1、铝加工 科苑论坛 2005N91总第l6O期 1 7 0 0ra m横切飞剪控制系统分析 林 奎 (西南铝业(集团)有限责任公司热连轧筹备处重庆九龙坡401326) 摘要：本文分析了飞剪过程控制系统，系统地论述了飞剪剪切启动控制、飞剪加速控制、飞剪同步控制、飞剪的回 零控制过程以JSSIMOREG Dc数字驱动系统的组成和原理，得到了飞剪过程控制的数学模型。 关键词：飞剪；剪切精度；数学模型 中图分类号：TG 3349 文献标识码：A 文章编号：1005-4898(2005)0l一00d205 Analysis on Shearing Control System for 1 7 0 0m m
2、 Cut Line LIN Kui (Hot Tandem Preparatory Department of SWA，Chongqing 401326，China) Abstract：The controlling system for shearing process is analyzed1n the paper，startup contro1speedup contro1 synchro control and zeroreturn control of shearing are described in detailsThe cornposition and principle of
3、 SIM OREG DC digtial driving system are also introducedA mathematical model for shearing process is obtained Keywords：shearing；shearing accuracy；mathematical model l 飞剪电气控制系统概述 17OOMM横切生产线是从美国STAMACO公司 引进的，其电气设备配套厂商是德国的SIEMENS 公司。整套设备现已安装调试完毕，投入正常的生 产运行。本生产线最大速度为130mmin，每分钟 剪切次数最多为90次，剪切的最大板长为4m，最 小
4、板长为1m，剪切精度为lmm。整条设备的核 心设备是飞剪。 旋转飞剪由1 50KW的DC电机驱动，传动控制 系统采用SIEMENS SIMOREG系统。采用SIEM一 收稿日期：200d一0927 作者简介：林奎(1973一)，男，重庆九龙坡区人，重庆大学毕 业电气工程师。 42 ENS SIMATIC S5一l55u可编程控制器(PLC)进 行联锁、给定、通讯、飞剪剪切计算等控制，采用 一台SIEMENS SICOMP MMC216计算机专用于核 心设备飞剪的剪切控制。 SIEMENS SIMOREG系统是转速、电流双闭 环调速系统。控制回路采用逻辑控制的无环流可逆 调速系统，主回路采用两组
5、可控硅反并联连接。 SIMOREG DC数字驱动系统主要组成有：Z1004工 艺板、微处理器调节板、电流接口PC板、可控硅 组件等。 SICOMP MMC216计算机是SIEMENS公司开 发的用于设备自动控制的多极微机系统。SICOMP MMC216计算机作为飞剪控制器，硬件组成有：处 理器模块VE286，数字输入模块DESA，数字输出 维普资讯 http:/ 2005N-1总第l6O期 科苑论坛 铝加工 模块DAPT模拟输出模块AAPB，中断收集器模 块IRSI，以及脉冲计数器模块DEZ1。所采用的处 理器模块为VE286。CPU采用的是80286处理器和 80287协处理器。系统软件为B
6、D286操作系统，这 是特殊的操作系统，编程语言是PLM一86语言。 MMC2l6Z剪控制器通过输入输出接口完成与 高一级s5155U PLC的数据通讯，通讯内容有联 锁信号、状态检测、故障通讯和参数给定。在进行 一系统列复杂的过程计算控制之后通过模拟输出 接口给下一级S1MOREG传动控制系统给定出速度 目标值和附加电流值，从而完成对飞剪的剪切控 制。 2 飞剪剪切过程控制 在1700MM横切飞剪控制系统中，飞剪的剪切 过程可分为四个阶段：启动、加速、同步(剪切) 和回零。飞剪剪切周期及飞剪速度控制曲线见图 1： O 图l飞剪速度控制曲线 T 0。 (1)剪切开始 飞剪剪刃在0。位置，速度为
