在上一章节中，我们介绍了轮切应用的工艺描述，常见的机械结构以及轮切的工艺需求。本章节我们将介绍轮切应用的不同控制方案，西门子提供的轮切的解决方案以及不同方案的区别和对比。
在热连轧机或棒线材生产线中的轮切设备，主要用于对轧件进行切头、切尾和定长剪切，是对运动的工件实施剪切的设备。其中，启停式轮切的电动机和剪刃之间为直接固定连接或通过减速箱固定连接。不剪切时，电动机处于停止状态，当需要剪切时，电机快速启动，并在剪刃旋转的区间内，使剪刃线速度达到与工件同步，然后实施剪切。在剪切后，电动机进行快速制动定位，返回原点停止，并准备下一次剪切。
在金属板材、瓦楞纸等生产线中的轮切设备，主要用于连续定长剪切，在剪切过程中需要改变生产线速度及剪切尺寸，有的场合需要根据材料上的色标信号进行调整校正，根据剪切长度与刀辊周长关系在线生成不同CAM曲线。在剪切金属板材时由于剪切力较大，剪刀一般设计成V型刀或者斜刀，由于板材宽度比较大，所以剪切行程也较大，同步区就大，在进入同步区时需要考虑水平方向的速度分量与剪切角度的关系。由于剪刀的剪切轨迹不同，随着剪切过程同步角度逐渐变小，随着剪切过程剪刀逐步重叠轮切刀等效半径也逐渐变小，结合这两点在同步区较大的应用场合需要对同步区同步曲线做非线性调整，以保证在水平方向的速度分量与材料速度同步，详细请参考后续章节。
轮切应用的控制方案多种多样，核心功能是保证轮切机剪切时，轮切剪刃在材料运动方向的分速度与材料运动速度保持相等，常见的控制方案有：
PLC+变频器（直流驱动器）方案：
PLC进行长度控制，控制变频器起停和速度给定，传动装置完成位置控制和速度控制。长度控制由PLC根据传感器检测的有料信号和高速计数器计算的长度，综合考虑当前线速度[mm/ms]对应的剪切延迟时间[ms]等等以后，CPU计算得出执行延迟时间[ms]，向传动系统发出剪切令以及剪切速度给定，在剪切时刀轴与材料轴是速度同步。当收到CPU发来的剪切令后，电机按变频器的斜坡函数发生器的输出加速到剪切速度。在检测到零位信号(一个安装在刀盘机架上的接近开关)后，剪切完毕通过变频器软件中的切换器，切换到位置控制，由位置调节器的输出控制速度并在等待位置时停止。之后软件切换回PLC给定的速度控制，等待下一次剪切。
这种控制策略是速度控制下的剪切和位置控制下的转回起始点，刀盘不需要脉冲编码器或位置编码器，刀盘上只需一个接近开关，电机上配有普通的脉冲编码器，来自末架轧机或剪前夹送辊的脉冲编码器信号连接到PLC高速技术模块中。当材料头部出现时，传感器信号直接触发高数计数器计数，当材料尾部出现时，通过软件关闭计数器并对计数值清零。CPU根据计数值计算剪切命令。此种方案本质是定时剪切，系统各项与精度有关的切头、切尾、倍尺长度的补偿调整[mm]，其本质也是通过发出的剪切令的时间来实现的。此种方案在传动这边没有切入角/切出角的位置的概念，系统调试时需保证刀盘起动并加速转到剪切点之前速度已加速到了同步速度，也就是以要求的最快线速度为参考来调试斜坡加减速时间和圆弧时间。此种方案的轮切在定长切割时，其在剪切完成后必须制动并准确停止在等待位置，否则无法完成进行下一次剪切。此种方案的特点是系统简单，硬件成本低，各种剪切功能切换起来较灵活，但剪切精度较低，且精度很难进一步提高，这种方案的轮切应用也不适合应用在分段长度较小的场合。
PLC+工艺板方案：
传统的以PLC为核心的轮切控制系统，系统组件较多，除传动以外，还需要各种传感器的I/O模块、高速计数模块、CPU与传动间的现场总线通讯和CPU与上位的网络等，且CPU的性能直接影响到剪切精度，CPU与传动装置间的网络传输时间，必然会影响到精度，且这一点难以改善。
在传动装置中配置专用的运动控制工艺板，工艺板内置轮切工艺软件，完成长度控制和位置控制等轮切控制，上位PLC仅处理其它辅助功能。由于工艺板直接安装在传动中，控制数据直接交换而几乎没有延迟，且集成度高，本身集成了控制所需的DI/DO、AI/AO、外部编码器输入等。工艺板内置有剪切标准工艺软件，实现长度控制，位置控制等，工艺板在使用时通过访问及设置参数的方式进行编程和调试。此种方案的特点是，由工艺板控制轮切，它实现了位置、速度、电流的三闭环控制，集成于驱动器内部，通信时几乎没有延迟，程序循环周期极短，再加上先进的控制模型，从而能够实现很高的剪切精度，这是传统PLC控制难以做到的。
运动控制器方案：
由运动控制器作位置环控制根据测量编码器反馈信号控制轮切机伺服驱动系统做电子凸轮运动，实现轮切控制，运动控制器完成长度控制和位置控制等轮切运动控制，随着运动控制器和伺服驱动系统性能的不断提升，采用运动控制器的轮切解决方案和应用越来越广泛。运动控制器除了运动控制功能之外还可以运行标准用户程序及安全程序，控制整线逻辑程序运行。
西门子提供的轮切应用解决方案：
轮切应用的控制方案多种多样，以西门子产品为核心的控制系统中，常见的方案有：
- PLC+6RA70(or 6SE70)方案：
