碳钢板切割:45号首钢160mm×590×620.jpg
无锡佳商特经贸有限公司钢板切割事业部 薄钢板切割精度测量装置的研制 Research and Development ofMeasuring Device of Cutting Accuracy for Steel Sheets
摘 要: 钢板出厂前必须进行切割精度检验, 以满足用户的需求。针对常规薄钢板检测过程自动化程度不高、耗时较长等特点, 提出了基于S7-300 PLC的薄钢板切割精度测量装置;
同时考虑到常规检测测量精度不高、误差较大等不足, 提出了基于解析几何的数学计算模型。该装置实现了薄钢板对角线差、高度以及斜切率的测量。经现场运行使用表明, 装置
运行稳定可靠、测量精度较高、操作方便。 关键词: 切割精度 薄钢板 测量装置 计算模型 PLC S7-300 中图分类号: TP216. 1 文献标志码: A Abstract: T om eet the demands o f users, it is necessary to check the cutting accuracy for stee l shee ts before being dispatched from the factory.A mi ing
at the features of conventional detecting process for stee l sheets, .i e. low level o f automa tion and tmi e consum ing, themeasuring devicebased on S7-300
PLC is proposed. In addition, considering the disadvantages of lower detection accuracy and higher error rate, themathem at-ical ca lculationm ode l based on
ana lytic geom etry is also put forw ard. The dev ice can be used tom easure diagonal difference, height and the obliquecutting rate o f the steel sheets.
The fie ld operation ind icates that the dev ice is easily operated, stable, reliable and o ffers h igherm easuringaccuracy. Keywords: Cutting accuracy Steel sheet Measuring dev ice Ca lculation model PLC S7-300 0 引言 随着现代科学技术的快速发展, 钢铁行业竞争日趋激烈。在钢铁厂的薄钢板生产中, 不论是轧制过程还是最终成品阶段, 对薄钢板的尺寸精度和外形轮廓都有较高的要求。为了达
到最佳的轧制效果和收得率, 薄钢板的垂直度和切割精度的检测就显得尤为重要[ 1]。薄钢板通过横切机剪切完成后, 相邻两边通常不能达到完全垂直, 但是人眼无法识别这其中
微小的差异, 要验证切割后的薄钢板是否合格, 就需要一种精密的测量设备对切割精度进行测量。为此, 本文设计了一套用于薄钢板切割精度的测量装置。出于对整个系统可靠性
的考虑, 选用了西门子公司生产的S7-300 PLC( 315-2DP )控制器。该控制器具有体积小、速度快、网络通信能力强以及可靠性高等优点[2- 3]。
1 测量装置的总体设计 根据薄钢板切割精度的测量要求, 选用西门子S 7-300、伺服电机S mi aticS120、GIVI光栅尺、Sony多轴探规接口模块MG20-DT 和6个探规DT12P等设备,组成了测量装置。薄钢板切
割精度测量装置的系统总体结构如图1所示。图1 系统总体结构F ig. 1 The overa ll structure of the sy stem本系统的上位机选用触摸屏TP270, 用于对系统进行控制和监测,
下位机S7-300 PLC作为主控制器。在整个测量过程中, PLC 控制器根据编制的程序来控制电机的速度和移动方向, 并按照Profibus总线通信协议, 将速度命令信号发送给变频器
CU310DP。变频器获得命令信号后执行动作并将运行状态和故障报警信号反馈给PLC。测量装置通过西门子的高速计数器模块FM350-1和光栅尺的配合来完成电机的定位功能, 从而实