7、0。此时喂料辊以 Vs机列线速度送料。在飞剪控制器计算的启动控 制下，飞剪开始启动，进入加速阶段，以一个恒定 加速度A加速到与机列线速度Vs同步，进入同步阶 段，保持剪刃速度与机列线速度Vs同步，即在160 。200。区保持Vs速度，在180。时剪刃重合剪切。 过200。以后进入回零阶段，进行剪刃回原点控制， 原点时剪刃速度为零，此时飞剪完成一个剪切周 期。 (2)剪切启动控制 在控制系统中，剪刃开始启动，加速到与机列 线速度同步，剪刃的加速度是个恒定不变的量 A，所以对于相同的机列线速度Vs，加速所需的时 间t是相等的也即是对于不同的板材长度剪切， 飞剪何时启动是一个关键量，可直接影响成品板
8、材 的剪切精度，飞剪的启动点是一个用长度来描述的 量。 (3)飞剪加速控制 在控制系统中飞剪的加速控制是整个剪切过 程控制系统的核心。加速过程是指从剪刀以零速度 启动，以一个恒定的加速度A加速到与机列速度Vs 同步在工艺上要求刀刃重合时的剪刃线速度也就 是剪切速度VBCUT必须与机列线速度Vs相等。在 加速控制中采用的是速度控制和位置控制的综合控 制，也就是在速度目标值的基础上附加上对位置偏 差的调节，从而有效地提高了剪刀的控制精度，提 高了板片的剪切精度。 (4)飞剪同步控制 其控制思想在剪刃位置到达160。以前与加速控 制过程相似，只在控制参数方面有所不同；进入剪 切前后(160。2o0。
9、)在同步控制上采用的方式是 保持原有的速度目标值，只进行速度控制取消附 加电流，目的仍是保持剪刃线速度与机列速度同 步，180。时上下剪切重合为剪切点。 (5)飞剪回零控制 剪刃位置过200。之后，剪刃以一A的加速度减 速。重要的控制在回零，剪刃减速到零速度时，通 过剪刃位置编码器(安装在刀轴上的脉冲发生器) 测出停止点与零点位移如果位移为正，剪刃向后 回零；如果位移为负，剪刃向前为零然后剪刃在 零位等待下一次剪切。回零控制比较简单，是单纯 的位置控制。 在飞剪的整个控制过程中，有两个脉冲发生器 起着重要作用。一个是测量辊脉冲发生器一个是 剪刀位置脉冲发生器。测量辊脉冲发生器用于带材 长度的测
10、量(Z2)；剪刀位置脉冲发生器用于表明 剪刀在剪切周期中的实际位置(z1)。 用于飞剪控制的三个主要参数为：SL(设定 板材长度)，SBR(剪切后到减速斜坡停止点带材 走过的距离，单位为mm)，VBCUT(剪切速度 mmsec)。这三个主要参数的计算给定是在S5 155U PLC中进行的，计算完毕后，在MMC216数 据请求为高电平时通过PLC与MMC216之间的IO 接口送入MMC216，MMC216随即用于剪刀的控制 计算。 3 飞剪过程控制的数学模型 43 一 维普资讯 http:/ 铝加工 科苑论坛 2005N91总第1 60期 飞剪过程控制的主要算法有三个：(1)飞剪启 动点的计算；
11、(2) 剪加速控制算法；(3)飞剪同 步控制算法。 为了便于讨论，本文中所采用的符号定义如 下：SL：设定的板材长度rmm)；SBR：剪切后 到减速斜坡停止点，带材走过的距离(mm)； VBCUT：剪切速度(ramsec、；(在工艺上要求 VBCUTVs)带材线速度，所以为简明起见，文 中的VBCUT均为Vs代换)；L：剪刃圆周运行轨迹 周长；1：剪刃从静止 A恒定加速度加速到机列 线速度Vs，其剪刃所运行的轨迹弧长；Vk：剪刃 运行线速度，Vkm为其最大速度，剪切点H,Vk VBCUT；Vs：带材的线速度，Vsm为其最大速 度，一个剪切周期中Vs是不变的，VsVBCUT； Z1：剪刃位置脉冲
12、数值；Z2：测量辊脉冲数值 A：剪刃加速度 31飞剪启动点的计算 飞剪启动点的计算是非常重要的，其数学模型 的好坏直接关系到 剪剪切的一个重要指标一剪切 精度。 T 图2飞剪控制曲线 T 控制程序计算飞剪启动点有两次，一是第一次 启动时的计算，二是第一次之后的计算。第一次启 动计算时，由喂料辊处的光电限位开关信号判定， 计算用的板材长度sL是实际没定板材长度SLJJI上 894mm，即：SI 一SL+894mm 这样计算是对带材头从测量辊到剪刃距离的补 偿。在第二次启动点计算时扣除894mm，有新数 据SL、SBR、VBCUT送入时重新进行启动点的计 算。 分析控制程序处如下： 启动点SP(剪