PLC通过高速计数进行长度控制，控制起停和速度给定，传动装置完成位置控制和速度控制，如6RA70和6SE70等（图1）。
图1
长度控制，由PLC根据热金属探测器（HMD）检测的有钢信号和FM350高速计数器计算的长度，综合考虑当前线速度[mm/ms]对应的剪切延迟时间[ms]等等以后，CPU计算得出执行延迟时间[ms]，向传动系统发出剪切令以及剪切速度给定。
位置控制，当收到CPU发来的剪切令后，电机按6RA70的斜坡函数发生器的输出加速到剪切速度。在检测到零位信号(一个安装在刀盘机架上的接近开关)后，剪切完毕，通过S00软件中的切换器，切换到位置控制，由位置调节器的输出控制速度并在等待位置时停止。之后S00软件切换回PLC给定的速度控制，等待下一次剪切。
- PLC+T400 SPS450+6RA70(or 6SE70)方案：
在传动装置如6RA70和6SE70的电子箱中配置专用的T300/T400工艺板，工艺板内置轮切工艺软件，完成长度控制和位置控制等轮切控制，上位PLC仅处理其它辅助功能（图2）。
图2
以T400为核心的轮切控制系统，主要控制功能均由T400完成，PLC只是传输一些工艺参数及外部信号逻辑控制。T400直接安装在传动中且集成度高，本身集成了控制所需的DI/DO、AI/AO、外部编码器输入等。T400与6RA70共用双口RAM，控制数据直接交换而几乎没有延迟。T400 SPS450内置有剪切标准工艺软件，实现长度控制，位置控制等，具体内容详见T400 SPS450介绍。T400 SPS450在使用时通过访问及设置参数的方式进行编程和调试。此种方案的特点是，由T400控制轮切，它实现了位置、速度、电流的三闭环控制，通过双口RAM与6RA70通信时几乎没有延迟，程序循环周期极短，再加上先进的控制模型，从而能够实现很高的剪切精度，这是传统PLC控制难以做到的。
T400工艺板，适用于SIMOREG DC-MASTER 6RA70，以及SIMOVERT MASTERDRIVES VC/MC等，可完成小型系统快速高精度闭环控制。
详细信息请参考链接：
- S7-300T+SINAMICS方案：
由S7-300T运动控制器配合SINAMICS系列驱动器，实现轮切应用控制，在S7-300T中即可以运行 “Cross Cutter”标准应用工艺软件，完成长度控制和位置控制等轮切运动控制，还可以运行用户程序（图3）。
详细信息请参考链接：
Technologie CPUs: Technology Template "CrossCutter" - ID: 31073433 - Industry Support Siemens
以上三种方案多应用于十多年前的设备，这里就不展开介绍了。随着PLC、运动控制器及伺服驱动功能和性能的提升，目前西门子提供的轮切应用解决方案主要有以下三种：
SIMOTION+SINAMICS方案：
图4
如图4所示，由SIMOTION运动控制器配合SINAMICS系列驱动器，实现轮切应用控制，在SIMOTION中即可以运行“SIMOTION Rotary Knife”标准应用工艺软件，完成长度控制和位置控制等轮切运动控制，还可以运行用户程序。
详细信息请参考链接：
SIMOTION Rotary Knife - ID: 37706606 - Industry Support Siemens
基于SIMATIC S7-1200/1500+SINAMICS DCB extension方案：
图5
如图5所示，基于DCC的轮切解决方案包括SINAMICS S120/S150/DCM驱动器与CU320-2/CU310-2控制单元，通过在控制单元运行” Cross-cutter application with DCB extension”标准应用工艺软件，完成长度控制和位置控制等轮切运动控制，并可以通过LMCSINA功能库快速与S7-1200/1500 PLC集成。
详细信息请参考链接：
S7-1500T+SINAMICS方案：
图6
如图6所示，由S7-1500T运动控制器配合SINAMICS系列驱动器，实现轮切应用控制，在S7-1500T中即可以运行“SIMATIC S7-1500T Rotary Knife”标准应用工艺软件，完成长度控制和位置控制等轮切运动控制，还可以运行用户程序。
详细信息请参考链接：
SIMATIC S7-1500T RotaryKnife - ID: 109757260 - Industry Support Siemens
以上这三种解决方案西门子均提供了完善的轮切应用功能库、样例程序和相应文档，便于用户快速集成和调试，针对这三种解决方案所支持的功能和区别，大家在做方案时可以结合工艺需求选择具体采用哪一种解决方案，如图7图8所示：
图7
图8
以上就是本次分享的内容，欢迎大家留言讨论，下期我们将以S7-1500T+SINAMICS轮切应用方案为例，介绍如何快速集成项目，谢谢！
【声明：本文/视频版权归西门子1847工业学习平台所有，未经允许，不得转载。】
课程答疑
1
