關鍵詞：定長剪切 快速定位算法 剪切控製係統

Abstract: It is an important equipment to cutting machine of armor plate smoothing for armor plate factory and rolled steel depot. Aimed at the existent problems, such as lower in control precision etc for traditional control system of cutting machine, the author researched and made a sort of automatic control system of cutting machine with plain adjustment function for 460mm wide armor plate based on industrial control product solution of Delta company. It is mainly discussed to system design as well as some key technical detail in the process of research and manufacture. By way of production practice and application, the result shows that it is successful in design, higher in control precision, stationary and reliable in running, and practicable for similar intermission cutting system through suitable modification. The system has engineering meaning of generalization and application.
Key words: Cutting of setting length Speed orientation algorithm Cutting control system

[中圖分類號] TP273 [文獻標識碼] B 文章編號

1 引言
板材廠生產的幅寬成卷鋼板一般需要經過校平和分剪, 才(cai)能(neng)成(cheng)為(wei)最(zui)終(zhong)產(chan)品(pin)提(ti)供(gong)給(gei)客(ke)戶(hu)使(shi)用(yong)，因(yin)此(ci)鋼(gang)板(ban)校(xiao)平(ping)剪(jian)板(ban)機(ji)是(shi)鋼(gang)板(ban)廠(chang)和(he)板(ban)材(cai)倉(cang)庫(ku)重(zhong)要(yao)的(de)生(sheng)產(chan)設(she)備(bei)。由(you)於(yu)傳(chuan)統(tong)的(de)剪(jian)板(ban)機(ji)在(zai)使(shi)用(yong)方(fang)麵(mian)存(cun)在(zai)諸(zhu)多(duo)問(wen)題(ti)，針(zhen)對(dui)傳(chuan)統(tong)鋼(gang)板(ban)校(xiao)平(ping)剪(jian)板(ban)機(ji)存(cun)在(zai)的(de)生(sheng)產(chan)效(xiao)率(lv)和(he)剪(jian)切(qie)定(ding)位(wei)精(jing)度(du)低(di)的(de)問(wen)題(ti)
，研(yan)製(zhi)了(le)基(ji)於(yu)台(tai)達(da)工(gong)控(kong)產(chan)品(pin)的(de)460mm幅(fu)寬(kuan)成(cheng)卷(juan)鋼(gang)板(ban)校(xiao)平(ping)剪(jian)板(ban)機(ji)自(zi)動(dong)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)
，該(gai)係(xi)統(tong)已(yi)投(tou)入(ru)生(sheng)產(chan)使(shi)用(yong)，運(yun)行(xing)穩(wen)定(ding)可(ke)靠(kao)
，控(kong)製(zhi)精(jing)度(du)高(gao)，維(wei)護(hu)使(shi)用(yong)方(fang)便(bian)，受(shou)到(dao)用(yong)戶(hu)好(hao)評(ping)。本(ben)文(wen)從(cong)工(gong)藝(yi)技(ji)術(shu)角(jiao)度(du)對(dui)研(yan)製(zhi)過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)某(mou)些(xie)關(guan)鍵(jian)技(ji)術(shu)和(he)工(gong)程(cheng)實(shi)現(xian)相(xiang)關(guan)問(wen)題(ti)作(zuo)些(xie)討(tao)論(lun)。

2 鋼板裁剪工藝簡介與傳統裁剪控製存在的問題
2．1 裁剪工藝流程簡介
裁剪工藝流程如圖1所示
，裁剪係統由送料
、校平

、切板、皮帶傳送和堆放成品等5 個子係統組成。原材料卷板(約3～5mm後的鋼板)經送料機和壓平機後，經過4m長(chang)的(de)緩(huan)衝(chong)地(di)坑(keng)後(hou)傳(chuan)送(song)至(zhi)校(xiao)平(ping)子(zi)係(xi)統(tong)作(zuo)校(xiao)平(ping)定(ding)位(wei)，按(an)照(zhao)給(gei)定(ding)切(qie)長(chang)要(yao)求(qiu)定(ding)位(wei)後(hou)
，切(qie)板(ban)機(ji)將(jiang)鋼(gang)板(ban)裁(cai)切(qie)成(cheng)成(cheng)品(pin)，最(zui)後(hou)經(jing)皮(pi)帶(dai)送(song)出(chu)堆(dui)放(fang)包(bao)裝(zhuang)。係(xi)統(tong)運(yun)行(xing)中(zhong)，位(wei)於(yu)地(di)坑(keng)中(zhong)的(de)光(guang)電(dian)開(kai)關(guan)用(yong)於(yu)根(gen)據(ju)鋼(gang)板(ban)下(xia)垂(chui)程(cheng)度(du)以(yi)啟(qi)動(dong)或(huo)停(ting)止(zhi)送(song)料(liao)機(ji)送(song)料(liao)

