摘要：剪切机组作为金属板带加工领域的关键装备，其用途是按照客户带钢成品宽度的要求进行切边，并依据重量及长度规格实现自动分切。该机组机构紧凑，总长一般控制在13m以内，运行速度较快，无取向中低牌号时速可达500m/min，取向剪切机组350m/min。由于设备长度有限、运行速度高，使得上卸钢卷操作过程较为复杂，人工确认环节较多。不仅劳动强度大，也易引发设备的误操作，因此，提升上卸钢卷的自动化水平尤为重要。本文从自动上卸钢卷控制系统的硬件组成、自动功能的描述、控制策略及实现方法等多方面进行了详细介绍。重点对自动上卷过程中的钢卷外径、横移编码器数据计算；钢卷高度对中、宽度对的控制策略及计算方法中结合着示意图及SFC、CFC控制进行了详细的介绍。

　　关键词：剪切机组；钢卷外径计算；对中；SFC控制；CFC控制

　　冷轧剪切机组，是一条集成多工序的自动化生产线，其核心设备链涵盖上钢卷小车、开卷机、开头夹送辊、切头剪、入口稳定辊、圆盘剪、1#夹送辊、2#夹送辊、转向辊、分切剪、卷取机及卸钢卷小车等关键单元，各设备通过PLC控制系统实现协同联动。机组全面集成了自动上卷、自动卸卷、自动穿带、自动分切、自动收尾等全流程自动化功能，其中自动上卸钢卷控制功能作为衔接原料输入与成品输出的核心环节，直接决定了机组的整体运行效率与自动化水平。该功能的控制思路典型清晰，通过将复杂的上卸卷流程拆解为标准化的动作单元，结合基于几何关系与工艺参数的数学控制模型，使整个控制过程既直观明了又具备极强的顺序性，为机组实现7×24h稳定运行提供了重要的技术支撑，有效降低了因工序衔接不畅导致的生产中断风险。

　　1自动上卷功能及控制策略

　　1.1自动上卷控制系统组成

　　自动上卷系统以“上卷小车为核心执行单元，传感器为精准感知终端，PLC控制器为逻辑运算中枢”的三位一体架构构建，各组件之间通过工业以太网与Profibus-DP现场总线实现数据高速交互，协同完成钢卷从入口存料台到开卷机卷筒的全程精准输送，整个过程无需人工介入核心操作，仅需在关键节点进行安全确认。

　　入口鞍座作为来料钢卷的首要承载与检测单元，其设计承载能力需匹配生产线最大钢卷重量，故设定最大承载重量为30t。为确保钢卷存放状态检测的可靠性，鞍座上特别安装了TURK品牌的NI4-M12-AD4X型接近开关，该开关采用电感式检测原理，通过感应钢卷底部与开关之间的磁场变化生成压力信号，能够实时反馈鞍座是否有钢卷存放，有效杜绝了因检测盲区导致的漏检以及因电磁干扰引发的误检情况，为后续流程启动提供了精准的初始信号。

　　上卷小车采用四轮驱动式结构设计，这种结构相较于两轮驱动，能够显著提升小车在轨道上的运行稳定性，避免因钢卷重量分布不均导致的小车偏载或卡顿。小车主体由轨道、承重车体、横移传动机构、升降执行机构及活动铺板组成。横移驱动系统选用西门子1LE0001-1DB42-1AA4型交流变频电机，该电机额定功率7.5kW，额定转速1480r/min，具备启动扭矩大、运行噪音低的特点，通过开式齿轮传动机构带动两侧车轮同步转动，确保小车在轨道上平稳移动；升降机构则由升降“V”型托架、升降液压缸及液压锁组成，其中升降液压缸缸径125mm，最大行程500mm，能够满足不同规格钢卷的升降需求。

　　“V”型托架作为直接承载钢卷的关键部件，其材质与加工工艺直接影响使用寿命与钢卷防护效果，故采用45#优质碳素结构钢进行整体锻造加工，锻造后通过高频淬火处理使表面硬度达到HRC50-55，这种处理方式不仅增强了托架的耐磨性能，能够抵抗钢卷长期放置造成的局部磨损，还提高了托架的抗变形能力，避免因钢卷重量过大导致托架出现永久形变，确保钢卷支撑的稳定性。

　　小车运行精度的控制核心在于传感检测系统的精准性与可靠性，升降高度与横移距离的实时测量均通过海德汉ERN 1387型绝对值编码器实现。该编码器分辨率高达4096线，能够将机械位移量转化为高精度的电脉冲信号，其最突出的优势是支持断电记忆功能，即在设备突然断电后，能够保存当前的位置数据，再次启动时无需进行回零操作，有效避免了传统增量式编码器重启回零过程中产生的定位误差，为连续生产的稳定性提供了重要保障。

