1、由 PLC 和传动装置内部计数器构成的飞剪位置控制系统The system of shear thats made of converts counter四川攀钢信息工程公司自动化公司设计调试部 617000罗 斌 13982316570摘要：为了确保线材生产工艺中的精轧飞剪剪刃位置控制高速、准确地完成，一般控制系统要采用 PLC 的计数模块对位置环光码的脉冲进行计数。本文介绍了一种西门子 6RA7018-6DV62全数字直流调速装置内部所自带的计数器配合西门子 S7-300 PLC 完成剪刃位置控制的飞剪传动控制系统。经实际生产验证，该系统完全达到了一般飞剪控制系统的控制速度和精度，满足了生
2、产的需要。关键词：位置控制、全数字直流调速装置、计数器、光电编码器Abstract: For to assure of controlling of shear fast and correctly, a normal control system needs to take count of pulse of positional coder by the counter model of PLC. This article describes the applications of SIEMENS 6RA7018-6DV62 full digital converter with inte
3、rnal counter and S7-300 PLC for driving shear and control of position. Facts have proved that the system suits well with controlling of shear.Key words: position control 、 Full digital converter 、counter、 coder引言在棒线材轧制过程中，为了保证轧件顺利进入下游轧机、提高轧制节奏以及确保成品的质量，必须把轧件的烂头、烂尾切掉，就要利用飞剪来完成这一任务，而且在轧机堵钢等事故状态下，飞剪还能完
4、成对轧件的碎断剪切。新建的云南通海中云线材厂在中轧机组和精轧机组之间上了一套启停式飞剪。考虑到启停式飞剪需要快速启动及制动的工作特点，采用了直流电机拖动。飞剪是否能可靠地工作，是能否控制好线材轧制节奏的关键因素之一，而飞剪剪刃的位置控制精度又是控制系统的关键任务之一。一般的飞剪控制系统为了能对剪刃的位置进行精确控制，都在飞剪剪刃的轴上安装了一个所谓的位置环光电编码器，PLC 系统里也专门配置一块计数模板对位置环光电编码器的脉冲进行计数，以确定飞剪剪刃的位置。而本系统在确保剪刃的位置控制精度（5 0 角度误差）的前提下，充2分利作者简介 罗斌 (1972)，男，四川内江人，工程师，学士，主要从事
5、自动化控制及电气传动工作。用西门子 6RA7018-6DV62 全数字直流调速装置的内部计数器功能代替 PLC 系统配置中的计数器模块，减轻了 PLC 的负载，使得飞剪控制系统得以简化，同时还节约了投资、减少了日常维护工作量。1飞剪控制工艺要求启停式飞剪的剪切过程包括以下几个连续的动作：原始初始位置启动加速恒速运行剪切轧件制动反向运行到初始位定位停止。精确地检测并控制剪刃的位置是控制好整个剪切动作的前提。 轧 件图 1：剪刃的几个位置启停式飞剪的剪刃平时停在一个固定位置上（图 1 中 P0 点） ，该位置称为飞剪的“初始位置 P0”。剪切时剪刃从初始位置开始顺时针启动、加速、并达到剪切速度，剪
6、刃顺时针保持匀速转过 P1 剪切位置对轧件进行剪切。剪切完毕后，剪刃继续匀速运行到 P0位置时飞剪开始制动，并在制动过程中凭惯性继续顺时针转到 P2 位置时速度降为零，制动完毕。接着飞剪开始以一个比较低的负速度反向运行，到达 P0 位置时，飞剪速度降为零，飞剪停止运行，完成一次剪切。2飞剪系统的构成由于云南该小型线材轧制厂规模小，故精轧区设备采用一套 S7300 PLC 系统控制，直流传动均采用西门子 6RA70 系列数字变流器，系统结构如下：3飞 剪 精 轧 吐 丝 机压 送 辊增 量 光 码图 2：系统整体结构飞剪控制系统由上位机、西门子 S7-300 PLC、西门子公司 6RA7018-
