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1. 安钢高线机组设备装备水平及3#飞剪的动作特点

        安钢高速线材机组是目前国内装备水平和自动化控制水平最高的线材生产线之一，于2001年7月热负荷试车成功，高速区轧机设备采用美国摩根最新的模块化轧机设备，8架NTM+4架RSM配置。高线机组整条生产线的年设计生产能力45万吨，设计终轧速度120m/s,保证终轧速度115m/s，该生产线的重要特点是设备众多，设备布置点多面广，生产节奏快，控制精度要求高。在其基础自动化控制系统中，配置了五台西门子S7―400型PLC分别完成如下控制功能：

        PLC1：加热炉区各段辊道的速度控制和顺序控制等。

        PLC2：包括CONTROL和SHEAR两个CPU，分别完成1#2#夹送辊，粗轧机中轧机的速度调、整微张力调整，1#2#3#飞剪、碎断剪的控制，预精轧机的速度及其活套控制、故障诊断，动态速度补偿及联锁控制，轧辊控制等。

        PLC3：精轧机，减定径机，3#夹送辊，吐丝机，STM冷却线及其风机等。

        PLC4：集卷筒及联锁控制，P/F线，称重等。

        PLC5：液压站，润滑站等辅助设备。

        3#飞剪位于NTM精轧机前，用于切头、切尾、头部采样、尾部采样。剪轴安装于1080mm垂直中心上，传动比1：1，下位剪刀轴直接由135KW交流电机拖动。电机由公共直流母线供电方式下的逆变器驱动。这是一个电气起―停式飞剪，对于每一次剪切，飞剪将从静止（90度位置）加速转过255度达到剪切位置(345度)。当一次剪切完成后，飞剪停止并且刀片通过一个位置调节器自动运动到停止位置。在剪切周期之间，位置调节器将保持飞剪在停止位置。每57秒剪切两次。两只钢坯间隔时间5秒，

●3#飞剪前的切头尾HMD启动跟踪系统用于切头尾，当轧件头部到达切头尾HMD时启动跟踪定时器，直到头部到达导向器位，剪刃才能到达剪切位置。

●3#飞剪定位：0度=垂直剪切位置；30度=剪切完成，开始停止；90度=停止位置。电动释放制动器安装在电机上，制动器只用于夹持，不用于停止。通常钢坯有5秒左右间隔时间，传动位置调节器在剪切周期之间将保持飞剪在停止位置，并且制动器一直处于释放状态并且不操作。

●通过飞剪的轧件最大速度=16.7米/秒，最小轧件速度=5.1米/秒，由于咬入角的原因，飞剪必须以快于轧件3.5%的速度运转以匹配轧件速度。

●3#飞剪运行顺序：以下是预设运行顺序的说明，数据是根据飞剪及电机的速度295RPM进行计算的：

（1）刀刃垂直和完全啮合的位置是0度位置。

（2）在两次剪切之间，飞剪保持在90度停止位置。

（3）当飞剪接到剪切信号时，飞剪在0.25秒内以1.94每单位的平均扭矩在255度范围内加速295RPM。

（4）在大约345度的啮合角处，刀刃接触到轧件并开始剪切。

（5）在0度位置，定位系统发出信号表明剪切已完成，在飞剪最高速度时有一个微小的速降可不计。

（6）在30度，定位系统发出信号，剪刃离开轧件，发出信号，通过回馈制动使驱动停止。

（7）飞剪在0.25秒内255度范围内以1.94每单位的平均扭矩减速到停止。

（8）飞剪转至285度位置停止。

（9）飞剪将反转从285度到达90度停止位。

（10）当飞剪已被定位到90度停止位置时，位置调节器将持续使飞剪在剪切周期之间保持在此位置。

        通过以上描述，我们明确了解到3#飞剪的动作特点是快速响应、瞬时起停。

        3#飞剪是轧件进入成品机架的最后质量屏障。其工作如果不稳定，如在切头切尾时发生多切或切头超长，会直接造成轧线堆钢，形成严重工艺事故，处理起来费时费力，并产生过量中间废，降低成品产量；其如果在切头切尾时发生不切或切头超短，则会使进入成品机架的轧件质量得不到保障，仍会使轧线造成严重堆钢工艺事故。因此，保证3#飞剪工作稳定是轧线进行正常工作的重要前提。