13、刀剪切以后。到下一次加速启 动点。带材所走过的距离。)： SPSLL21 具体的推导如下： 44 SPVSSLVSVSA(L21)VS 一SLVS2AL2+1 VS22A1VS2A一2l 所以SPSL一21一L2+1 一SLL2一l 由此，可以得出结论：启动点是一个与设定板 长SL和剪切速度(VBCUTVs)相关的量，SL越 长，剪刃在零点等待的时间就越长，Vs越大，等 待时间就越短。 32飞剪加速控制算法 我们通过一个流程图来说明飞剪的加速度控 制，流程图如下： 飞剪传动控制系统 飞剪传动控制系统 图3飞剪加速控制流程圈 321 SB的计算： SB的物理意义是剪刀以A加速度加速启动后， 带材
14、走过的长度。 SBZ2一SP一一(SLZ2一L2一1) 其中，Z2是来自测量辊的脉冲计算，表示当 前通过测量辊的带材长度。 322 SK的计算： SK的物理意义是剪刀“期望位置”与“实际 位置”的比较求和。是过程控制中进行位置控制的 量。 假设剪刀以A加速度运行之后，时间t内运行 的轨迹弧长为lx，也是剪刀加速启动后所期望的位 置，由牛顿第二定律有： s钆 腿e； 0 v 0 S 维普资讯 http:/ 2005N91总第j 60期 科苑论坛 铝加工 IxAt22 (1) t时间内带材以Vs速度运行走过的长度为SB SVVs*t (2) tSBVs (3) 将(3)式代入(1)式中得出： Ix
15、：=SB2*A2Vs2 所以SKIxZISB2*A一 2Vs2一ZI 其中，zl是来自剪刀位置的脉冲计数反映的 是剪刀的当前位置，即实际位置。 323 VRAMP的计算： VRAMP的物理意义是按恒定的加速度A在 时间t应达到的线速度即是速度目标值。 VRAMP=A*t 将上面的(3)式代入得到： VRAMPA*SBVS 324速度目标值NMSOLL的输出 NMSOLLK(VRAMP+VCON IROL) 其中VRAMP是按恒定的加速度A在tflJ“刻达 到的线速度。 VCONTROL是SK经PI调节器后的输出值。也 即是对位置偏差调节的补偿值。 VRAMP与VCONTROL的求和即是速度控制
16、 与位置控制相综合的控制。也就是在速度理论值的 基础上附加对位置偏差的调节。 K为线速度转换为角速度的转换系数。并且考 虑了转动比的因素。所输出的NMSOLL即是飞剪 电机的转速目标值。经MMC2I6模拟输出模块 AAPB送入飞剪传动控制系统SIMOREG控制电机 的转速。 325附加电流Iadd的输出： IaddC*dvl00 dv一(VCONTROLVCONTROL)*F VCONTROL是SK经PI调节器后的输出值，F 为电流偏移量的增益系数。C为MMC216内部产生 的一个数字输出上限值(2047)。输出的附加电流 作为电流给定送)vSIMOREG的电流调节器里，附 加电流的介入可有效
17、地提高加速过程中系统的反应 速度。 由飞剪的加速控制算法的整个过程算法可以得 出这样的结论： 其控制思想的先进性在于速度控制的基础上同 时引入了位置控制，并且加入了一个附加电流，无 论是速度位置综合控制的 剪转速目标值的输 出，还是提高系统反映速度的附加电流的输出，其 最终的目的是为了提高飞剪系统的精度，为了得到 高精度的板片剪切质量。 33飞剪的同步控制算法 其标准的控制流程与飞剪加速控制流程相似。 飞剪加速控制流程中开关K合向Vs即是同步控制算 法的控制流程图，但其中SK的计算公式以及PI参 数、DVDt的计算系数与加速度过程不同。 SK的计算： 飞剪到达同步时带材到定尺SL剩余量为： L
18、2+1-SB 剪刃离剪切点剩余弧长为： L2一Zl 式一式得： SKSBlZl 可见SK的物理意义是剪刃位置与带材位置相 比的偏差。 剪切前后(160。200。)同步控制算法。取消 附加电流将0一Iadd保持原有的速度目标值不 变即NMSOLL不变。 由以上的算法我们可以看出飞剪的同步控制算 法仍然体现了速度位置的控制思想。在同步控制 过程中剪刀的刀刃要重合剪切，而且所剪切的带 材要精确地在剪刃重合点走过设定带材长度SL。 4 SIMOREG调节系统分析 原理榧图如图4所示： 圈4 SIMOREG原理框图 4l ZlOO4-vZ 接张力控制。也可以使用间接张力控制；相关传动 飞剪传动装置Zl0