现对3个移动的探规进行准确定位。探规DT 12P通过气阀伸缩来完成位移量的测量, 所测位移数据上传给多轴探规接口模块MG20-DT, PLC 控制器通过串口与63薄钢板切割精度测量
装置的研制 PROCESS AUTOMATION IN STRUMENTATION Vol1 31 N o17 July 2010MG20-DT 通信获得探规DT 12P 所测量的6个位移数据; 然后通过计算模型得到待测薄钢板的实际高
度、对角线差和斜切率, 从而判断待测薄钢板的切割精度是否在允许误差之内, 并将测量结果显示在触摸屏上。触摸屏TP270同样通过Profibus总线和PLC 进行实时通信, 并且对整
个系统进行监控, 操作人员可通过触摸屏直接进行操作。
1. 1 S7-300 PLC 的硬件配置由于在薄钢板切割精度测量装置中, 触摸屏TP270和变频器CU310DP均通过P rofibus总线和PLC进行实时通信, 因此, 选用了S7-300中具有2个DP接口的
CPU模块, 即CPU 315-2 DP。同时, 选择串口通信模块CP 340-RS-232C 实现了PLC与多轴探规接口模块MG20-DT 的通信, 并选择高速计数器模块FM350-1与光栅尺配合实现电机的精
确定位。
系统总共有5个数字量输入信号: 1个光栅尺计数清零限位开关、1个上部保护限位开关、1个下部保护限位开关、1个紧急停车和1个脚踩测量信号。因此, 可选择数字量输入模块D
I16 @DC 24V。该模块具有16个数字量输入信号, 便于系统输入功能的扩展。系统共有6个数字量输出信号, 即6个气阀的启动信号, 它们用于实现驱动探规。因此, 可选择数字量输
出模块DO16 @DC 24 V /0. 5A。选用的数字量输出模块具有16个数字量输出信号, 便于系统输出功能的扩展。系统选择DC 24 V /2 A电源模块为PLC各模块提供工作所需要的24V电
源。CPU 模块、串口通信模块、输入模块、输出模块和计数模块通过背板总线连接[ 3]。
1. 2 软件设计 测量装置中的程序设计主要包括零位校准、标准板校准、系统复位、探规调试、切割精度测量、电机定位控制及故障报警等功能的设计。下位机程序设计使用Step 7 V5. 3 软件平
台进行PLC 程序的编写。Step 7V5. 3支持梯形图、Smi atic指令和功能图的程序编写,具有指令丰富、结构清晰、编程方便的优点[ 4- 5]。为了保证测量精度, 测量装置上电后必
须进行零位校准。操作人员启动零位校准功能后, 电机控制移动机械臂轻触安装在机械平台上部的光栅尺计数清零限位开关和下部的零位保护开关, 然后移动机械臂向下定位在系
统零位处, 最后通过探规读数和限位开关安装位置, 获得移动机械臂定位的零位修正值, 以此保证每次开机后测量数据的准确性。而测量装置每隔一个季度或半年应进行一次标准
板的校验, 这样可以避免因探规使用时间过长造成探规特性改变而引起的系统误差。校验功能设置了用户权限, 操作人员需要通过密码验证才能运行标准板的校验功能, 这样可防
止现场操作人员误操作而导致系统参数的改变。图2为测量装置中的PLC控制程序流程图。图2 PLC 控制程序流程图Fig. 2 Flowchart of PLC contro l program经零位校准后, 系
统进入到测量状态, 每次测量后系统会自动复位。测量装置中上位机选用西门子的OP操作监视站TP270, 并运用W inCC软件进行上位机的组态, TP270通过P rofibus总线与下位机
PLC 进行通信。Smi aticW inCC flex ible工程软件集控制技术、数据库技术、人机界面技术、网络技术和图形技术于一身, 包含动态显示、报警、控件、趋势及网络通信等组件,
为用户提供了友好的人机界面, 使用户在不需要编写程序代码的情况下即可生成自己需要的应用软件[ 6- 7] 。
2 计算模型设计 2. 1 钢板切割精度的定义及数学描述 钢铁行业中所规定的板长偏差和对角线偏差, 从本质上讲就是对横切机切割的加工精度, 即切割精度提出的要求。切割精度中的板长偏差是指切割完成后, 薄钢板的实际测量长度L
c与薄钢板的设定长度L之间的差值, 它反映了薄钢板的实际板长偏离设定要求的程度。若以$L 来表示板长偏差, 则有:$L = Lc- L ( 1)切割精度中的对角线偏差是指薄钢板对角线
的实际测量长度Dc1 或Dc2与薄钢板的理论对角线长度D之间的差值, 它反映了薄钢板接近矩形的程度。薄钢板理论对角线长度D 指的是以薄钢板的设定长度L64薄钢板切割精度测量