，以(yi)便(bian)保(bao)持(chi)送(song)料(liao)速(su)度(du)與(yu)校(xiao)平(ping)機(ji)運(yun)行(xing)速(su)度(du)相(xiang)匹(pi)配(pei)
，操(cao)作(zuo)人(ren)員(yuan)可(ke)通(tong)過(guo)觸(chu)摸(mo)屏(ping)人(ren)機(ji)界(jie)麵(mian)輸(shu)入(ru)每(mei)刀(dao)剪(jian)切(qie)的(de)長(chang)度(du)與(yu)裁(cai)切(qie)的(de)刀(dao)數(shu)，設(she)定(ding)完(wan)成(cheng)後(hou)啟(qi)動(dong)係(xi)統(tong)自(zi)動(dong)投(tou)入(ru)運(yun)行(xing)。裁(cai)切(qie)工(gong)藝(yi)的(de)具(ju)體(ti)技(ji)術(shu)指(zhi)標(biao)要(yao)求(qiu)是(shi)：校平剪板機要求在裁切長度2m時

，其速度能達到每分鍾裁切8次，鋼板長度相對誤差在5mm之內。

圖1 裁剪工藝流程圖

2.2 工藝數據要求
根據裁剪工藝需要及物理計算，滿足工藝技術指標的相關技術數據配置為：送料機功率，7.5kW；校頻機減速電機功率為3.7 kW
，減速比為15：1；切板機電機功率，4 kW；皮帶傳送電機功率，3.7 kW； 校頻機滾軸直徑，108mm；編碼器分辨率，500ppr
；送料機最高速度
，25m/min
；切板機速度，60次/分
；原料鋼板厚度為3～5mm
，寬度小於460mm；緩衝地坑：4m長，3m深。
2.3 傳統裁剪控製係統存在的問題
按(an)上(shang)述(shu)工(gong)藝(yi)數(shu)據(ju)要(yao)求(qiu)對(dui)這(zhe)類(lei)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)進(jin)行(xing)設(she)計(ji)並(bing)不(bu)困(kun)難(nan)，但(dan)由(you)於(yu)傳(chuan)統(tong)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)存(cun)在(zai)的(de)缺(que)陷(xian)
，往(wang)往(wang)留(liu)下(xia)諸(zhu)多(duo)遺(yi)憾(han)。如(ru)對(dui)低(di)端(duan)設(she)備(bei)而(er)言(yan)，傳(chuan)統(tong)實(shi)現(xian)方(fang)法(fa)一(yi)般(ban)采(cai)用(yong)直(zhi)流(liu)調(tiao)速(su)係(xi)統(tong)，實(shi)施(shi)方(fang)案(an)的(de)缺(que)點(dian)是(shi)：係統笨重、耗電量大
、調試複雜、維護成本高
；在定位控製方式方麵，一般采用讀取行程開關信號後通過預減速配合氣壓製動的定位方式, 剪切效率很低, 誤差較大。而對高端設備，一般采用直流伺服技術
，雖然精度和效率得以保證
，但價格非常昂貴，產品性能價格比難以令人滿意。
隨著計算機技術
、自動控製技術和矢量變頻調速技術的高速發展, 如(ru)何(he)采(cai)用(yong)先(xian)進(jin)的(de)控(kong)製(zhi)技(ji)術(shu)構(gou)造(zao)性(xing)能(neng)價(jia)格(ge)比(bi)優(you)異(yi)的(de)剪(jian)切(qie)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)，是(shi)人(ren)們(men)關(guan)注(zhu)的(de)焦(jiao)點(dian)，中(zhong)達(da)電(dian)通(tong)公(gong)司(si)為(wei)此(ci)提(ti)供(gong)了(le)基(ji)於(yu)台(tai)達(da)工(gong)控(kong)產(chan)品(pin)的(de)整(zheng)體(ti)配(pei)套(tao)控(kong)製(zhi)方(fang)案(an)，比(bi)較(jiao)好(hao)地(di)解(jie)決(jue)了(le)存(cun)在(zai)的(de)問(wen)題(ti)。