7、6DV62 全数字四象限运行直流调速装置、飞剪直流电机以及和飞剪电机同轴安装的增量式光码组成。上位机采用研华 P工控机，和西门子 S7-300 PLC 之间通过 CP343 以太网模块通讯；S7-300 PLC 和 6RA70 传动之间采用现场数据总线 PROFIBUS-DP 通讯。3飞剪的控制原理飞剪控制系统结构如下图： 1.轧 件 速 度剪 切 长 度 增 量 光 码飞 剪 电 机定 位 铁 片 减 速 机胶 木 圆 盘接 近 开 关1.主 状 态 字实 际 速 度实 际 转 矩实 际 电 流脉 冲 计 数 值保 留保 留保 留速 度 给 定保 留辅 助 控 制 字1.主 控 制 字图 3
8、：飞剪控制系统结构4PLC 和飞剪传动装置之间采用 DP 网通讯，通讯字种类为 PPO4，允许 PLC 向传动装置传送 6 个控制字，同时传动装置也可以向 PLC 传送 6 个状态字。控制字用了前三个，第一个控制字作为主控制字，控制飞剪的启动和停止，第二个控制字是辅助控制字，控制传动装置内部的脉冲计数器，第三个控制字作为速度给定。状态字用了 5 个，依次分别传送主状态字、飞剪电机实际速度、实际电流、实际转矩和传动装置内部计数器的当前计数值。与飞剪剪刃同轴安装有一个胶木圆盘，在圆盘的圆周边上安装有一块位置可以调整的定位铁片，定位铁片是用来确定剪刃初始位置的。当剪刃停在初始位置时，接近开关 K 刚
9、好感应到定位铁片。3.1 飞剪剪切速度给定精轧区操作台人员把上游中轧机架的轧件出口线速度 V 和飞剪切头长度 CUT_L 通过HIM 操作站输入系统，PLC 根据上游中轧机架的轧件出口线速度换算成飞剪的剪切速度。为了满足飞剪剪切时剪刃线速度与线材速度一致，必须使剪刃的线速度与上游中轧机架轧件的出口速度一致。为使剪切顺利进行，切头时使剪刃速度稍大于轧件线速度（3%5%） ，切尾时使剪刃速度稍小于轧件线速度（3%5%） 。3.2 剪切长度控制在飞剪入口前端两米处设置有一个热金属检测器，当轧件头部从中轧机架出来到达热金属检测器时，PLC 根据上位机设定的剪切长度开始延时启动飞剪，启动飞剪的同时把剪切
10、速度给定也传给飞剪，飞剪就开始剪切工作了。在飞剪传动特性保持不变的情况下，剪切长度 CUT_L 只和延时时间长短有关系。CUT_L=V*（T0+T1）上式中： V：轧件线速度 m/ST0：飞剪启动时间 ST1：延时时间 S一旦 CUT_L、V 和 T0 确定了，PLC 就可以计算出轧件头部从中轧机架出来到达热金属检测器后，飞剪延时启动的时间 T1 的长短。3.3 飞剪剪刃的位置控制在本系统中，安装在飞剪电机轴上的速度环增量光码也是参与剪刃位置控制的。5利用传动 6RA70 变流器内部的脉冲计数器对速度环增量光码的脉冲进行计数，并把计数值传给 PLC 进行剪刃位置控制，是本系统的核心内容。 3
11、1 2热 金 属检 测 器轧 件图 4：剪刃运动位置示意图3.3.1 当轧件从中轧机架出来到达热金属检测器 RJ 时：PLC 首先开始根据上位机设定的剪切长度和飞剪的加速时间进行延时，当达到计算出的延时时间 T1 时，PLC 通过给飞剪传动装置 6RA70 的第一个控制字发出运行命令“047F ”。然后 PLC 同时把剪切速度给定通过第三个控制字传给飞剪传动装置 6RA70，飞剪剪刃即开始从初始位置 P0 顺时针加速启动并达到剪切速度运行。接着 PLC 把 “0001”装进第 2 个控制字传给飞剪传动装置 6RA70。我们令传动装置 6RA70 的参数 P452=B3204、P450= B32
12、01，此时装置 6RA70 内部计数器的 Z 脉冲清零功能正常投入，飞剪电机每运行一圈时计数器的计数值从 0 到1024 循环一次。3.3.2 当剪刃到达剪切位置 P1 时，飞剪对轧件进行剪切，剪切后剪刃继续顺时针运行到初始位置 P0，接近开关 K 被胶木圆盘上的定位铁片感应，并把信号发给PLC：首先，PLC 把零速度给定通过第三个控制字传给飞剪传动装置 6RA70，飞剪剪刃即开始从初始位置 P0 顺时针减速运行。然后 PLC 把 “0008”以脉冲的形式装进第 2 个控制字传给飞剪传动装置66RA70，装置 6RA70 内部计数器的当前计数值立即被清零，紧接着 PLC 再把“0000”装进第
