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案例頻道1. 安鋼高線機組設備裝備水平及3#飛剪的動作特點
1.1安鋼高線機組設備裝備水平
安鋼高速線材機組是目前國內裝備水平和自動化控制水平最高的線材生產線之一，于2001年7月熱負荷試車成功，高速區軋機設備采用美國摩根最新的模塊化軋機設備，8架NTM+4架RSM配置。高線機組整條生產線的年設計生產能力45萬噸，設計終軋速度120m/s,保證終軋速度115m/s，該生產線的重要特點是設備眾多，設備布置點多面廣，生產節奏快，控制精度要求高。在其基礎自動化控制系統中，配置了五臺西門子S7―400型PLC分別完成如下控制功能：
PLC1：加熱爐區各段輥道的速度控制和順序控制等。
PLC2：包括CONTROL和SHEAR兩個CPU，分別完成1#2#夾送輥，粗軋機中軋機的速度調、整微張力調整，1#2#3#飛剪、碎斷剪的控制，預精軋機的速度及其活套控制、故障診斷，動態速度補償及聯鎖控制，軋輥控制等。
PLC3：精軋機，減定徑機，3#夾送輥，吐絲機，STM冷卻線及其風機等。
PLC4：集卷筒及聯鎖控制，P/F線，稱重等。
PLC5：液壓站，潤滑站等輔助設備。
1.2 3#飛剪的動作特點
3#飛剪位于NTM精軋機前，用于切頭、切尾、頭部采樣、尾部采樣。剪軸安裝于1080mm垂直中心上，傳動比1：1，下位剪刀軸直接由135KW交流電機拖動。電機由公共直流母線供電方式下的逆變器驅動。這是一個電氣起―停式飛剪，對于每一次剪切，飛剪將從靜止（90度位置）加速轉過255度達到剪切位置(345度)。當一次剪切完成后，飛剪停止并且刀片通過一個位置調節器自動運動到停止位置。在剪切周期之間，位置調節器將保持飛剪在停止位置。每57秒剪切兩次。兩只鋼坯間隔時間5秒，
●3#飛剪前的切頭尾HMD啟動跟蹤系統用于切頭尾，當軋件頭部到達切頭尾HMD時啟動跟蹤定時器，直到頭部到達導向器位，剪刃才能到達剪切位置。
●3#飛剪定位：0度=垂直剪切位置；30度=剪切完成，開始停止；90度=停止位置。電動釋放制動器安裝在電機上，制動器只用于夾持，不用于停止。通常鋼坯有5秒左右間隔時間，傳動位置調節器在剪切周期之間將保持飛剪在停止位置，并且制動器一直處于釋放狀態并且不操作。
●通過飛剪的軋件最大速度=16.7米/秒，最小軋件速度=5.1米/秒，由于咬入角的原因，飛剪必須以快于軋件3.5%的速度運轉以匹配軋件速度。
●3#飛剪運行順序：以下是預設運行順序的說明，數據是根據飛剪及電機的速度295RPM進行計算的：
（1）刀刃垂直和完全嚙合的位置是0度位置。
（2）在兩次剪切之間，飛剪保持在90度停止位置。
（3）當飛剪接到剪切信號時，飛剪在0.25秒內以1.94每單位的平均扭矩在255度范圍內加速295RPM。
（4）在大約345度的嚙合角處，刀刃接觸到軋件并開始剪切。
（5）在0度位置，定位系統發出信號表明剪切已完成，在飛剪最高速度時有一個微小的速降可不計。
（6）在30度，定位系統發出信號，剪刃離開軋件，發出信號，通過回饋制動使驅動停止。
（7）飛剪在0.25秒內255度范圍內以1.94每單位的平均扭矩減速到停止。
（8）飛剪轉至285度位置停止。
（9）飛剪將反轉從285度到達90度停止位。
（10）當飛剪已被定位到90度停止位置時，位置調節器將持續使飛剪在剪切周期之間保持在此位置。
通過以上描述，我們明確了解到3#飛剪的動作特點是快速響應、瞬時起停。
2． 3#飛剪在生產過程中出現的問題及成因分析
2.1 3#飛剪在生產過程中出現的問題
3#飛剪是軋件進入成品機架的最后質量屏障。其工作如果不穩定，如在切頭切尾時發生多切或切頭超長，會直接造成軋線堆鋼，形成嚴重工藝事故，處理起來費時費力，并產生過量中間廢，降低成品產量；其如果在切頭切尾時發生不切或切頭超短，則會使進入成品機架的軋件質量得不到保障，仍會使軋線造成嚴重堆鋼工藝事故。因此，保證3#飛剪工作穩定是軋線進行正常工作的重要前提。
