基于Simotion D435的飞剪运动控制系统

（（ＰＬＣ＆ＦＡｙ　２０１４年９Ｎ　基于ＳｉｍｏｔｉＯＩ３　Ｄ４３５　的飞剪运动控制系统　Ｂａｓｅｄ　Ｓｉｍｏｔｉｏｎ　Ｄ４３５　Ｆｌｙｉｎｇ　Ｓｈｅａｒ　ｍｏｔｉｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　济南钢铁集团自动化部传动事业部郭冬梅　天津理工大学　李兆斐　Ｇｕｏ　Ｄｏｎｇｍｅｉ　Ｌｉ　Ｚｈａｏｆｅｉ　摘饕：结合全数字调速装置在冶金企业中的应用，阐述目前飞剪控制系统的设计特点和思路，总　结飞剪控制系统的多种实现方法。　关键词：全数字调速装置　飞剪Ｔ４００工艺板　Ｓｉｍｏｔｉｏｎ　Ｄ４３５控制器　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｂｉｎｄｉｎｇ　ｔｈｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｆｕｌ　Ｄｉｌｇｉｔａｌ　Ｖａｒｉａｂｌｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ　ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ，Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｉｎｇ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ａｎｄ　ｒｅａｓｏｎ，ＳｕｍｍＩｎｇ　ｔｈｅ　Ｒｅａｌｉｚｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　Ｃｒｏｐｐｉｎｇ　Ｓｈｅａｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｆｕｌｌ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｖａｒｉａｂｌｅ　Ｓｐｅｅｄ　ｄｒｉｖｅ　Ｓｉｍｏｔｉｏｎ　Ｄ４３５　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　Ｃｒｏｐｐｉｎｇ　Ｓｈｅａｒ　Ｔ４００　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｂｏａｒｄ　【中图分类号】ＴＧ３３４－ｇ　【文献标识码】Ｂ　文章编号１６０６－５１２３（２０１４）０９—００６１—０４　一Ｉ一　周的３ｇｏ；剪切精度较高，切头尾长　的时间，从而可以计算出剪刀转轴的转　速，通过对调速电机的速度的调节，从　而得到剪材所需的材料的长度。　飞剪是；台金企业轧钢生产线大型装　备。飞剪工艺是指横向剪切运动轧件，　并满足用户定尺要求的关键设备。飞剪　度误差小于轧线速度的±３‰。　’　－０００　２．１工艺要求　飞剪机必需具备三个必要条件：　（１）剪切运动轧件时刀刃的水平分速　２－２结构形式　在棒线材生产线上，飞剪主要有滚　筒式、曲柄式两种。　系统其工作性能的好坏直接影响到轧制　线的生产效率和产品切口质量。　