电工技术由PLC和传动装置内部计数器构成的飞剪位置控制系统.doc

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 internal 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（50角度误差）的前提下，充分利作者简介 罗斌 (1972)，男，四川内江人，工程师，学士，主要从事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。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：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6RA7018-6DV62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： 图3：飞剪控制系统结构PLC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。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。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= B3201，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6RA70，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”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”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。图5：剪刃位置控制逻辑图 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SIEMENS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、