19、04I艺板配置2型软件模 装置之间的负载平衡或负载分配控制。 块其主要功能如下：数字测速反馈速度给定值系42微处理器Pc板 统包括局部速度控制；张力控制即可以使用直 微处理器Pc板包括闭环和开环控制比如： 45 维普资讯 http:/ 铝JJnT 科苑论坛 2005N9l总第160期 速度、电流和整流控制也包括用于输入和观察各 种运行参数的键盘和显示器。该板上的大部份功能 都是由l6位微处理器进行处理的程序存储在EP ROM中。参数值通过键盘设定且存储在EEPROM 中该板上还有些电位计和跨接片，在更换硬件板 时注意校准。 该系统是逻辑控制的无环流可逆调速系统即 在一组可控硅工作时用逻辑电路封
20、锁另一组的触 发脉冲使该组可控制硅处理阻断状态从而切断 了环流的通路。逻辑无环流的零电流检测、转矩极 性检测、逻辑判断、延时电路和逻辑保护、励磁电 流给定以及弱磁曲线、经济电流方式等功能均在该 PC板上实现。该系统有五种参数：P、E、D、H、 F参数。每种参数有具体的定义。该传动装置能够 自动地调节参数。达到好的动态响应。其故障诊断 系统随时监测、检查可能出现在控制器、马达或其 它外部输入方面的故障。 43电源接口PC板 电流接口板包括如下主要的功能： 到高压可控硅和用户操作台控制装置的接口线 路；电流装置；励磁电流调节器和控制；电枢整流 装置接口；测速反馈标定；460V或230V交流连接 器
21、；速度给定信号线路；控制逻辑接口线路。另 外，还有三个电位计和一个编程开关SWl，在更 换新的电源接口PC板时，必须注意这些电位计和 开关的位置。 44可控硅组件 电枢可控硅整流装置是六脉冲可控硅整流桥结 (上接第4l页) 度还可大幅度提高，提高了挤压效率和制品的表面 质量，均火及未均火铸锭经挤压再淬火后，其金相 组织得到完全改变，因而两者淬火后组织及性能差 异不明显。 4 结论 41 6061合金可以通过不同的热处理方式获得不 同组织性能的产品，因而可视顾客要求采取不同的 热处理制度。 42热处理制度 (a)淬火炉淬火：金属温度525540。C，保 温时间随制品最大壁厚调整，5mm以下保温4
22、5 分，每增加5mm保温延长15分钟。条件许可时， 46 构。在四象限再生版里。两组六脉冲整流桥是三相 全控制桥式反并联结构。励磁电源是单本可控硅 二极管桥。用于控制马达的励磁电流。 该系统马达电枢电流反馈由电流互感器1CT和 2CT提供励磁电流反馈由电流互感器3CT提供。 可控硅和二极管的过渡过程保护由独立的电阻 一电容缓冲器实现。 b 结论 通过以上对飞剪过程控制的数学模型的论述、 推算可以得结沦：飞剪的启动点计算、飞剪的加 速控制算法、飞剪的同步控制算法其根本的控制 指导思想均是提高飞剪的剪切精度，特别是其中的 速度位置综合控制思想和附加电流控制的引入代 表了高水平的控制思想。 1700
23、ram横切生产线投产至今从生产状况 看飞剪电控系统运行状态良好所控制的板材的 剪切精度小于lmm，剪切质量较高。 参考文献： 1PLM一86语言南京航空学院l9854 2(GEM3 NEW COLLETION FOR SICOMP PC AND SIMATIC S5SIEMENS AG 3MMC2l6 PROCESSING UN1T VE 286 INSTRUC TION MANUAL FOR SICOMPSlEMENS AG 4SICOMP MMc2l6 MICRIClMPUTER SYSTEMS SlEMENS ENERGY AND AUTOM ATlON1rlc J 5 lslMOREG
24、(tin)DC DrivesSIEMENS ENERGY AND AUTOMATlON1rlc p p p p 可将淬火温度提高到550 C并选择适当的保温时 间，淬火效果会更好。 (b)挤压淬火：挤压温度510550C，壁厚 5mm尽可能用水 雾或水浪淬火。挤压时应根据供水能力大小调整挤 压速度，以保证制品获得良好的淬火效果。 (c)人工时效：金属温度200 ”C保温8小 时；金属温度160 。C保温时间l2小时。一般情况 下，可采用前一种时效制度进行生产，这样不仅能 保证制品获得足够的力学性能，同时有利于提高生 产效率；但当客户对制品力学能有特殊要求采用第 二种时效制度。 (d)均火制度：金属温度550570 C。保温 8小时。 维普资讯 http:/
