天铁中厚板定尺剪自动控制系统的研究和应用

摘要：天铁中厚板定尺剪自动控制系统包括钢板定尺自动控制、定尺剪自动剪切控制和卸废料自动控制等。本定尺剪控制系统采用西门子S7-400系列PLC控制技术和Master drives交流全数字化调速技术，实现了钢板精确自动定尺和快速自动剪切，满足了定尺精度和高速生产效率的要求。

关键词：定尺剪；自动控制系统；自动定尺；自动剪切

中图分类号：TG333.21 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 （2013） 02-0000-02

1 前言

天铁2500mm中厚板机组于2009年8月份投产，整个机组生产线分为加热炉区、主轧机区、冷床和精整区，其中定尺剪位于精整区的最后一道工序，主要作用是将钢板切成所需要的定尺长度[1]。天铁中厚板定尺剪采用滚切式设计，主要性能指标：剪切钢板厚度6-50mm；剪切钢板宽度1200 -2300mm；定尺长度4000 - 16000mm；最高剪切温度150℃；最大剪切力15000kN；；理论剪切次数20次/min（连续工作）。

2 定尺剪工艺和设备概况

天铁中厚板定尺剪系统在设备构成上主要包括：机前输入辊道，机前靠边装置，机前夹送辊，定尺剪本体（含定尺剪主传动电机，定尺剪剪刃，定尺剪机架辊，前后测量辊，1～4号压板，压紧辊，废料运输装置和换剪刃装置），机后摆动辊道和机后收集辊道。

定尺剪工艺和设备控制过程如图1所示。

定尺剪的设备控制过程如下：经过双边剪（用于切除钢板两侧的毛边，使钢板双边整齐）剪切之后的钢板通过横移台架运到定尺剪前输入辊道上，首先由机前靠边装置将钢板靠齐侧边，便于定尺剪将钢板切齐（端部成直角）[2]，然后由机前输入辊道将钢板运到机前夹送辊，夹送辊压住钢板并将钢板送到定尺剪，前测量辊压下，通过测量辊实时测量钢板长度并由夹送辊、机架辊和输入辊道协同运钢进行自动定尺，定尺方式有为了切头定尺、为了切成品定尺和为了切尾定尺，每次自动定尺完成后进行自动剪切， 剪切之后的成品由摆动辊道和收集辊道运到1#垛板区或2#垛板区，切头和切尾的废料由废料运输装置运到废料收集筐内。

3 自动控制系统

天铁2500mm中厚板定尺剪是整个中厚板生产线的一个重要组成部分，在自动控制系统上配置了2级计算机系统，分别为基础自动化级（L1）和过程控制级（L2）。基础自动化级是总体自动控制系统的第一级，直接控制生产过程，它是分布式控制系统的核心，向上要与过程控制计算机（L2）通信，向下要与数字化传动装置通信，而且还要与人机监控界面实时通信[3]。定尺剪自动控制系统的基础自动化级由1台西门子PLC、2台HMI（其中1台服务器和1台客户机）以及高速通信网络组成，完成定尺剪生产过程的程序控制和连锁控制。

定尺剪的自动控制系统主要包括：钢板定尺自动控制、主电机剪切自动控制和卸废料自动控制。

3.1 钢板定尺自动控制

定尺剪自动定尺是定尺剪控制系统的关键，根据定尺剪区域跟踪程序所发的信号，当钢板头部到达定尺剪前夹送辊之后，定尺剪夹送辊自动压下，并送钢板头部到定尺剪剪刃下，启动自动剪切按钮，待定尺剪完成切头动作之后，即可进行钢板定尺自动控制。图2是定尺剪PLC程序中用SFC（Sequential Function Chart）语言编写的钢板定尺自动程序流程图[4]。

当钢板到达定尺剪前时，通过跟踪信号得知本钢板的数据信息（包括钢板号、钢板长度、钢板厚度、钢板宽度），操作工可以在HMI上选择定尺长度由L2（过程控制级计算机系统）或者L1（基础自动化级）来设定需要定尺的钢板长度。如果选择L2设定，则定尺长度由L2通过报文下发给PLC；如果选择L1设定，则定尺长度由操作工在HMI上输入定尺长度。