线材生产线飞剪控制系统采用西门　子Ｓｉｍｏｔｉｏｎ　Ｄ４３５作为中心控制器，使开　发周期大大缩短，模块化的设计和程序　（１）滚筒式飞剪结构简单，回转半径　大，剪切速度高，但剪切时其剪刃与轧　件不垂直，剪刃对轧件有一个附加挤压　力。若轧件断面越大，附加挤压力也越　度与轧件同步：　（２）飞剪机应能满足不同用户的定尺　要求：　中各种通用、专用模块的使用，令系统　配置变得简单，其硬件结构的工作可靠　性及良好的抗干扰性能，保证了系统的　可靠工作。经过调试、试运行，该系统　运行情况良好，轧件剪切精度与定位精　度比技术合同内要求还要高很多。剪刃　（３）剪切速度必须与生产线上其它设　备匹配，以提高生产率。　飞剪基本工作原理是通过调速电　机调节电机的转速来控制两剪刀轴的转　速，根据轧线物料的运行速度和所需　的剪材的长短来计算两个剪刀旋转相遇　大，不仅剪切质量不好，剪刃也容易损　坏。因此，滚筒式飞剪适合剪切断面小　而速度高的轧件。　（２）曲柄式飞剪在剪切时其剪刃与　轧件基本垂直，无附加挤压力，剪切质　量高，但受结构限制，其曲柄回转半径　定位精度高，停止时剪刃定位误差小于　ＷＷＷ．ＣＡ１６８．ＣＯＭ　Ｉ　６１　小，剪切速度不高。因此，曲柄式飞剪适合剪切断面大速度　低的轧件。　列高性能ＰＬＣ主控单元ＣＰＵ３１５－２　ＤＰ控制器，调速装置选用西　ｆ－］－￣－４００ｋＷ功率大型ＤＣ６６０Ｖ的６ＲＡ７０直流调速装置，选用两　套ＦＭ３５０高速计数模块和编码器，进行轧件头尾长度测量和　２．３安装形式　飞剪安装在轧制作业线上用来横向剪切轧件的头、尾或　将其剪切成定尺长度，在轧件运动过程中，由剪刃相对运动　而将轧件切断。对飞剪的基本要求是剪刃在剪切轧件时要同　曲轴位置测量，剪前热检信号接人数字量输入模块。此控制　系统的组成虽能简单满足飞剪剪切控制的要求，却不能满足　日益加快的生产节奏，在切头尾同时选择时经常出现问题，　故障率高，影响产品质量和产量。该棒线材生产线１≠｝飞剪控　制系统在线运行实际配置如图２所示。　时成剪切与移动两个动作，且其剪刃在轧件运行方向的瞬时　分速度Ｖ应与轧件运行速度Ｖ０基本相等。　２．４工艺过程　旋转飞剪上下剪刃的运动轨迹都是圆。飞剪起动前，上　剪刃处于等待位置，测长编码器将测得的板材通过长度及带　材线速度等信号进行运算、处理，确定是否给出飞剪起动信　号，当通过轧材长与设定定尺长度相接近时，控制系统发出　旦　！　！旦！　！塾　！　！塑　！　２　３）Ｍ＾ｓ　ｌ矗ｊ　飞剪起动信号至调速装置控制剪刃以最短时间由等待位置经　加速区至一点接触轧材，进入同步区，并与轧材线速度同步　在剪切区域剪断轧材，再与轧材同步直分离区离开轧材。最　后经减速区回到原始位置，等待下一次剪切。　图２棒线材生产线１＃飞剪控制系统在线运行实际配置图　３．２　２＃低速曲轴飞剪Ｔ４００专用控制系统　基于Ｔ４００Ｔ艺板的高速启停式飞剪控制系统设计与实　现如图３所示。某棒线材生产线２捍飞剪控制系统选用ｓ７—３００　ＣＰＵ３ｌ５—２　ＤＰ控制器，调速装置选用５００ｋＷ，ＤＣ４００Ｖ的　６ＲＡ７０直流调速装置和工艺板Ｔ４００，轧件头尾长度测量和曲　轴位置测量编码器直接接人工艺板Ｔ４００，剪前热检信号也接　人Ｔ４００工艺板。　　Ｉｓ７一ＣＰｕ３１５－２ＤＰ　ＯＰ７７操作员面板Ｉ　２．