关键词：定长剪切 快速定位算法 剪切控制系统
1 引言
板材厂生产的幅宽成卷钢板一般需要经过校平和分剪, 才能成为最终产品提供给客户使用，因此钢板校平剪板机是钢板厂和板材仓库重要的生产设备。由于传统的剪板机在使用方面存在诸多问题，针对传统钢板校平剪板机存在的生产效率和剪切定位精度低的问题，研制了基于台达工控产品的460毫米幅宽成卷钢板校平剪板机自动控制系统，该系统已投入生产使用，运行稳定可靠，控制精度高，维护使用方便，受到用户好评。本文从工艺技术角度对研制过程中的某些关键技术和工程实现相关问题作些讨论。
2 钢板裁剪工艺简介与传统裁剪控制存在的问题
2．1 裁剪工艺流程简介
裁剪工艺流程如图1所示，裁剪系统由送料、校平、切板、皮带传送和堆放成品等5 个子系统组成。原材料卷板（约3-5mm后的钢板）经送料机和压平机后，经过4m长的缓冲地坑后传送至校平子系统作校平定位，按照给定切长要求定位后，切板机将钢板裁切成成品，最后经皮带送出堆放包装。系统运行中，位于地坑中的光电开关用于根据钢板下垂程度以启动或停止送料机送料，以便保持送料速度与校平机运行速度相匹配，操作人员可通过触摸屏人机界面输入每刀剪切的长度与裁切的刀数，设定完成后启动系统自动投入运行。裁切工艺的具体技术指标要求是：校平剪板机要求在裁切长度2m时，其速度能达到每分钟裁切8次，钢板长度相对误差在5mm之内。
图1 裁剪工艺流程图
2.2 工艺数据要求
根据裁剪工艺需要及物理计算，满足工艺技术指标的相关技术数据配置为：送料机功率，7.5kW；校频机减速电机功率为3.7 kW，减速比为15：1；切板机电机功率，4 kW；皮带传送电机功率，3.7 kW； 校频机滚轴直径，108mm；编码器分辨率，500ppr；送料机最高速度，25m/min；切板机速度，60次/min；原料钢板厚度为3-5 mm，宽度小于460mm；缓冲地坑：4m长，3m深。
2.3 传统裁剪控制系统存在的问题
按上述工艺数据要求对这类控制系统进行设计并不困难，但由于传统解决方案存在的缺陷，往往留下诸多遗憾。如对低端设备而言，传统实现方法一般采用直流调速系统，实施方案的缺点是：系统笨重、耗电量大、调试复杂、维护成本高；在定位控制方式方面，一般采用读取行程开关信号后通过预减速配合气压制动的定位方式, 剪切效率很低, 误差较大。而对高端设备，一般采用直流伺服技术，虽然精度和效率得以保证，但价格非常昂贵，产品性能价格比难以令人满意。
随着计算机技术、自动控制技术和矢量变频调速技术的高速发展, 如何采用先进的控制技术构造性能价格比优异的剪切控制系统，是人们关注的焦点，中达电通公司为此提供了基于台达工控产品的整体配套控制方案，比较好地解决了存在的问题。
3 基于台达工控产品的裁剪自动控制系统
3．1 控制原理简介
基于台达工控产品的裁剪控制系统整体解决方案控制框图如图2所示。系统采用编码器、PLC、矢量变频器构成自动控制系统以实现精确定位。长度定位采用台达编码器500PPR与校平送料滚轴直连方式以实现准确测量。校平机由3.7Kw减速比为15：1的减速电机驱动，用电磁抱闸强制克服钢材运动的惯性以利于被加工对象的准确定位。采用触摸屏人机界面作为指令和数据上行下达的窗口，通过人机界面与DVP16EH00R通讯，其数据和指令经过PLC控制现场设备。在定位系统中,由于台达EH内建完全开放的经典PID指令，以该指令为核心，可以在PID运算的过程中，方便快速地随时动态修正计算结果，P/I/D等所有关键参数可随时修正，通过控制算法的动态修正，弥补了异步电机响应滞后的不足。采用动态PID连续定位算法 ,使处于速度模式下的矢量变频器可以非常准确地控制异步电机定位。在该算法下,变频器的给定转速处于变化状态,由PLC内置的RS485接口与变频器自带的485接口以115200BPS的高速通讯完成速度给定和状态检测，以低成本方式取代原来需要交流伺服才能完成的功能,实现了准确的切长控制。系统中现场设备的各类DI信号反馈到DVP-EH可编程控制器，经运算后将结果输出至执行器执行以实现安全可靠的稳定控制。
图2 整体解决方案的控制框图
3.2 关键数据计算及控制方案说明