自投產以來，3#飛剪在生產過程中頻繁出現誤動作，表現為多切、少切或不切及現象，由此而導致的熱停機時間平均每月高達5：30，并且切頭長度一直不穩定，成為制約生產的一大難題，直接影響到高線機組的產量和質量，也直接制約了高線機組效益的增加。
2.2 3#飛剪在生產過程中出現問題的成因分析
3#飛剪的快速響應、瞬時起停特性要求該設備的電控系統性能必須十分穩定，系統響應快速精確，信號傳輸準確無誤。而3#飛剪在生產過程中發生的誤動作恰恰正是控制系統不穩定造成的。
3#飛剪控制系統控制鏈路上包含了逆變器控制回路、給3#切分剪發起停信號的熱金屬檢測器、光電信號耦合器、編碼器及編碼器電纜、軋線S7―400PLC等眾多數字化電氣元部件。控制信息在這條復雜鏈路上采集、傳輸、轉換、處理、使能過程中發生的任何微小差錯都會導致控制的全面失敗。
2.2.1信號跟蹤系統原因
從原理分析，3#飛剪發出剪切動作的信息源于給3#切分剪發起停號的熱金屬檢測器（HMD），
如果HMD有鋼信號在信道中傳輸時受到外來電磁干擾造成信號丟失或多發，飛剪則會不切或多切，最終造成堆鋼嚴重工藝事故。
2.2.2 PLC控制系統的原因
如果HMD檢測到軋件頭部到來后發出的有鋼信號經信號電纜傳輸到軋線PLC2后，SHEAR和CONTROL兩個CPU交換和處理數據的時間不穩定，則會造成切頭切尾長度不穩定。
2.2.3交流傳動系統的原因
如果3#飛剪交流傳動系統裝置CUVC和T300工藝板工作不穩定或參數設定不當造成飛剪不能按照工藝設定動作執行，同樣會造成切頭切尾長度不穩定。
2.2.4飛剪位置跟蹤系統原因
3#切分剪運行位置檢測是由瑞典LINE&LINDE公司生產的高精度增量型編碼器（ART NO：860900220）完成，該型編碼器是一種角位移和角速度測量元件，可以直接將角位移或角速度轉變成相應的脈沖序列信號，在檢測物體的位移和角度等方面有著廣泛的應用。該編碼器有A、B、Z三相信號輸出，Z相信號每轉一周輸出一個脈沖信號，用于編碼器的初始定位，A、B兩相輸出的信號波形完全相同，只是在相位上相差90度，我們利用A、B兩相信號的相位差來判別編碼器的轉向和實現對編碼器的計數。
從3#切分剪運行順序我們知道，3#切分剪的定位是靠編碼器在0度位置發出信號表明剪切已完成，定位系統通過回饋制動使驅動停止。在此過程中，位置調節器對飛剪的準確定位起著決定性作用。如果在此過程中，控制系統連續收到零位信號或零位信號在該來時不來，位置調節器將連續進行調整或不進行調整，反映在軋制過程中即是多切、少切或不切。通過分析我們知道，零位信號連續到來或在該來時不來現象的產生源自編碼器零（Z）通道信號在外部電磁干擾下發生了信號誤發或丟失。
3 3#飛剪控制系統優化方案及實施
2002年6月份以來，高線機組電氣技術人員對3#飛剪在生產過程中出現的這些問題進行了反復觀察、研究和分析，并認真解析了基礎自動化系統龐大復雜的程序結構，最終于2005年元月確定對3#飛剪這一具有大程序結構的復雜的洋設備控制系統進行優化并拿出數套方案進行實驗室仿真，最后將最優方案分步實施于生產現場。經過兩個多月的努力，于2005年3月系統優化全面完成。經過一年來的現場運行證明，此次技術改造獲得了巨大成功。
3.1 3#飛剪主程序的改進
在3#飛剪主程序CFC-ENG00-S7/PM/SHE/MAIN/DCSHMAIN中增加DB760數據塊，通過MPI網實現CONTROL與SHEAR兩個CPU間重要數據的快速交換，如軋件頭部、尾部跟蹤信號，自動堆鋼信號，軋件碎斷信號，軋件的頭部速度數據，剪切完成信號等，以提高系統的快速反應性。
在3#飛剪主程序CFC-ENG00-S7/PM/SHE/MAIN/DCSHMAIN中增加FB1053功能塊，以實時修改頭部速降補償值，穩定切頭長度。
在3#飛剪主程序CFC-ENG00-S7/PM/SHE/MAIN/DCSHMAI中增加FB1054功能塊，以修改剪切信號寬度，增加信號濾波功能，增加抗干擾能力，從軟件角度杜絕信號誤發可能，根除多切現象。
