所示。 由以上分析可得， 设备设计方案能够在发生错误的 拿取之后会 自动的发生报警 以提示作业人员， 同时， 该 方案 能够实 现设备 的要 求 以达到物 品拿 取 的准确性 。 3 结束语 自动化 技术与应用 2 0l 1年第 3 0卷第 2期 本文提出了基于 P L C的扫描装置在仓库等场所的 物 品准确拿 取 的设备 设计 方案 ， 在 实 际运用 中， 可 以根 据实 际情况， 以适应不同场合的显示方式， 内部控制基 本不变。实践表明， 该设备在生产实际中， 很容易被使 用者所接受， 该设备的运用大大的缩小 了工作人员的寻 找时 间 ， 特 别是对初 次进入仓 库管理 或其他需 要物品搜 索的行业从业人员， 从而提高了生产效率 。 参考文献 【 l 】HO L L I A S L M系列P LC 选型手册[ Z ] ． 杭州和利时自动 化有限公司 ， P LC事业部 ， 2 0 0 7 ， 1 ． [ 2 】HOL L I AS L E C G3 系列小型一体化P L C 硬件手删 z ] ． 杭州和利时 自动化有限公司， P L C事业部， 2 0 0 7 ， 1 ． 作者 简介邵华 良 1 9 8 5 一男， 助 理工程 师，主要从 事工业 电 气 自动 化 电 气设 备 的 设 计 、开 发 与 制 造 工作 上接第 2 4页 8 方 程 景 于 柏 删摊 矾 9 HMD 4 0 4检失 ， 除鳞箱夹送辊抬起 。 ⋯⋯ ⋯ 。 ⋯ 7 常见问题 1 飞剪切头或切尾不准 ， 有时剪切量时大时小， 有 时切 不到 可 能原 因 a ． HMD 4 0 3 狭缝太大 ， 需要调小 ， 提高热金属检测器 检得检失的精度 一般以 3 5 ram为宜 ； b ． 调整 HMD 4 0 3 检测位置 ； C． 测速辊 测速不准 ， 需要查 找测速 不稳的原 因 ； d ． H MD 4 0 3 冷却不良 导致信号处理故障， 检查HMD 4 0 3 是否 过热 。 2 飞剪连续剪切 好几刀 可 能原 因 HMD4 0 3热检不 能正常 工作 ， 可能 带钢 表面又杂物或是热检信号处理故障， 造成剪切信号频繁 检得检 失 ， 导致飞 剪频繁启 动 。 3 飞剪不切 可 能原 因 a ． 飞剪切切保护， 测速编码器故障或测量速度超过 预期正常值 ， 测量的带钢速度直接被过滤 ， 不能进入剪 切计 算方程 中 ； 8 结束语 此定尺剪切转鼓式飞剪在迁安轧一 1 2 5 0热连轧带 刚生产线的应用 ， 达到了预期设计要求， 实践证明该剪 切控制系统可以实现较高精度的剪切 ， 为精轧机组的穿 带 和卷取机 的卷取提 供 良好 的头尾形状 ， 大大提 高了带 钢的质量和成材率。当然， 如果我们在飞剪剪前导尺前 安装测宽仪， 就可以实现优化剪切功能 根据粗轧区来料 头部 ／尾部形状 自动测算需要剪切的长度 ， 这样可以进 一 步提高带钢的成材率和精轧机组穿带质量 ， 从而提高 带钢成 品质量【 引 。 参考文献 f 1 】天津电气传动设计研究所 ． 电气传动自动化技术手册第 2版[ M】 ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 5 ， 6 ． [ 2 ]李江昀， 郭香云， 童朝南． 一类轮鼓式飞剪运行控制方法 ⋯ ． 电气传动 ， 2 0 0 8 ， 3 8 3 3 7 -3 9 ． [ 3 】范光明， 佟岳阳， 宋刚． 某钢铁厂热连轧炉区顺序控制功 能分析[ J ] ． 自动化技术与应用， 2 0 1 0 ， 2 9 1 1 3 卜 1 3 4 ． 作者简介 徐杰 1 9 7 8 一 ， 男， 助理工程师， 研究方向 轧钢 电 气 自动 化 控 制 。