　　钢卷参数测量环节依赖对称布置的测宽、测高光电架，这种对称结构能够有效抵消车间振动或光线偏移对检测精度的影响。右侧光电架上安装基恩士LV-H32型光电开关本体，该开关采用激光检测原理，检测距离范围0~3m，响应时间仅1ms，能够快速捕捉钢卷边缘的位置变化；左侧光电架则安装高反光率的专用反射板，反射板表面经过特殊涂层处理，即使在冷轧车间常见的粉尘、油污环境下，仍能稳定反射激光信号，最大限度减少了环境因素对检测精度的干扰，确保钢卷尺寸测量数据的真实性。

　　为实现钢卷输送过程的柔性控制，避免刚性动作导致的钢卷损伤，系统采用比例控制技术对小车的升降与横移动作进行调节。其中，升降液压缸通过比例压力阀与比例流量阀的协同控制，实现升降速度与输出力的精准调节；横移电机则由6SE70变频器进行矢量控制，可根据工艺需求实现转速的平滑调节。

　　系统设定的升降速度范围为0~75mm/s，横移速度范围为0~200mm/s，这些速度参数并非固定值，而是能够根据钢卷的实际重量、外径尺寸进行动态调整。例如，对于重量较大、外径较宽的钢卷，系统会自动降低运行速度，以减小惯性力对钢卷稳定性的影响；对于小规格轻载钢卷，则可提高速度以提升生产效率，从而满足不同工况下的生产需求。

　　1.2自动上卷控制逻辑及功能描述

　　自动上卷过程严格遵循“信号检测—动作执行—数据计算—精准对中—人工确认—完成上卷”的闭环控制流程，该流程通过PLC内部的逻辑程序进行固化，各环节之间设置明确的联锁条件，确保前一环节未完成或出现异常时，后续环节无法启动，从而保障整个操作过程的精准性与安全性。这种闭环控制模式不仅降低了人工干预的难度，更有效避免了因人为操作失误导致的生产事故。

　　流程启动后，系统首先进入信号检测阶段，通过入口鞍座上的TURK接近开关逐一扫描1#、2#鞍座的钢卷存放状态。为优化生产效率，程序预设了钢卷选择逻辑。若两个鞍座同时检测到钢卷信号，系统默认优先选择1#鞍座的钢卷进行上卷作业；若1#鞍座无钢卷则自动切换至2#鞍座，若双鞍座均无钢卷则触发“无料”报警，提示操作人员补料。

　　确认钢卷位置后，CFC控制逻辑通过输出控制信号驱动横移电机启动，上卷小车沿轨道自动行走至目标钢卷的正下方位置，这一过程中横移编码器实时反馈小车位置数据，PLC通过对比目标位置与实际位置的偏差，动态调整电机转速，实现小车的精准定位。到位后，升降机构根据程序预设的初始高度参数启动上升动作，液压缸带动“V”型托架缓慢上升，将钢卷平稳托起至脱离鞍座表面约10mm的高度，此时编码器将实时采集的升降高度与行走距离数据反馈至PLC的模拟量输入模块，经数据处理后与预设值进行对比，确保动作精度符合要求。

　　小车托举钢卷沿轨道继续横移，当进入光电架覆盖的检测区域时，系统自动触发钢卷参数测量流程，这一过程由SFC程序主导控制。测高光电开关分别安装在不同高度位置，通过检测钢卷上边缘对激光光线的遮挡与透光状态，结合升降编码器采集的实时升降距离数据，系统能够精准判断钢卷的外径范围；测宽光电开关C则安装在水平方向，当钢卷边缘进入检测区域时遮挡光线，钢卷完全通过后光线恢复，系统通过记录遮挡时间，并结合小车横移的实时速度，利用“宽度=速度×时间”的公式计算出钢卷的实际宽度。

　　完成钢卷参数测量后，系统从数据库中调用预设的开卷机芯轴机械位置参数，在SFC程序的顺序控制与CFC程序的连续调节协同作用下，逐步调整小车的横移位置与升降高度，使钢卷的中心轴线与开卷机卷筒的中心轴线实现精准对齐，即完成钢卷的宽度及高度对中操作。

　　对中操作完成后，自动上卷功能进入暂停状态，这一设计是为了引入人工安全确认环节，避免因设备检测盲区导致的风险。岗位人员通过现场操作台的1080P高清摄像头观察钢卷内径与开卷机芯轴的中心高度偏差，同时检查钢卷内孔是否存在变形、损伤等缺陷。

　　1.3自动上卷核心环节实现方法

　　1.3.1启动控制与速度调节

　　自动上卷启动采用CFC逻辑连锁控制，需同时满足四项输入条件。鞍座钢卷检测信号正常、开卷机待机、小车无故障报警、急停按钮未触发，所有条件达标后触发SFC程序启动指令。速度调节采用“双档位+自动切换”机制。横移与升降速度均设低速（横移30mm/s、升降15mm/s）与高速（横移200mm/s、升降75mm/s）两档。CFC程序通过调用“CFC DRIVER(NOT T400)”标准功能块实现电机控制。控制字1设定启停与正反转（第0位为“1”时启动），控制字2通过4-20mA模拟量信号设定速度给定值。升降速度通过PLC模拟量输出模块（西门子SM332）调整比例阀开度实现转换。程序通过鞍座压力传感器间接测量钢卷重量（压力与重量换算系数0.03MPa/t），自动匹配速度档位，如30t重钢卷优先采用低速模式，避免惯性导致偏移。

