摘 要：鋼板校平剪板機(jī)是鋼板廠和鋼材庫(kù)房的重要設(shè)備。針對(duì)傳統(tǒng)裁剪機(jī)系統(tǒng)存在的控制精度低等問(wèn)題，研制了一種基于臺(tái)達(dá)工控產(chǎn)品的460毫米幅寬成卷鋼板校平剪板機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。文中主要討論了系統(tǒng)設(shè)計(jì)及研制過(guò)程中的某些關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用說(shuō)明該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是成功的，控制精度高，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，對(duì)于類似的間歇式裁剪系統(tǒng)經(jīng)適當(dāng)修改也可適用，有推廣應(yīng)用意義。
關(guān)鍵詞：定長(zhǎng)剪切 快速定位算法 剪切控制系統(tǒng)
1 引言
板材廠生產(chǎn)的幅寬成卷鋼板一般需要經(jīng)過(guò)校平和分剪, 才能成為最終產(chǎn)品提供給客戶使用，因此鋼板校平剪板機(jī)是鋼板廠和板材倉(cāng)庫(kù)重要的生產(chǎn)設(shè)備。由于傳統(tǒng)的剪板機(jī)在使用方面存在諸多問(wèn)題，針對(duì)傳統(tǒng)鋼板校平剪板機(jī)存在的生產(chǎn)效率和剪切定位精度低的問(wèn)題，研制了基于臺(tái)達(dá)工控產(chǎn)品的460毫米幅寬成卷鋼板校平剪板機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)已投入生產(chǎn)使用，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，控制精度高，維護(hù)使用方便，受到用戶好評(píng)。本文從工藝技術(shù)角度對(duì)研制過(guò)程中的某些關(guān)鍵技術(shù)和工程實(shí)現(xiàn)相關(guān)問(wèn)題作些討論。
2 鋼板裁剪工藝簡(jiǎn)介與傳統(tǒng)裁剪控制存在的問(wèn)題
2．1 裁剪工藝流程簡(jiǎn)介
裁剪工藝流程如圖1所示，裁剪系統(tǒng)由送料、校平、切板、皮帶傳送和堆放成品等5 個(gè)子系統(tǒng)組成。原材料卷板(約3-5mm后的鋼板)經(jīng)送料機(jī)和壓平機(jī)后，經(jīng)過(guò)4m長(zhǎng)的緩沖地坑后傳送至校平子系統(tǒng)作校平

圖1 裁剪工藝流程圖
定位，按照給定切長(zhǎng)要求定位后，切板機(jī)將鋼板裁切成成品，最后經(jīng)皮帶送出堆放包裝。系統(tǒng)運(yùn)行中，位于地坑中的光電開(kāi)關(guān)用于根據(jù)鋼板下垂程度以啟動(dòng)或停止送料機(jī)送料，以便保持送料速度與校平機(jī)運(yùn)行速度相匹配，操作人員可通過(guò)觸摸屏人機(jī)界面輸入每刀剪切的長(zhǎng)度與裁切的刀數(shù)，設(shè)定完成后啟動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)投入運(yùn)行。裁切工藝的具體技術(shù)指標(biāo)要求是：校平剪板機(jī)要求在裁切長(zhǎng)度2m時(shí)，其速度能達(dá)到每分鐘裁切8次，鋼板長(zhǎng)度相對(duì)誤差在5mm之內(nèi)。
2.2 工藝數(shù)據(jù)要求
根據(jù)裁剪工藝需要及物理計(jì)算，滿足工藝技術(shù)指標(biāo)的相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)配置為：送料機(jī)功率，7.5kW；校頻機(jī)減速電機(jī)功率為3.7 kW，減速比為15：1；切板機(jī)電機(jī)功率，4 kW；皮帶傳送電機(jī)功率，3.7 kW； 校頻機(jī)滾軸直徑，108mm；編碼器分辨率，500ppr；送料機(jī)最高速度，25m/min；切板機(jī)速度，60次/min；原料鋼板厚度為3-5 mm，寬度小于460mm；緩沖地坑：4m長(zhǎng)，3m深。
2.3 傳統(tǒng)裁剪控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題
按上述工藝數(shù)據(jù)要求對(duì)這類控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)并不困難，但由于傳統(tǒng)解決方案存在的缺陷，往往留下諸多遺憾。如對(duì)低端設(shè)備而言，傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法一般采用直流調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)施方案的缺點(diǎn)是：系統(tǒng)笨重、耗電量大、調(diào)試復(fù)雜、維護(hù)成本高；在定位控制方式方面，一般采用讀取行程開(kāi)關(guān)信號(hào)后通過(guò)預(yù)減速配合氣壓制動(dòng)的定位方式, 剪切效率很低, 誤差較大。而對(duì)高端設(shè)備，一般采用直流伺服技術(shù)，雖然精度和效率得以保證，但價(jià)格非常昂貴，產(chǎn)品性能價(jià)格比難以令人滿意。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和矢量變頻調(diào)速技術(shù)的高速發(fā)展, 如何采用先進(jìn)的控制技術(shù)構(gòu)造性能價(jià)格比優(yōu)異的剪切控制系統(tǒng)，是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，中達(dá)電通公司為此提供了基于臺(tái)達(dá)工控產(chǎn)品的整體配套控制方案，比較好地解決了存在的問(wèn)題。