装置的研制 张 琪, 等5自动化仪表6第31卷第7期 2010年7月和薄钢板的带净宽H 分别为长和宽的矩形对角线的长度。若以$D 来表示对角线偏差, 则有:$D = Dc1 -D 或$D = Dc2 - D ( 2)式中: D = L2+H 2。工程上通常采用Dc1 或Dc2 的差值来表示对角线偏差, 即:$D =Dc1- Dc2( 3)
2. 2 计算模型 根据切割精度的定义及数学描述, 设计实现的薄钢板切割精度测量的计算模型如图3所示。图3 计算模型示意图Fig. 3 Schem atic o f the ca lculation m odel为避免探规及光
栅尺的安装误差对测量结果的影响, 可利用标准板修正系统误差。运用测量装置的标准板校验功能, 可以获得一组标准板的探规读数xi。这一组参数与6个探规之间的距离yi 一起
作为系统的初始化结构参数。通过运行测量装置的测量功能,可以获得一组待测板的探规读数x ci, 则待测板和标准板差值的绝对值为:$xi = |xci- xi | i= 1, 2, ,, 6 ( 4)式中
: i为探规的位置编号。固定在测量平台右侧面的3个探规所测量得到的待测板和标准板差值的绝对值$xi总是满足$x1 <$x2 < $x3, 而测量平台上部可移动的3个探规所测量得到的
$xi 存在2种情况。因此, 可将计算模型分为2种情况, 即计算模型1的条件为$x4 < $x5 < $x6; 计算模型2的条件为$x6 < $x5 < $x4。在测量前, 操作人员需要在触摸屏上输入待
测板的设定板高h和板宽a, 并根据结构参数xi 和yi 以及待测板的探规读数xci, 完成待测板切割精度的计算。图3为计算模型1的情况, 待测板和标准板差值的绝对值$xi 可以通过
式( 4)计算得到, 角b 和角c可以通过式( 5) ~ 式( 6)计算得到。N b= arctan$x2y1 + y2 ( 5) N c= arctan | $x4 - $x6 | y4 + y5 ( 6) 根据三角形的余弦定理和勾股定理可计算得到 AE 和GE, 即: AE = [ ( y4 + y5 + y6 ) tanc+ $x6 + h] ( 1+ tanb tanc ) ( 7) GE = a cosb + AE tanb ( 8) 式中: AE 和GE 为直角三角形AGE 的2个直角边, 其 中AE 为待测板的实际板高。 由勾股定理可得对角线AG 和PF, 即: AG = AE2 + GE2 ( 9) PF = AE cosb - a sinc cos( b + c ) cosb - atanb 2 + a2 ( 10) 因此, 待测板的对角线偏差为(AG - PF ), 高度为AE, 斜切率为tanb。当$x6 < $x5 < $x4 时, 计算模型2的计算与上述计算模型1的计算方法类同。 3 结束语 薄钢板切割精度测量装置投入使用后运行正常,而且经过现场测试和对比性实验验证, 对不同规格的薄钢板的测量均可以获得较高的测量精度, 满足了现场测试及使用的要求。薄钢
板切割精度测量装置中采用PLC作为下位机, 使系统的运行可靠、维护简单, 模块化的设计方便以后的扩展和升级; 上位机采用触摸屏, 人机界面友好, 方便现场操作人员的使用。 参考文献 [ 1 ] 王进, 徐小雷. 非接触式方坯自动定尺切割系统[ J] . 冶金自动化, 2000, 24 ( 5) : 53- 54. [ 2] 龚仲华. S7-200 /300 /400 PLC应用技术) ) ) 通用篇[M ] . 北京:人民邮电出版社, 2007. [ 3 ] 西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团. S imatic S7-300 系统手册[M ] . 北京: 西门子(中国)有限公司, 2004. [ 4 ] 廖常初. S7-300 /400 PLC应用技术[M ] . 北京: 机械工业出版社, 2005. [ 5 ] 西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团. 深入浅出西门子S7-300 PLC [M ] . 北京: 西门子(中国)有限公司, 2004. [ 6 ] 高勇, 宫亮, 杨煜普. 基于P rof ibus总线变频器通信研究和实现[ J] .微计算机信息, 2008, 6( 1): 18- 19. [ 7 ] 梁剑雄, 邓水先. 高可靠性PLC控制系统设计点滴[ J ]. 自动化仪表, 2005, 26 ( 12) : 58- 60.65 薄钢板切割精度测量装置的研制
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