　　1.3.2编码器数据处理与距离计算

　　距离计算核心是基于脉冲当量的精准转换。横移编码器脉冲当量经现场校准为323.39（0.01mm/脉冲），即每323.39个脉冲对应横移1mm；升降编码器脉冲当量为1093.274（0.01mm/脉冲）。编码器实时采集脉冲信号，经PLC模拟量输入模块转换为数字量后，调用CFC距离计算函数得出实际移动距离。

　　为消除累计误差，系统设计编码器清零机制。小车运行至内极限位置时，施耐德XCKN2102P20接近开关触发信号，PLC自动将当前脉冲数清零，确保每次测量基准一致，保障连续生产稳定性。

　　1.3.3钢卷外径测量与高度对中

　　钢卷外径测量结合几何模型与工况自适应调整，核心是利用鞍座“V”型槽夹角α=30°（“V”型槽夹角60°)的几何关系，通过测高光电开关信号与升降距离计算外径。机组设定临界钢卷外径1380mm（结合最大外径2100mm、最小外径1100mm及小车最大升降行程500mm计算得出），实现大、小卷差异化测量。

　　1.3.4钢卷宽度对中控制

　　宽度对中核心是通过精准计算横移距离，确保钢卷中心与开卷机卷筒中心对齐，结合参数L（光电架与卷筒中心距离3000mm）实现闭环控制。

　　宽度测量流程。小车托卷横移至测宽光电开关C处，钢卷边缘遮挡光线触发#act信号，程序将此时横移距离存入#stat1变量；钢卷完全通过后信号断开，当前距离与#stat1差值即为钢卷宽度Ls（#width变量）。

　　SFC系统控制小车以30mm/s低速移动至目标位置，开卷机旁的基恩士LK-G80激光对中仪（精度±0.1mm）进行偏差检测，若偏差超2mm，触发微调指令（0.5mm/次）直至达标。

　　系统支持对中精度阈值动态调整，通过读取ERP系统钢种代码，冷轧硅钢（0.3~0.5mm）阈值设为≤1mm，普通冷轧钢（1~2mm）设为≤3mm，满足多样化生产需求。

　　2自动卸卷控制流程

　　自动卸卷以卷取机分切完成为触发信号，流程如下：卷取机发送卸卷请求，系统确认其制动张力降至5kN（避免钢卷变形）后，卸卷小车启动并横移至卷取机卷筒下方；小车以15mm/s低速上升，压力检测开关实时反馈数据，当压力达5MPa（30t钢卷重力换算压力，含0.2MPa安全余量）时，系统发送缩径指令，卷取机卷筒缩径（直径小于钢卷内径5mm），钢卷平稳落至“V”型托架。

　　小车托卷横移至出口光电架处暂停，岗位人员通过HMI观察钢卷外观质量并选择目标工位，确认后系统调用对应公式计算横移距离。

　　小车以200mm/s高速横移至目标工位上方，再以10mm/s低速下降放置钢卷。为避免碰撞划伤，系统设计缓冲机制。下降至距存料台100mm时，速度从75mm/s降至10mm/s，压力传感器监测到接触压力达0.5MPa时立即停降，确保放置平稳无冲击。

　　3应用成效与优化方向

　　3.1应用成效

　　该自动上卸卷系统在首钢冷轧厂剪切机组应用后，展现出显著技术与经济效益。测量精度优异，卷径测量误差≤5mm，对中偏差≤2mm；操作便捷性提升，实现一键式启动，月均故障次数≤1次，年度维护费用约2万元；生产效能显著提高，机组生产效率提升15%（每班产量从80吨增至92吨），减少岗位人员1至2人，变频器节能率约10%，液压系统能耗降低8%，增强了产品市场竞争力。

　　系统具备较强工艺适配性，通过HMI可调整速度参数适应不同钢种需求，如针对高强度钢将横移速度降至150mm/s，避免位置偏移，适用于冷轧硅钢、镀锌板等高精度带钢生产，在有色金属带材剪切生产线中同样具备推广价值。

　　3.2现存问题与优化方向

　　当前系统在钢卷宽度测量环节存在不足。光电开关易被钢卷标签（宽50mm、厚0.1mm）、车间粉尘、人员误入等异物遮挡，导致宽度测量偏差，影响对中精度，严重时引发分切尺寸超差。针对该问题，提出三方面优化方案。

　　第一，硬件防护优化。在光电架旁安装压缩空气自动吹气装置（压力0.4MPa，每10min吹气10s），定期清除镜头粉尘；设置防护栏与警示灯，防止人员误入检测区域。

　　第二，软件算法改进。在测宽程序中加入异物判断逻辑，遮挡时间小于0.5s判定为异物干扰，忽略该信号；遮挡时间大于2s且信号不稳定则触发报警，提示维护人员检查。

　　第三，多传感器融合。新增激光测距传感器（0~5m，精度±0.1mm），对比光电开关与激光传感器数据，偏差超3mm时自动选择高可信度数据，提升测量精度。