13、 2 个控制字传给飞剪传动装置 6RA70，使得 6RA70 装置内部脉冲计数器的 Z 脉冲清零功能被旁路掉，飞剪电机每运行 n 圈时计数器的计数值从将从 0 一直增长到到 n*1024。当然，由于飞剪减速机的减速比 I=3.5，所以正常工作中，当 Z 脉冲清零功能被 PLC 旁路掉时，6RA70 内部计数器不会发生溢出，计数器值的范围是“-8388608+8088607” 。此时计数器的计数值就是剪切后剪刃超过初始位置 P0 的行程的真实反映，当前计数值被 6RA70 装置打包在第 5 个状态字里传送给 PLC，PLC 也就了解到了剪刃当前的真实位置。当 PLC 检测到计数值达到“1991”
14、时，即可判断剪刃已经越过 P0 位置的角度1 约 2000，剪刃的速度已经低于剪切速度的 10%。1=KC*360/1024/I=1991*360/1024/3.5=199.99上式中 1： 剪刃已经越过 P0 位置的角度 KC：当前计数值I：减速机减速比，3.5此时 PLC 把 -50%的剪切速度给定通过第三个控制字传给飞剪传动装置 6RA70，飞剪继续顺时针减速运行，脉冲计数值继续增大。3.3.3 剪刃继续顺时针减速运行，当到达 P2 位置时，2 大约是 240 度，剪刃速度降为零速，脉冲计数值达到最大值 2390，并且立即以-50%的剪切速度开始反向（逆时针）运行。3.3.4 剪刃反向运
15、行过程中，计数器反向计数，脉冲计数值从最大值开始减小，当前计数值被 6RA70 装置打包在第 5 个状态字里动态刷新地传送给 PLC。当 PLC检测到计数值从最大的 2390 减小到 560，即 3 为 60 度时，PLC 把传给装置6RA70 的速度给定减小到-5%的剪切速度给定，飞剪剪刃即开始逆时针爬行定位运行。3.3.5 爬行定位过程中，PLC 继续检测计数值的大小，当计数值小于等于 50 时，即可判断出剪刃和初始位置的夹角小于 50，此时 PLC 把零速度和停车命令“047B”7传给装置 6RA70，飞剪停车，剪刃当前位置和初始位置的夹角小于 50；同时PLC 把“0001 ”装进第
16、2 个控制字传给飞剪传动装置 6RA70，此时装置 6RA70内部计数器的 Z 脉冲清零功能正常投入，飞剪完成一次工作剪切。8完 成 剪 切2.控 制 字 1传 停 车 命 令 0471飞 剪 赋 零 速3控 制 字 2传 0， 恢 复 脉 冲 清 零 功 能计 数 值 =50吗 ？1.飞 剪 赋 -5%剪 切 速 度 ， 开 始 爬 行 定 位 3减 小 到 60度 吗 ？1.飞 剪 赋 -50%剪 切 速 度 ， 继 续 减 速 到 零 速 度 ，并 开 始 逆 时 针 运 行减 速 运 行 1达 到 20度 吗 ？3.控 制 字 2传 0， 旁 路 脉 冲 清 零 功 能1.飞 剪 赋
17、零 速2控 制 字 传 8， 计 数 器 清 零顺 过 位 置 吗 ？剪 切2.赋 剪 切 速 度1延 时 发 运 行 命 令有 剪 切 指 令 吗 ？开 始图 5：剪刃位置控制逻辑图9虽然每次剪切完成后，剪刃在理论上不可能正好停在初始位置，但是由于定位接近开关 K 的作用，在下一次剪切过程中，传动装置 6RA70 内部计数器会在剪刃剪切后顺时针过 P0 位置时被 PLC 清零，所以计数器不会产生累计误差，剪刃位置控制精度可以得到保证。3.4 飞剪的其他控制功能除了轧件切头、切尾功能以外，飞剪还具有上电自动或手动定位功能以及轧件碎断功能，完全满足了高节奏的生产需要。4.结语本系统充分利用了 S
18、IEMENS 直流传动装置 6RA70 的内部计数器来配合 PLC 完成飞剪剪刃的位置控制功能，使得 PLC 控制系统的配置中省略了一块昂贵的高速计数器摸板和一个位置控制环光码，不仅节约了投资、简化了光码的安装、提高了飞剪控制系统的可靠性，而且还大大减少了平时对该系统的维护检修工作量，为类似的位置控制提供了一种新的解决方案。617000 四川攀枝花市攀钢托日自动化公司自动化事业部罗斌 13982316570 身份证：510402720322301参考文献：1 西门子公司 SIMOREG DC Master 6RA70 系列全数字直流调速装置使用说明书 2000.32 西门子公司 S7-300 PLC 用户手册 2002.1