3 基于臺(tái)達(dá)工控產(chǎn)品的裁剪自動(dòng)控制系統(tǒng)
3．1 控制原理簡(jiǎn)介
基于臺(tái)達(dá)工控產(chǎn)品的裁剪控制系統(tǒng)整體解決方案控制框圖如圖2所示。系統(tǒng)采用編碼器、PLC、矢量變頻器構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)精確定位。長(zhǎng)度定位采用臺(tái)達(dá)編碼器500PPR與校平送料滾軸直連方式以

圖2 整體解決方案的控制框圖
實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量。校平機(jī)由3.7Kw減速比為15：1的減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用電磁抱閘強(qiáng)制克服鋼材運(yùn)動(dòng)的慣性以利于被加工對(duì)象的準(zhǔn)確定位。采用觸摸屏人機(jī)界面作為指令和數(shù)據(jù)上行下達(dá)的窗口，通過(guò)人機(jī)界面與DVP16EH00R通訊，其數(shù)據(jù)和指令經(jīng)過(guò)PLC控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。在定位系統(tǒng)中,由于臺(tái)達(dá)EH內(nèi)建完全開(kāi)放的經(jīng)典PID指令，以該指令為核心，可以在PID運(yùn)算的過(guò)程中，方便快速地隨時(shí)動(dòng)態(tài)修正計(jì)算結(jié)果，P/I/D等所有關(guān)鍵參數(shù)可隨時(shí)修正，通過(guò)控制算法的動(dòng)態(tài)修正，彌補(bǔ)了異步電機(jī)響應(yīng)滯后的不足。采用動(dòng)態(tài)PID連續(xù)定位算法 ,使處于速度模式下的矢量變頻器可以非常準(zhǔn)確地控制異步電機(jī)定位。在該算法下,變頻器的給定轉(zhuǎn)速處于變化狀態(tài),由PLC內(nèi)置的RS485接口與變頻器自帶的485接口以115200BPS的高速通訊完成速度給定和狀態(tài)檢測(cè)，以低成本方式取代原來(lái)需要交流伺服才能完成的功能,實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的切長(zhǎng)控制。系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的各類DI信號(hào)反饋到DVP-EH可編程控制器，經(jīng)運(yùn)算后將結(jié)果輸出至執(zhí)行器執(zhí)行以實(shí)現(xiàn)安全可靠的穩(wěn)定控制。
3.2 關(guān)鍵數(shù)據(jù)計(jì)算及控制方案說(shuō)明
滾軸直徑為108mm，周長(zhǎng)為3.1415*108=339mm。編碼器采用2倍頻計(jì)數(shù)，則編碼器計(jì)數(shù)的精度為339/1000=0.339mm。切板機(jī)每切一次的時(shí)間為1s，滾軸帶動(dòng)板材 以30m/min的速度可以滿足要求。如按加速到最大速度的時(shí)間為2s，減速到0的時(shí)間為2s計(jì)算，一分鐘內(nèi)有60-8-4*8=20s的時(shí)間系統(tǒng)以最高速度運(yùn)行。一分鐘運(yùn)行的距離為20*30/60+30*4*8*0.5/60=18m，可以滿足每分鐘2*8=16m的要求。
PLC的計(jì)數(shù)頻率：（30*1000/0.339）/60=1475HZ<3KHZ。用臺(tái)達(dá)ES系列的PLC可以滿足要求。
采用額定轉(zhuǎn)速為1450r/min、減速比為15：1的減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，速度為1450/15=96r/min。滾軸軸徑108mm，線速度為3.1415*108*96/1000=32.7m/min，大于計(jì)算的最高速度30m/min, 因此可以滿足要求的。
設(shè)定的參數(shù)和PLC自動(dòng)修正的數(shù)據(jù)存放于PLC的掉電保持區(qū)（EEPROM AREA），可以保證數(shù)據(jù)不會(huì)丟失；人機(jī)界面具備電池后備數(shù)據(jù)保持區(qū)（64K Byte），可以存放重要的過(guò)程歷史數(shù)據(jù)；人機(jī)界面可對(duì)PLC的數(shù)據(jù)作二次處理，如報(bào)警記錄和顯示等；此外，還可根據(jù)客戶的需求靈活進(jìn)行其它指定要求的設(shè)計(jì)。為便于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，可利用EH擴(kuò)展接口，擴(kuò)展出第三個(gè)串口，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端和設(shè)備近端人機(jī)界面的雙重控制。