５装备布局　一般的棒线材生产线有三座飞剪来完成轧件的切头、切　尾和事故碎断功能。其在轧线的位置如图ｌ所示。　瓤逸冷坯　检查　码垛’…装炉加热　出炉　蓠纛水除鳞　粗轧　！　曲福　剪　不台格坯剔除　中车Ｌ　！—　水箱冷却　测径仪　３　剪　转辙器　预精轧　回转飞笋：　ＤＰ１　１．ｇＭｂｐｓ：▲　ｒ’一　ＤＰ２　１．５Ｍｂｐｓ　——一　————　８架圈　１０槊）　．　水箱冷却　双模块精轧　水箱　入库管理　夹送、吐至　斯太尔摩　鎏鐾　ＩＥＭ１５ｌ２＇０　０Ｍ　Ｉ３‘　　　ｉ６ＲＡ７０　直黑离渣攀譬ｉ流调速装置‘ｂ．．。　——＿一—————＿＿——＾　Ｔ４ｏ０位置控制工艺板－１Ｍ目　Ｊ＿　＾　＾　卷：　称重　启动打捆　ｌＰ／Ｆ运输线１　挂卷小车一　窭孝运输　集卷站　图１　飞剪在轧线上的位置布局示意图　现场　Ｏ信号　飞剪电机　飞剪电机编码器　轧件测长编码器热检信号剪刃霉位信号　图３　２群飞剪控制系统在线运行实际配置图　‘　囊　≯　在棒线材轧制中，为了保证产品质量和避免在轧制中钢　Ｔ４００Ｔ艺板作为西门子公司为其装置（６ＲＡ７０、６ＳＥ７０等）　的专用选件板，应用其剪切控制软件可以和传动装置有机结　合进行快速、高效的数据交换，加上自身运算速度快、计算　精度高，采用的是３２位的Ｓｉｍａｄｙｎ—Ｄ处理器，它的执行周期小　于１ｍｓ，运算数据类型为浮点小数。Ｔ４００通过双口ＲＡＭ和传　动装置交换数据，比其他方式效率更高，适合于高速、高精　度的控制。Ｔ４００Ｔ艺板剪切控制标准软件直接传送给定值给　起停式飞剪，控制电机起停实现剪切，能够满足飞剪特殊的　工艺需要，具有高度的灵活性。工艺板Ｔ４００装于６ＲＡ７０全数　字直流调速装置箱内，通过６ＲＡ７０主板ＣＵＤ１共用双口内存实　现数据交换，主给定由Ｔ４００发送，剪刃位置和成品线速度信　坯头尾出现开裂而造成卡钢，利用飞剪对正在轧制的轧件头　尾进行剪切。当飞剪后的设备出现故障或堆钢，生产无法正　常进行时，需启动飞剪对正在轧制中的钢坯进行连续碎断，　以确保生产的安全性。随着轧机轧制速度和生产能力的不断　提高，提高飞剪的速度和性能已成为研究热点之一。下面介　绍几种飞剪运动控制系统的成功地设计理念与实现方式。　３．１　１撑低速曲轴飞剪Ｓ７—３００控制系统　基于高速计数功能的低速曲轴飞剪控制系统，其设计与　实现棒线材生产线１　飞剪控制系统选用德国西门子ｓ７—３００系　６２　１　《ＰＬＣ＆ＦＡ》　（（ＰＥＧ＆ＦＡ》２０１４年９Ｎ　号接于Ｔ４００￣ｂ部端子上，热检信号也装于Ｔ４００￣［，部端子上，　如图４所示。　轧机系统ＣＰＵ４１６Ｉ　ＤＰ３　ＤＰ２　１　Ｉ　Ｓ７一ＣＰＵ４１６—２ＤＰ　ＤＰ１　ｒ　　、ＨＭＩ上位机　ＴＣＰ／ＩＰ　Ｔ４００　Ｔ艺板通过ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ网与ＰＬＣ通讯。剪切指　ＩＭ１５３－１ＥＴ２００Ｍ　Ｓｉｍｏｔｉｏｎ　Ｄ４３５控制器　令由ＰＬＣ发送以便集成控制。Ｔ４００Ｔ艺板主要完成剪刃的位　Ｄｒｉｖｅ—ＣＬｉＱ　电机模块ＭＭ４　Ｄｒｉｖｅ—ＣＬｉＱ　Ｉ　Ｄｒｉｖｅ—ＣＬｉＱ　ＩＤｒＩｖｅ－ＣＬｉＱ　ｒ　！　置控制，Ｔ４００位置控制程序装载在ＥＥＰＲＯＭ中。