3.2優化傳動系統參數
3#飛剪傳動裝置采用西門子6SE7033-5WJ60型逆變器，其內配置的CUVC電路板負責傳動系統的優化運行，配件板T300負責3#飛剪的工藝定位，
3#飛剪要求快速起制動、突加負載動態速降小的動作特點要求傳動裝置運行必須穩定可靠，我們通過優化系統P、I調節器的相關參數以保證調速系統的良好動態跟隨性能和動態抗擾性能（包括抗負載擾動和抗電網電壓擾動）。
3.3 增強控制系統信道的EMC能力
電磁兼容性（EMC）定義的是一臺電氣設備在電磁環境下不產生令其他電氣設備不可接受的電磁干擾的情況下，令人滿意的工作能力。即不同的電氣設備不應互相影響。EMC是由與設備相關的兩個特性而決定的，即干擾輻射和抗干擾性，各類電氣設備既可能是故障源，又可能是干擾接受器。一個設備可能不但是故障源，而且同時也是受干擾設備。如果故障源沒有反過來影響干擾接受器的正常功能，則存在電磁兼容性，干擾源通常是指功率電子設備并有很大的功率消耗，為了減少干擾輻射需要復雜和昂貴的濾波器，干擾接受器尤指控制設備和傳感器，包括計算電路，增加這些低耗電設備的抗干擾能力通常比較容易和便宜。因此在工業應用環境中，增加抗干擾能力比減小干擾輻射常常更加經濟有效。根據此原則，我們選擇了增強控制系統信道抗干擾能力的方法來提高信號跟蹤可靠性。根據電氣設備產品標準EN61800―3支配，沒有必要對工作網絡執行所有的EMC措施，但對高精度要求電子環境下的電氣設備必須執行相應的特定的EMC規則：
規則1：避免不必要的電纜長度，以減少耦合電容和電感。
規則2：將備用導線在兩端接控制柜地，以增加附加的屏蔽效果。
規則3：如果電纜是緊挨著柜子地布線，相互干擾將較強。因此，柜內的連線不應隨便布置，而應盡可能地貼著柜架和安裝板，這也適用于備用電纜。
規則4：信號電纜和動力電纜必須分開布線（避免由于耦合而引入干擾），至少應保持20CM的空間。如果編碼器電纜和電動機電纜不能分開布置，那么編碼器電纜必須通過安裝金屬隔離或安裝金屬管或者金屬槽以實現解耦，金屬線槽必須多點接地。
規則5：數字信號電纜的屏蔽必須雙端接地（源和目標）
規則6：數字信號電纜應按信號組進行屏蔽
規則7：數字信號電纜應盡量遠離模擬信號電纜。
根據上述規則，我們對提高3#飛剪控制系統信道EMC能力進行了如下工作：
（1）編碼器零（Z）通道信號通道從編碼器電纜中分離出來，敷設一根單獨的編碼器零（Z）通道信號電纜。這是一項具有獨到之處的創造。它打破了人們的常規思維方式，具有開拓性意義。
（2）該控制系統信號電纜全部采用帶紡織層屏蔽的電纜代替原使用屏蔽箔式電纜，因為帶屏蔽箔的電纜的屏蔽效果要比帶紡織層屏蔽的電纜屏蔽效果差5倍。
（3）合理選擇信號電纜的敷設路徑，盡量使敷設路徑最短，且避開強電磁場的干擾。
（4）信號電纜在敷設過程中盡最大努力與動力電纜隔離敷設。
（5）信號電纜在敷設方向上確實需與動力電纜交叉的，必須呈直角方式交叉。
（6）盡量減少信號電纜裸露部分長度。
（7）信號電纜敷設全程穿鋼管，以加強屏蔽效果和電纜的安全使用。
（8）信號電纜的屏蔽必須雙端接地
4．高線機組3#飛剪控制系統優化方案實施效果
2005年3月份，高線機組3#飛剪控制系統優化方案在工業現場投入使用以來，至今已有一年多的時間。在這一年多的時間里，再未發生3#飛剪在生產過程中出現誤動作的情況，切頭切尾長度一直非常穩定，運行效果明顯，有力地促進了生產，對高線各項生產指標的完成做出了極大貢獻，生產產量得到大幅度提高，創造了極大經濟效益，這對國內同類型機組出現的相似問題提供了一套完整解決方案。
參考文獻；
1.趙剛，楊永立.軋制過程的計算機控制系統.冶金工業出版社 2002.1
2.王廷溥.軋鋼工藝學.北京：冶金工業出版社，1981
3.西門子公司.S7系列PLC用戶手冊.1999
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號