滚轴直径为108mm，周长为3.1415＊108=339mm。编码器采用2倍频计数，则编码器计数的精度为339/1000=0.339mm。切板机每切一次的时间为1s，滚轴带动板材 以30m/min的速度可以满足要求。如按加速到最大速度的时间为2s，减速到0的时间为2s计算，一分钟内有60-8-4＊8=20s的时间系统以最高速度运行。一分钟运行的距离为20＊30/60+30＊4＊8＊0.5/60=18m，可以满足每分钟2＊8=16m的要求。
PLC的计数频率：（30＊1000/0.339）/60=1475HZ<3KHZ。用台达ES系列的PLC可以满足要求。
采用额定转速为1450r/min、减速比为15：1的减速电机驱动，速度为1450/15=96r/min。滚轴轴径108mm，线速度为3.1415＊108＊96/1000=32.7m/min，大于计算的最高速度30m/min, 因此可以满足要求的。
设定的参数和PLC自动修正的数据存放于PLC的掉电保持区（EEPROM AREA），可以保证数据不会丢失；人机界面具备电池后备数据保持区（64K Byte），可以存放重要的过程历史数据；人机界面可对PLC的数据作二次处理，如报警记录和显示等；此外，还可根据客户的需求灵活进行其它指定要求的设计。为便于远程监测，可利用EH扩展接口，扩展出第三个串口，实现远端和设备近端人机界面的双重控制。
3.3 安全可靠性考虑
系统各个部分设置有电机操作按钮、急停按钮，手动、自动选择等。所有变频器集中安装在控制柜内，PLC和人机界面放在现场设备上，这种配置可缩短PLC和人机界面的通讯距离，减小变频器对弱电系统尤其是编码器的干扰，在提高通讯可靠性和控制精度的同时也提高了操作的便利性。变频器和变、配电设备与信号设备远离，防止强电对小信号干扰，提高精度。电器配电柜设计考虑：1）配电系统对各回路均单独控制，设计有循环风冷、备用电源、备用按钮和指示，易于检修改造；2）现场电源、联锁电源以及低压供电系统均设计有空气开关，可防止电源短路的互相影响；3）五线三相供电，配电柜中性线和地线分开，有利于抗干扰和操作人身安全。
3.4 现场应用与系统设计说明
采用矢量变频器及15：1减速电机和电磁抱闸有效地克服惯性对定位的影响以及送料机的冲力，提高了裁切精度。影响精度的因素众多，如编码器的干扰、电机与连轴器间的间隙、连轴器的背隙、编码器与连轴器的间隙、原料与滚轮间在运动和停止时存在打滑等等，为此，除了设计时采用高精度编码器、矢量型变频器、快速响应的电磁抱闸外，在安装调试时必须尽量减小连轴器的背隙，增加板材与滚轴间的摩擦力。为了使送料机与校平机的速度相适应，可在送料机与校平机之间采用挖地坑的方法实现缓冲，如送料机以16m/s的速度送料，校平机以2m为一块板切割，则要求留足2m的余量。若挖3m长，2m深的地坑，刚好可以满足2m的余量满足速度匹配。但实际钢板是不可能拉到水平的，也不能接触到地坑底部，因此在地坑底部适当位置加装一对光电开关，检测越限信号，只要超限就启动送料机，为了方便挖一个4m长，3m深的地坑就可以满足工艺要求。
系统所选用的主要控制元、器件如表1所示，系统设计中值得关注的有以下几个问题。
1）矢量变频器选择台达VFD-V系列，该产品具有极高的性能价格比，搭配高频宽响应的位置闭环控制卡PG05，可以大大提高异步电机的响应特性；
2）人机界面选择台达DOP-A系列5.7’蓝屏触摸屏，该产品外观精美，开发使用及维护简单，在同类产品中性能价格比极高，其强大的软件功能完全满足类似系统应用需求；
3）编码器选用高精度、高可靠性的台达ES编码器产品，该产品核心的光栅码盘采用台达专利的激光刻蚀技术并搭配专利的光电转换技术，使之在使输出脉冲边沿成型干净的同时而又保持了高频脉冲输出不会变形和丢失的特点；
4）PLC为台达EH系列，该系列产品采用ASIC芯片，用硬件方式处理运算指令，大大提高了处理速度和可靠性，用小型PLC可实现中型PLC的功能。
4 结束语
基于台达工控产品解决方案的460毫米幅宽成卷钢板校平剪板机自动控制系统，投入生产实践使用后应用效果表明：
1）该方案裁切精度高，完全满足用户要求，操作使用方便；
2）用异步电机、矢量变频器和高速PLC作简单搭配能实现快速定长控制，性能价格比高，符合实际工程需要，能满足市场需求；
3）用改进的PID算法可实现对矢量变频器和异步电机的频宽响应控制。