需要使用西　门子的Ｓｔｅｐ７、ＣＦＣ、Ｄ７一ＳＹＳ软件，使用ＣＦＣ图的方式进行编　程，并可在线修改参数和监视信号的状态。　札ｎｖ　ｌ　现场ｖｏ信号　＾　ＳＭＣ２０模块　＾　ＴＭ１７模块　＾　飞剪变频电机¨＿　ＳＭＣ２０模块　　Ｉ操作台、箱轧件测长编码器Ｉ热检信号剪刀零位信　飞剪电机编码器　图５线材生产线１撑、２鞋飞剪控制系统在线运行实际配置图　！　坐　匝ｌ重　Ｊ　㈨　』Ｌ——－Ｊ　０———　０　自　４．２　Ｓｉｍｏｔｉｏｎ　Ｄ４３５解析　Ｓｉｍｏｔｉｏｎ　Ｄ４３５控制器是基于ＳＩＮＡＭＩＣＳ￥１２０￣Ｎ动平台的　ｌ　Ｉ１　¨叫　…Ｉ　皤』望—＿＿Ｊ　Ｌ——』坐　＿＿Ｊ　Ｌ—二　堡时　生二＿＿Ｊ　Ｌ——　．—！业　匮五薹圈　驱动系统，是一个极其紧凑同时具有强大控制功能的驱动控　制系统，它带有两个具有时钟同步的ＰＲＯＦＩＢＵＳ接口以及两　Ｌ———上Ｌ——０旦　【　ｑｍ　Ｉ　个以太网口，可以通过ＤＲＩＶＥ—ＣＬｉＱ接口与ＳＩＮＡＭＩＣＳ　Ｓ１２０　的其它模块进行数据交换通过扩展，一个Ｓｉｍｏｔｉｏｎ　Ｄ４３５￣控　制６个轴，如图７所示。Ｓｉｍｏｔｉｏｎ　Ｄ４３５的基于材生产线ｌ撑、２≠｝　飞剪控制系统设定和监控画面如图８所示。　ＰＲＯＦＩＢＵＳ　Ｉｎｔｅｇ　ｒａｔｅｄ：ＤＰ　ｍａｓｔｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ（１）　墨　匮噩　卫－ｕ——Ｊ　Ｌ———　．　立Ｌ．——＿Ｊ　Ｌ　——曼　十　鳘———＿Ｊ　———丝Ｌ．　目∞　＂　Ｉ　他　｝ｊ萄　壁———Ｊｋ———互　．■　阻卫——一０—　！ｚ　｝　　１Ｔ　Ｌ—＿＿ｊ　——卫Ｌ　’ｌ　Ｌ——————■———　图４棒材飞剪Ｔ４００Ｚ艺板配置和通讯编程截屏图　此方案可以满足高速飞剪的工艺控制要求。优于以高速　计数模块形式控制精度，减少了切头、切尾故障事件的发生。　！　。　０　ｎ０　ｌｉ　运毒　ｉ蠢　曩嬲　ＳｌｏＩｌ　ＩＩ　Ｍｏｄｕｌｅ　７　ＤＰ２ＺＩ＾７　｜　Ｘ／２　ＩＥＴ／ＯＰ　ｌ】Ｉ　线材生产线三电系统，对轧线ｌ≠｝、２≠｝飞剪精度控制，　ｌ　Ｏｒｄｅｒ　ｎｕｍｂｅｌ　ｌ　｛Ｒ　ｌ¨Ｐ１　ａ【Ｊ　ａ　ｅｓｓ　１　０　ｌ　Ｃｏａｌｍｅｎｌ　ｌ　　ｌｌ，　　ｌｌ　要求剪切长度精度　±３０ｍｍ，剪刃定位精度±２。。中标后　对控制系统及传动部分进行了设备选型，大胆采用了西门子　Ｉ　　ｌＩ　１　ｌ　Ｉ　ｌ　ｌ　｝　｛Ｉ　Ｓｉｍｏｔｉｏｎ　Ｄ４３５运动控制器来完成飞剪变频电机的同步和定位　控制。　４．１硬件设计与选型　对于该线材生产线ｌ≠≠、２≠｝飞剪控制　系统选用ｓ７—４００　ＣＰＵ４１６－２　ＤＰ控制器，　调速装置选用Ｓｉｎａｍｉｃ　Ｓ　１　２０　５６０ｋＷ，　６７５Ａ的电机驱动模块，轧件头尾长度测　量和飞剪电机编码器直接接人ＳＭＣ２０编　码器模板，剪前热检信号也接入ＴＭ　ｌ　７　模块，选用Ｓｉｅｍｅｎｓ公司的运动控制模　块Ｓｉｍｏｔｉｏｎ　Ｄ４３５来进行同步和位置控　：　一　制，Ｓｉｍｏｔｉｏｎ是西门子于２００５年在中国　推出的全新的运动控制系统。硬件配置　示意图如图５所示。　一　图８线材生产线１＃、２群飞剪控制系统设定和监控画面　ｗ　＾ｎ＾／ＣＡ１６８．