当定尺剪定尺准备条件（准备条件包括定尺剪夹送辊已经压紧钢板、前后测量辊在抬起位置、定尺剪压板和压紧辊在抬起位置、定尺剪剪刃在初始位置、摆动辊道在抬起位置、推料尾装置在初始位置）满足之后，在HMI上输入需要定尺的长度，在主操作台上启动自动定尺按钮，则设备按照图2所示的动作顺序执行自动定尺动作，直到定尺完成。

需要特别注意的是，如果选择L2设定定尺长度，则通过温度传感器拾取钢板表面纵向温度信号，送至L2计算机进行采集、处理和显示，依据数学模型计算机出定尺实际设定值，再将它以报文形式发送给PLC；如果选择L1设定钢板定尺长度，则需要根据经验，补偿由于钢板温度由高变低而产生的热胀冷缩效应使得钢板长度变短的量。

3.2 主电机剪切自动控制

图3是定尺剪PLC程序中用SFC（Sequential Function Chart）语言编写的定尺剪自动剪切程序流程图。当定尺剪剪切准备条件满足之后，在主操作台上启动自动剪切按钮，则前测量辊、压板和机后摆动辊道配合2个主剪切电机按照图2所示剪切流程执行自动剪切。

定尺剪的剪机本体由两台主电机传动，每个电机上安装1个增量型编码器，用于速度闭环控制。两台主电机分别由两台Master dirve系列变频器单独控制，但是必须控制二者同步运转。

如何做到两个主电机同步运转呢？在PLC中将两个电机配置了主从关系，其中固定侧的主电机为“主”，移动侧的主电机为“从”，并通过PROFIBUS-DP通讯网络实时将两个电机的速度指令和控制信号发给传动，在两个电机的变频器控制板CUVC上进行了主从关系的配置，“从”电机的转矩设定值实时跟随“主”电机的转矩实际值，保证了两个电机的同步控制。另外，定尺剪两台主电机与主减速器之间由带制动盘的齿形安全联轴器连接，每个联轴器上装有2个安全销，如果设备过载或者两台主电机不同步，安全销断裂，则联轴器上的接近开关发信号，由PLC发出停车指令，立刻停车。

3.3 卸废料自动控制

定尺剪在切头和切尾之后，需要将头尾的废料通过卸废料装置运到废料收集筐内。定尺剪卸废料装置的设备主要包括：推料装置、废料运输链、废料运输辊和废料翻板。卸废料装置的自动顺序控制在PLC程序中由SFC语言编制，其动作流程如图4所示。

定尺剪自动卸废料只需要在操作台上触发卸废料启动按钮即可按照程序中设定的动作流程依次完成一次卸废料过程，操作方便、快速，大大减少了劳动强度和处理废料的时间，提高了剪切效率。

4 结束语

天铁中厚板滚切式定尺剪的自动控制系统是一个自动化程度较高的系统，分别由多个自动控制单元组成，通过西门子S7-400系列PLC和Master drives交流全数字化变频器控制整个基础自动化系统，并由HMI（人机监控画面）完成系统的过程监视、参数设置和事故报警等，实现了定尺剪自动精确定尺、自动剪切和自动卸废料，剪切节奏和剪切质量满足工艺要求，自2009年8月投产以来，运行效果良好。

参考文献：

[1]苗建新，刘豪.厚板定尺剪的快速剪切控制优化[J].电气时代，2006（11）：70-71.

[2]杨顾川，江浩.滚切式定尺剪的剪切优势[J].宽厚板，2001（5）：29-31.

[3]苗建新，裴瑞林.新型自动控制系统在厚板定尺剪系统中的应用[J].宝钢技术，2006（3）：56-59.

[4]SIMATIC . SFC for S7 Sequential Function Chart Manual，2005.