3 基於台達工控產品的裁剪自動控製係統
3.1 控製原理簡介
基於台達工控產品的裁剪控製係統整體解決方案控製框圖如圖2所示。係統采用編碼器、PLC
、矢量變頻器構成自動控製係統以實現精確定位。長度定位采用台達編碼器500PPR與校平送料滾軸直連方式以實現準確測量。校平機由3.7kW減速比為15：1的(de)減(jian)速(su)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)，用(yong)電(dian)磁(ci)抱(bao)閘(zha)強(qiang)製(zhi)克(ke)服(fu)鋼(gang)材(cai)運(yun)動(dong)的(de)慣(guan)性(xing)以(yi)利(li)於(yu)被(bei)加(jia)工(gong)對(dui)象(xiang)的(de)準(zhun)確(que)定(ding)位(wei)。采(cai)用(yong)觸(chu)摸(mo)屏(ping)人(ren)機(ji)界(jie)麵(mian)作(zuo)為(wei)指(zhi)令(ling)和(he)數(shu)據(ju)上(shang)行(xing)下(xia)達(da)的(de)窗(chuang)口(kou)，通(tong)過(guo)人(ren)機(ji)界(jie)麵(mian)與(yu)DVP16EH00R通訊，其數據和指令經過PLC控製現場設備。在定位係統中,由於台達EH內建完全開放的經典PID指令，以該指令為核心
，可以在PID運算的過程中
，方便快速地隨時動態修正計算結果，P/I/D等所有關鍵參數可隨時修正，通過控製算法的動態修正，彌補了異步電機響應滯後的不足。采用動態PID連續定位算法 ,使處於速度模式下的矢量變頻器可以非常準確地控製異步電機定位。在該算法下,變頻器的給定轉速處於變化狀態,由PLC內置的RS-485接口與變頻器自帶的485接口以115200BPS的高速通訊完成速度給定和狀態檢測，以低成本方式取代原來需要交流伺服才能完成的功能,實現了準確的切長控製。係統中現場設備的各類DI信號反饋到DVP-EH可編程控製器，經運算後將結果輸出至執行器執行以實現安全可靠的穩定控製。

圖2 整體解決方案的控製框圖

3.2 關鍵數據計算及控製方案說明
滾軸直徑為108mm
，周長為3.1415*108=339mm。編碼器采用2倍頻計數，則編碼器計數的精度為339/1000=0.339mm。切板機每切一次的時間為1s，滾軸帶動板材 以30m/min的速度可以滿足要求。如按加速到最大速度的時間為2s，減速到0的時間為2s計算，一分鍾內有60-8-4*8=20s的時間係統以最高速度運行。一分鍾運行的距離為20*30/60+30*4*8*0.5/60=18m，可以滿足每分鍾2*8=16m的要求。
PLC的計數頻率：（30*1000/0.339）/60=1475Hz<3kHz。用台達ES係列的PLC可以滿足要求。
采用額定轉速為1450r/min

、減速比為15：1的減速電機驅動，速度為1450/15=96r/min。滾軸軸徑108mm，線速度為3.1415*108*96/1000=32.7m/min，大於計算的最高速度30m/min, 因此可以滿足要求的。
設定的參數和PLC自動修正的數據存放於PLC的掉電保持區（EEPROM AREA）

，可以保證數據不會丟失；人機界麵具備電池後備數據保持區（64K Byte），可以存放重要的過程曆史數據；人機界麵可對PLC的數據作二次處理，如報警記錄和顯示等；此外，還可根據客戶的需求靈活進行其它指定要求的設計。為便於遠程監測，可利用EH擴展接口，擴展出第三個串口，實現遠端和設備近端人機界麵的雙重控製。

3.3 安全可靠性考慮
係統各個部分設置有電機操作按鈕、急停按鈕
，手動、自動選擇等。所有變頻器集中安裝在控製櫃內
，PLC和人機界麵放在現場設備上
，這種配置可縮短PLC和he人ren機ji界jie麵mian的de通tong訊xun距ju離li，減jian小xiao變bian頻pin器qi對dui弱ruo電dian係xi統tong尤you其qi是shi編bian碼ma器qi的de幹gan擾rao
，在zai提ti高gao通tong訊xun可ke靠kao性xing和he控kong製zhi精jing度du的de同tong時shi也ye提ti高gao了le操cao作zuo的de便bian利li性xing。變bian頻pin器qi和he變bian、配電設備與信號設備遠離，防止強電對小信號幹擾，提高精度。電器配電櫃設計考慮：（1）配電係統對各回路均單獨控製
，設計有循環風冷、備用電源
、備用按鈕和指示，易於檢修改造；（2）現場電源、聯鎖電源以及低壓供電係統均設計有空氣開關，可防止電源短路的互相影響；（3）五線三相供電，配電櫃中性線和地線分開，有利於抗幹擾和操作人身安全。