3.3 安全可靠性考慮
系統(tǒng)各個(gè)部分設(shè)置有電機(jī)操作按鈕、急停按鈕，手動(dòng)、自動(dòng)選擇等。所有變頻器集中安裝在控制柜內(nèi)，PLC和人機(jī)界面放在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上，這種配置可縮短PLC和人機(jī)界面的通訊距離，減小變頻器對(duì)弱電系統(tǒng)尤其是編碼器的干擾，在提高通訊可靠性和控制精度的同時(shí)也提高了操作的便利性。變頻器和變、配電設(shè)備與信號(hào)設(shè)備遠(yuǎn)離，防止強(qiáng)電對(duì)小信號(hào)干擾，提高精度。電器配電柜設(shè)計(jì)考慮：1）配電系統(tǒng)對(duì)各回路均單獨(dú)控制，設(shè)計(jì)有循環(huán)風(fēng)冷、備用電源、備用按鈕和指示，易于檢修改造；2）現(xiàn)場(chǎng)電源、聯(lián)鎖電源以及低壓供電系統(tǒng)均設(shè)計(jì)有空氣開(kāi)關(guān)，可防止電源短路的互相影響；3）五線三相供電，配電柜中性線和地線分開(kāi)，有利于抗干擾和操作人身安全。
3.4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明
采用矢量變頻器及15：1減速電機(jī)和電磁抱閘有效地克服慣性對(duì)定位的影響以及送料機(jī)的沖力，提高了裁切精度。影響精度的因素眾多，如編碼器的干擾、電機(jī)與連軸器間的間隙、連軸器的背隙、編碼器與
表1 主要控制元、器件表


連軸器的間隙、原料與滾輪間在運(yùn)動(dòng)和停止時(shí)存在打滑等等，為此，除了設(shè)計(jì)時(shí)采用高精度編碼器、矢量型變頻器、快速響應(yīng)的電磁抱閘外，在安裝調(diào)試時(shí)必須盡量減小連軸器的背隙，增加板材與滾軸間的摩擦力。為了使送料機(jī)與校平機(jī)的速度相適應(yīng)，可在送料機(jī)與校平機(jī)之間采用挖地坑的方法實(shí)現(xiàn)緩沖，如送料機(jī)以16m/s的速度送料，校平機(jī)以2m為一塊板切割，則要求留足2m的余量。若挖3m長(zhǎng)，2m深的地坑，剛好可以滿足2m的余量滿足速度匹配。但實(shí)際鋼板是不可能拉到水平的，也不能接觸到地坑底部，因此在地坑底部適當(dāng)位置加裝一對(duì)光電開(kāi)關(guān)，檢測(cè)越限信號(hào)，只要超限就啟動(dòng)送料機(jī)，為了方便挖一個(gè)4m長(zhǎng)，3m深的地坑就可以滿足工藝要求。
系統(tǒng)所選用的主要控制元、器件如表1所示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中值得關(guān)注的有以下幾個(gè)問(wèn)題。
1）矢量變頻器選擇臺(tái)達(dá)VFD-V系列，該產(chǎn)品具有極高的性能價(jià)格比，搭配高頻寬響應(yīng)的位置閉環(huán)控制卡PG05，可以大大提高異步電機(jī)的響應(yīng)特性；
2）人機(jī)界面選擇臺(tái)達(dá)DOP-A系列5.7’藍(lán)屏觸摸屏，該產(chǎn)品外觀精美，開(kāi)發(fā)使用及維護(hù)簡(jiǎn)單，在同類產(chǎn)品中性能價(jià)格比極高，其強(qiáng)大的軟件功能完全滿足類似系統(tǒng)應(yīng)用需求；
3）編碼器選用高精度、高可靠性的臺(tái)達(dá)ES編碼器產(chǎn)品，該產(chǎn)品核心的光柵碼盤采用臺(tái)達(dá)專利的激光刻蝕技術(shù)并搭配專利的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，使之在使輸出脈沖邊沿成型干凈的同時(shí)而又保持了高頻脈沖輸出不會(huì)變形和丟失的特點(diǎn)；
4）PLC為臺(tái)達(dá)EH系列，該系列產(chǎn)品采用ASIC芯片，用硬件方式處理運(yùn)算指令，大大提高了處理速度和可靠性，用小型PLC可實(shí)現(xiàn)中型PLC的功能。
4 結(jié)束語(yǔ)
基于臺(tái)達(dá)工控產(chǎn)品解決方案的460毫米幅寬成卷鋼板校平剪板機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，投入生產(chǎn)實(shí)踐使用后應(yīng)用效果表明：
1）該方案裁切精度高，完全滿足用戶要求，操作使用方便；
2）用異步電機(jī)、矢量變頻器和高速PLC作簡(jiǎn)單搭配能實(shí)現(xiàn)快速定長(zhǎng)控制，性能價(jià)格比高，符合實(shí)際工程需要，能滿足市場(chǎng)需求；
3）用改進(jìn)的PID算法可實(shí)現(xiàn)對(duì)矢量變頻器和異步電機(jī)的頻寬響應(yīng)控制。