        自投产以来，3#飞剪在生产过程中频繁出现误动作，表现为多切、少切或不切及现象，由此而导致的热停机时间平均每月高达5：30，并且切头长度一直不稳定，成为制约生产的一大难题，直接影响到高线机组的产量和质量，也直接制约了高线机组效益的增加。

3#飞剪的快速响应、瞬时起停特性要求该设备的电控系统性能必须十分稳定，系统响应快速精确，信号传输准确无误。而3#飞剪在生产过程中发生的误动作恰恰正是控制系统不稳定造成的。         

        3#飞剪控制系统控制链路上包含了逆变器控制回路、给3#切分剪发起停信号的热金属检测器、光电信号耦合器、编码器及编码器电缆、轧线S7―400PLC等众多数字化电气元部件。控制信息在这条复杂链路上采集、传输、转换、处理、使能过程中发生的任何微小差错都会导致控制的全面失败。

2.2.1信号跟踪系统原因

        从原理分析，3#飞剪发出剪切动作的信息源于给3#切分剪发起停号的热金属检测器（HMD），

        如果HMD有钢信号在信道中传输时受到外来电磁干扰造成信号丢失或多发，飞剪则会不切或多切，最终造成堆钢严重工艺事故。

2.2.2  PLC控制系统的原因

         如果HMD检测到轧件头部到来后发出的有钢信号经信号电缆传输到轧线PLC2后，SHEAR和CONTROL两个CPU交换和处理数据的时间不稳定，则会造成切头切尾长度不稳定。

2.2.3交流传动系统的原因

        如果3#飞剪交流传动系统装置CUVC和T300工艺板工作不稳定或参数设定不当造成飞剪不能按照工艺设定动作执行，同样会造成切头切尾长度不稳定。

2.2.4飞剪位置跟踪系统原因

        3#切分剪运行位置检测是由瑞典LINE&LINDE公司生产的高精度增量型编码器（ART NO：860900220）完成，该型编码器是一种角位移和角速度测量元件，可以直接将角位移或角速度转变成相应的脉冲序列信号，在检测物体的位移和角度等方面有着广泛的应用。该编码器有A、B、Z三相信号输出，Z相信号每转一周输出一个脉冲信号，用于编码器的初始定位，A、B两相输出的信号波形完全相同，只是在相位上相差90度，我们利用A、B两相信号的相位差来判别编码器的转向和实现对编码器的计数。

        从3#切分剪运行顺序我们知道，3#切分剪的定位是靠编码器在0度位置发出信号表明剪切已完成，定位系统通过回馈制动使驱动停止。在此过程中，位置调节器对飞剪的准确定位起着决定性作用。如果在此过程中，控制系统连续收到零位信号或零位信号在该来时不来，位置调节器将连续进行调整或不进行调整，反映在轧制过程中即是多切、少切或不切。通过分析我们知道，零位信号连续到来或在该来时不来现象的产生源自编码器零（Z）通道信号在外部电磁干扰下发生了信号误发或丢失。

      3      3#飞剪控制系统优化方案及实施

        2002年6月份以来，高线机组电气技术人员对3#飞剪在生产过程中出现的这些问题进行了反复观察、研究和分析，并认真解析了基础自动化系统庞大复杂的程序结构，最终于2005年元月确定对3#飞剪这一具有大程序结构的复杂的洋设备控制系统进行优化并拿出数套方案进行实验室仿真，最后将最优方案分步实施于生产现场。经过两个多月的努力，于2005年3月系统优化全面完成。经过一年来的现场运行证明，此次技术改造获得了巨大成功。

        在3#飞剪主程序CFC-ENG00-S7/PM/SHE/MAIN/DCSHMAIN中增加DB760数据块，通过MPI网实现CONTROL与SHEAR两个CPU间重要数据的快速交换，如轧件头部、尾部跟踪信号，自动堆钢信号，轧件碎断信号，轧件的头部速度数据，剪切完成信号等，以提高系统的快速反应性。  

        在3#飞剪主程序CFC-ENG00-S7/PM/SHE/MAIN/DCSHMAIN中增加FB1053功能块，以实时修改头部速降补偿值，稳定切头长度。

在3#飞剪主程序CFC-ENG00-S7/PM/SHE/MAIN/DCSHMAI中增加FB1054功能块，以修改剪切信号宽度，增加信号滤波功能，增加抗干扰能力，从软件角度杜绝信号误发可能，根除多切现象。

