红河钢铁有限公司 云南红河 661100
摘要：阐述了冷摆剪在使用过程中的工艺特点、工作原理及存在的问题，介绍西门子S7-1500在棒材冷飞剪控制系统中的开发应用，实现定尺稳定控制，冷飞剪快速剪切和回位，提高冷飞剪剪切精度。
关键词：冷摆剪、轴定位模块、工控机、S7-1500、非定尺
1 前言
红钢轧钢厂冷摆剪主要完成定尺剪切工作，将冷床区的棒层由冷床出口辊道经剪前磁性辊道送入冷摆剪剪切成6-12m的成品定尺，然后由剪后出口升降辊道将剪切的棒层送入收集打捆站。冷摆剪控制系统采用GE9030系列产品，传动系统采用西门子6RA70系列产品，随着工业控制技术的发展，以上控制系统已经落后淘汰，为保障棒材生产的持续稳定性，应用西门子S7-1500控制系统配合高速TCU控制板对棒材冷飞剪进行升级改造，传动同步升级为西门子6RA80系列产品，实现棒材冷飞剪的连续、稳定剪切。
2 项目改造的必要性
2.1、冷摆剪GE9030控制系统方面
棒材冷摆剪GE9030控制系统的核心部分是轴定位模块，该模块需要特定控制程序驱动，属于专利产品，不便于使用。随着市场的升级换代，该备件已断货，很可能出现冷摆剪因电气元件损坏无备件更换，而被迫停产。
2.2、传动6RA70系列方面
冷摆剪所用西门子6RA70系列变频器已停产多年，备件采购较为困难，现用西门子推出新的6RA80系列产品进行替换。
2.3、冷摆剪在非定尺量方面
冷摆剪作为棒材轧制工序中重要的一环，其设备的稳定和备件的储备对整条生产线起着关键作用。冷摆剪剪切精度不高，造成较多非定尺产品，直接影响棒材成品质量及成品数量，下表为2019年非定尺量。
2019年非定尺量统计表
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由于冷摆剪剪切精度不稳定，每月产生一定数量的非定尺产品，除去每月由于倍尺短钢形成的非定尺200吨左右，由于冷摆剪剪切问题形成的非定尺在150吨左右，冷摆剪控制系统升级改造后可避免设备缺陷导致的非定尺。
综上所诉，改造后可确保棒材生产的持续性，提高棒材冷摆剪的剪切精度，减少非定尺的数量，降低冷摆剪设备故障及维护成本。
3、改造方案
3.1 冷摆剪控制设计
冷摆剪PLC控制系统采用德国西门子公司的S7-1500系列产品，配合TCU高速工艺智能模块，完成飞剪工艺控制及飞剪传动逻辑控制。控制柜内配置的TCU-CS01高速工艺智能模块承担轧件长度测量、剪刀的剪切起动、停止及回位、剪切周期等控制。S7-1500实现顺序控制、连锁功能及其它辅助功能。长度测量信号取自磁性链编码器，位置检测信号取自电机编码器。飞剪系统配有冷金属光栅检测器，用于轧件跟踪与信号容错处理，同时配合轧件测长与剪切控制。
3.2 变频器传动部分
在变频器传动装置部分，由原来的6RA70升级为6RA80系列产品，保留原功率部分，采用西门子6RA80扩容产品，根据现场需要，本次升级改造需要5套传动装置。
3.3 冷摆剪控制计算
冷摆剪的控制运算在S7-1500控制系统中完成。剪机的位置控制由装在曲柄和曲轴上的编码器来完成，调整曲柄及曲轴的位置至各自的零位，固定好编码器使其发出零脉冲，该脉冲信号的位置既是摆剪的剪切位置及剪刃的起始位置。启动速度和启动时间的控制是根据PLC算出的速度值，该值经过一个斜率可以改变的积分器输出，作为飞剪电机速度的给定。当PLC控制系统收到切头长度、定尺剪切长度后（HMD热金属检测器信号），根据设定切头长度计算启动延时时间，发出切头信号，飞剪电机的速度按一定的斜率（既设定的加速度）加速度到稳定的剪切速度进行剪切，可以根据下面的公式计算出冷摆剪的切头长度：
L=（0.001xNxD/P）-M
其中：L为棒材的切头长度、 N 为脉冲个数、 D 为磁力辊的辊径、P 为编码器旋转一周的脉冲个数、M 为检测器至剪刃的距离
当剪切一次后（无论是否切头），棒材的长度计算公式如下：
L=（0.001xNxD/P）
其中：L为棒材的切头长度、 N 为脉冲个数、 D 为磁力辊的辊径、 P 为编码器旋转一周的脉冲个数，只要L等于定尺长度，控制系统就启动剪切。剪切后系统自动将脉冲计数器清零，使长度计算重新开始。
3.3 冷摆剪制动和定位控制
飞剪启动加速度到稳定速度后，剪刃闭合进行剪切，剪切完毕后，要进行减速制动和定位控制。上述过程与剪刃的空间位置是相对应的，剪刃的空间位置是由剪刃同轴的接近开关来检测，剪刃每剪切一次，接近开关发出1个脉冲。剪刃的空间位置就与脉冲对应，计算值通过比较器与各个位置（如：下死点、定位点等）设定的脉冲数相比较，当剪刃到达该位置时，两数值相等，输出相应的逻辑控制信号。剪刃到达下死点时，逻辑控制信号为：断开原速度给定，接通制动和定位控制，计数值与定位点设定的脉冲进行比较，比较器的输出作为飞剪制动和定位控制的给定，显然比较器的输出数与剪刃定位点间的距离成正比，最后停在定位点，此时，比较器输出数为0，若剪刃“冲过”定位点，比较器输出数为负值，使电机反转将剪刃“拉回”到定位点，为下一周期的工作做好准备。
3.4 操作台改造
在CS4新增一套冷摆剪操作柜，操作柜使用不锈钢台面，内装1台7"彩色液晶监控器及1块DP通讯模块。
3.5 控制程序编辑调试
在CS4新增一台上位机，上位机要求运行在win10操作系统下，带西门子S7-1500控制软件及授权。完成现场点位的对接、程序编辑及调试，实现冷摆剪的精确剪切控制。
3.5 新增就地操作台
新增一个就地操作箱，操作箱采用喷塑面板，箱内装有DP通讯模块及远程IO模块。
3.6 新增剪后辊道传动柜
新增剪后辊道交流传动柜，传动柜内安装两台37KW的G120交流传动装置，用于控制磁力辊及剪后1段辊道。传动核心采用西门子全数字G120控制单元，传动柜主回路进线开关采用施耐德智能断路器，按钮、指示灯及中间继电器选用施耐德产品。
4、结语
通过对冷摆剪电气控制系统的升级改造，有效解决了定尺不稳定、不剪钢、剪刀反剪、备件停产等问题，提高冷摆剪工作效率及稳定性，为棒材产量和成材率的提升起到关键作用。
参考文献：
[1]冷摆剪电控系统升级改造技术[S].北京京诚瑞达电气工程技术有限公司，2019