3.4 現場應用與係統設計說明
采用矢量變頻器及15：1減速電機和電磁抱閘有效地克服慣性對定位的影響以及送料機的衝力，提高了裁切精度。影響精度的因素眾多，如編碼器的幹擾、電機與連軸器間的間隙、連軸器的背隙、編碼器與連軸器的間隙
、原料與滾輪間在運動和停止時存在打滑等等，為此
，除了設計時采用高精度編碼器、矢量型變頻器、快kuai速su響xiang應ying的de電dian磁ci抱bao閘zha外wai，在zai安an裝zhuang調tiao試shi時shi必bi須xu盡jin量liang減jian小xiao連lian軸zhou器qi的de背bei隙xi，增zeng加jia板ban材cai與yu滾gun軸zhou間jian的de摩mo擦ca力li。為wei了le使shi送song料liao機ji與yu校xiao平ping機ji的de速su度du相xiang適shi應ying，可ke在zai送song料liao機ji與yu校xiao平ping機ji之zhi間jian采cai用yong挖wa地di坑keng的de方fang法fa實shi現xian緩huan衝chong
，如ru送song料liao機ji以yi16m/s的速度送料
，校平機以2m為一塊板切割

，則要求留足2m的餘量。若挖3m長
，2m深的地坑
，剛好可以滿足2m的de餘yu量liang滿man足zu速su度du匹pi配pei。但dan實shi際ji鋼gang板ban是shi不bu可ke能neng拉la到dao水shui平ping的de，也ye不bu能neng接jie觸chu到dao地di坑keng底di部bu，因yin此ci在zai地di坑keng底di部bu適shi當dang位wei置zhi加jia裝zhuang一yi對dui光guang電dian開kai關guan
，檢jian測ce越yue限xian信xin號hao，隻zhi要yao超chao限xian就jiu啟qi動dong送song料liao機ji

，為wei了le方fang便bian挖wa一yi個ge4m長，3m深的地坑就可以滿足工藝要求。

係統所選用的主要控製元、器件如表1所示，係統設計中值得關注的有以下幾個問題。
（1）矢量變頻器選擇台達VFD-V係列，該產品具有極高的性能價格比，搭配高頻寬響應的位置閉環控製卡PG05，可以大大提高異步電機的響應特性
；
（2）人機界麵選擇台達DOP-A係列5.7′藍屏觸摸屏
，該產品外觀精美，開發使用及維護簡單
，在同類產品中性能價格比極高，其強大的軟件功能完全滿足類似係統應用需求；
（3）編碼器選用高精度
、高可靠性的台達ES編bian碼ma器qi產chan品pin
，該gai產chan品pin核he心xin的de光guang柵zha碼ma盤pan采cai用yong台tai達da專zhuan利li的de激ji光guang刻ke蝕shi技ji術shu並bing搭da配pei專zhuan利li的de光guang電dian轉zhuan換huan技ji術shu，使shi之zhi在zai使shi輸shu出chu脈mai衝chong邊bian沿yan成cheng型xing幹gan淨jing的de同tong時shi而er又you保bao持chi了le高gao頻pin脈mai衝chong輸shu出chu不bu會hui變bian形xing和he丟diu失shi的de特te點dian；
（4）PLC為台達EH係列，該係列產品采用ASIC芯片，用硬件方式處理運算指令，大大提高了處理速度和可靠性，用小型PLC可實現中型PLC的功能。

4 結束語
基於台達工控產品解決方案的460mm幅寬成卷鋼板校平剪板機自動控製係統
，投入生產實踐使用後應用效果表明：
（1）該方案裁切精度高，完全滿足用戶要求，操作使用方便；
（2）用異步電機、矢量變頻器和高速PLC作簡單搭配能實現快速定長控製，性能價格比高，符合實際工程需要

，能滿足市場需求；
（3）用改進的PID算法可實現對矢量變頻器和異步電機的頻寬響應控製。

參考文獻（略）

作者簡介
劉慶生（1970-），男

，成都市人
，高級工程師，主要從事自動控製、電氣傳動和智能自動化工程開發與智能化調速與定位方麵的技術和市場拓展工作。