        3#飞剪传动装置采用西门子6SE7033-5WJ60型逆变器，其内配置的CUVC电路板负责传动系统的优化运行，配件板T300负责3#飞剪的工艺定位，

3#飞剪要求快速起制动、突加负载动态速降小的动作特点要求传动装置运行必须稳定可靠，我们通过优化系统P、I调节器的相关参数以保证调速系统的良好动态跟随性能和动态抗扰性能（包括抗负载扰动和抗电网电压扰动）。

        电磁兼容性（EMC）定义的是一台电气设备在电磁环境下不产生令其他电气设备不可接受的电磁干扰的情况下，令人满意的工作能力。即不同的电气设备不应互相影响。EMC是由与设备相关的两个特性而决定的，即干扰辐射和抗干扰性，各类电气设备既可能是故障源，又可能是干扰接受器。一个设备可能不但是故障源，而且同时也是受干扰设备。如果故障源没有反过来影响干扰接受器的正常功能，则存在电磁兼容性，干扰源通常是指功率电子设备并有很大的功率消耗，为了减少干扰辐射需要复杂和昂贵的滤波器，干扰接受器尤指控制设备和传感器，包括计算电路，增加这些低耗电设备的抗干扰能力通常比较容易和便宜。因此在工业应用环境中，增加抗干扰能力比减小干扰辐射常常更加经济有效。根据此原则，我们选择了增强控制系统信道抗干扰能力的方法来提高信号跟踪可靠性。根据电气设备产品标准EN61800―3支配，没有必要对工作网络执行所有的EMC措施，但对高精度要求电子环境下的电气设备必须执行相应的特定的EMC规则：

规则1：避免不必要的电缆长度，以减少耦合电容和电感。

规则2：将备用导线在两端接控制柜地，以增加附加的屏蔽效果。

规则3：如果电缆是紧挨着柜子地布线，相互干扰将较强。因此，柜内的连线不应随便布置，而应尽可能地贴着柜架和安装板，这也适用于备用电缆。

规则4：信号电缆和动力电缆必须分开布线（避免由于耦合而引入干扰），至少应保持20CM的空间。如果编码器电缆和电动机电缆不能分开布置，那么编码器电缆必须通过安装金属隔离或安装金属管或者金属槽以实现解耦，金属线槽必须多点接地。

规则5：数字信号电缆的屏蔽必须双端接地（源和目标）

规则6：数字信号电缆应按信号组进行屏蔽

规则7：数字信号电缆应尽量远离模拟信号电缆。

根据上述规则，我们对提高3#飞剪控制系统信道EMC能力进行了如下工作：

        （1）编码器零（Z）通道信号通道从编码器电缆中分离出来，敷设一根单独的编码器零（Z）通道信号电缆。这是一项具有独到之处的创造。它打破了人们的常规思维方式，具有开拓性意义。

        （2）该控制系统信号电缆全部采用带纺织层屏蔽的电缆代替原使用屏蔽箔式电缆，因为带屏蔽箔的电缆的屏蔽效果要比带纺织层屏蔽的电缆屏蔽效果差5倍。

        （3）合理选择信号电缆的敷设路径，尽量使敷设路径最短，且避开强电磁场的干扰。

        （4）信号电缆在敷设过程中尽最大努力与动力电缆隔离敷设。

        （5）信号电缆在敷设方向上确实需与动力电缆交叉的，必须呈直角方式交叉。

        （6）尽量减少信号电缆裸露部分长度。

        （7）信号电缆敷设全程穿钢管，以加强屏蔽效果和电缆的安全使用。

        （8）信号电缆的屏蔽必须双端接地

        2005年3月份，高线机组3#飞剪控制系统优化方案在工业现场投入使用以来，至今已有一年多的时间。在这一年多的时间里，再未发生3#飞剪在生产过程中出现误动作的情况，切头切尾长度一直非常稳定，运行效果明显，有力地促进了生产，对高线各项生产指标的完成做出了极大贡献，生产产量得到大幅度提高，创造了极大经济效益，这对国内同类型机组出现的相似问题提供了一套完整解决方案。

 

参考文献；

    1.赵刚，杨永立.轧制过程的计算机控制系统.冶金工业出版社  2002.1

    2.王廷溥.轧钢工艺学.北京：冶金工业出版社，1981

    3.西门子公司.S7系列PLC用户手册.1999