ＣＯＭ　Ｉ　６３　Ⅲ　圈　４．３控制系统软件　Ｌ。。。　。。。。。。。’　。。　并始　。。　。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。—　对于硬件组态和编程需要使用ＳＣＯＵＴ软件进行配置、编　Ｙ　制以及程序的下载，Ｓｉｍｏｔｉｏｎ提供了更大灵活性。该系统可　以同时支持多种编程语言。除了梯形图ＬＡＤ、功能块图ＦＢＤ　和基于文本的高级语言ＳＴ（符合ＩＥＣ　６１　１３１的结构化文本）以　外，也可以使用运动控制图ＭＣＣ来编制运动顺序。使用驱　动控制图ＤＣＣ以结构化方式，可以轻易地实现增强型控制任　务。用户程序中ＬＡＤ编程与ＭＣＣ编程示意图，如图９所示。　４．３程序流程　主程序流程图如图１所示，　一　【　：　｝ｌ　　ｌｃｕｔ　ｈｅａｄ．．　ｉｆｎｉｓｈｅｄ　—｛＿。。。ｓｈ．．ｃｕｔｔｉｎｇ　一　一　ｈｅａｄ　ａｕｔｏ　一　————１　ｊ　ｒ…ｌ—　—————————————————　　ｊ０２６一Ｔｉｔｌｅ　｛ｃｏｍｍｅｎｔ　ｃｕｔ　ｈｅａｄ　ｓｈｃｕｔｔｉｎｇ　　Ｉｆｉｎｉｓｈｅｄ　ｔａｉＩ　ａｕｔｏ　＿＿一ｊｌ＿　图１　０线材生产线飞剪运动控制系统主程序流程图　５结柬语　图９用户程序中ＬＡＤ编程与ＭＣＣ编程示意图　经过对棒线材飞剪控制系统的硬件配置和控制软件的分　４．４主程序流程图　根据工艺要求和对Ｓｉｍｏｔｉｏｎ系统的认真研究编写出飞剪　控制系统的飞剪点动、飞剪仿真、飞剪自动剪切、飞剪同步　等２Ｏ几个用户子程序。线材生产线飞剪控制系统主程序流程　图如ｌ０所示。　析研究，以及对Ｓｉｍｏｔｉｏｎ运动控制的研究与编程测试，对飞　剪及其控制了解的更加深入，使用Ｓｉｍｏｔｉｏｎ　Ｄ４３５来控制飞剪　优越性突出，值得大力推广应用。　参考文献（略）　（ｆ　接４７页）　６结束语　从上面的分析表明，不确定性存在于故障诊断的整个过　程。而其中最主要的不确定性是传统诊断过程本身带来的，　也是基于单参数系统本身固有的。多传感器数据融合技术正　是处理这种不确定性的方法。所以从系统工程的角度分析，　多传感器数据融合技术在故障诊断问题上比单纯从某项诊断　辜　参考文献　…１谭逢友．卢宏伟，刘成俊，等．信息融合技术在机械故障诊断中　的应用Ｕ】．重庆大学学报（自然科学版），２００６（０１）．　【２】ＳａｓｈｉｋａｌａＭｉｓｈｒａ，ＳｕｎｉｔａＰａｔｅｌ，ＫａｉｌａｓｈＳｈａｗ，Ｄｅｂａｈｕｔｉ　Ｍｉｓｈｒａ．Ａ　Ｃｌａｓｓｉｉｆｅｒ　Ｆｕｓｉｏｎ　Ａｐｐｒｏａｃｈ　ｆｏｒ　Ｍｉｃｒｏａｒｒａｙ　Ｄａｔａ　Ｓｅｔ［Ｊ】．Ｐｒｏｃｅｄｉａ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．２０１２（３８）：１０５０—１０５４．　技术上的改进更具有合理性。　［３】杨勃，卜英勇，黄剑飞，等多核信息融合模型及其应用　仪器　仪表学报，２０１０（３１）：２４８—２５１．　作者简介　张宁波（１９８８一）男硕士，现就读于中北大学，主要研　究方向为模式识别与智能系统。　【４】姜万录，吴胜强．基于ＳＶＭ和证据理论的多数据融合故障诊断方　法　仪器仪表学报，２０１０（３１）：１７３８—１７４２．　６４　ｌ　｛ＰＬＣ＆ＦＡ））