SIMOTIOND445在冷軋管機(jī)中的應(yīng)用研究

李振華

摘 要：文章主要介紹俄羅斯CRTM350軋機(jī)電氣控制系統(tǒng)，SIMOTION D445運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)電子凸輪曲線驅(qū)動(dòng)5臺(tái)伺服電機(jī)，使之與主電機(jī)能夠完成多軸聯(lián)動(dòng)協(xié)調(diào)同步工作，實(shí)現(xiàn)雙回轉(zhuǎn)雙送進(jìn)的工藝要求。生產(chǎn)實(shí)踐證明該控制系統(tǒng)精度高、效率高且運(yùn)行可靠。

關(guān)鍵詞：SIMOTION D445；電子凸輪曲線；多軸聯(lián)動(dòng)；雙回轉(zhuǎn)雙送進(jìn)

引言

冷軋管材應(yīng)用最廣泛和最有代表性的方法是周期性冷軋管法。傳統(tǒng)的冷軋管機(jī)存在電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，軋制速度和軋制精度低，生產(chǎn)效率低等諸多問(wèn)題。文章主要介紹俄羅斯電鋼城CRTM-350冷軋管機(jī)所采用的SIMOTION運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，SIMOTION D是基于驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，集運(yùn)動(dòng)控制、邏輯控制與工藝控制功能于一身，能夠最大程度滿(mǎn)足工藝與生產(chǎn)要求。目前，SIMOTION已廣泛應(yīng)用于印刷、包裝、紡織、連續(xù)物料加工、金屬成型等行業(yè)。

1 生產(chǎn)工藝

CRTM-350三輥冷軋管機(jī)采用雙回轉(zhuǎn)雙送進(jìn)的軋制方式，主要有四個(gè)部分，主傳動(dòng)部分，回轉(zhuǎn)部分、送進(jìn)部分和輔助部分。

主傳動(dòng)部分通過(guò)電機(jī)、減速機(jī)、重錘、傳動(dòng)等裝置實(shí)現(xiàn)機(jī)架的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)孔型對(duì)管坯進(jìn)行軋制。

回轉(zhuǎn)部分包括軋制區(qū)域前段的出口卡盤(pán)，后端的出口卡盤(pán)以及固定芯棒的芯棒卡盤(pán)三部分，當(dāng)機(jī)架運(yùn)動(dòng)到前后死點(diǎn)時(shí)，三者同步同時(shí)旋轉(zhuǎn)同一設(shè)定角度，完成對(duì)管坯的旋轉(zhuǎn)。

送進(jìn)部分包括帶動(dòng)兩根絲杠的兩個(gè)送進(jìn)電機(jī)，當(dāng)機(jī)架運(yùn)動(dòng)到前后死點(diǎn)時(shí)，二者同時(shí)使絲杠按照設(shè)定值向前運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)管坯的推動(dòng)。

輔助部分主要通過(guò)液壓系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)配合電機(jī)實(shí)現(xiàn)上料和出料。

2 硬件設(shè)計(jì)

CRTM-350 軋機(jī)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要采用的是SIEMENS SIMOTION D運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

（1）控制部分。本系統(tǒng)采用SIMOTION D445作為整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制的核心，并配備4個(gè)CX32控制器作為擴(kuò)展單元。

（2）主傳動(dòng)部分。主傳動(dòng)部分采用帶CU320控制單元的S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)1臺(tái)1550KW的西門(mén)子交流電機(jī)，CU320通過(guò)DRIVE-CLiQ接口與SIMOTION D445進(jìn)行數(shù)據(jù)交換完成矢量控制。

（3）回轉(zhuǎn)和送進(jìn)部分?；剞D(zhuǎn)和送進(jìn)部分采用直接由SIMOTION D系統(tǒng)中的CX32控制器控S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)5臺(tái)西門(mén)子伺服電機(jī)，伺服驅(qū)動(dòng)部分采用共直流母線方式供電，1個(gè)整流單元和5個(gè)單電機(jī)逆變單元，采用伺服控制。

（4）輔助部分。上料和出料部分采用直接由SIMOTION D系統(tǒng)中的CX32控制器控制，SINAMACSS120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)3臺(tái)變頻電機(jī)，其中1臺(tái)實(shí)現(xiàn)變速上料，2臺(tái)實(shí)現(xiàn)同步出料，采用矢量控制。

（5）通過(guò)外加9個(gè)編碼器和SMC20模塊，對(duì)位置值進(jìn)行反饋，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

（6）MP377和TP177作為人機(jī)交互界面

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序設(shè)計(jì)

使用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件SCOUT進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，SCOUT首先實(shí)現(xiàn)SIMOTION D445和S120硬件組態(tài)和識(shí)別、驅(qū)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置、電機(jī)動(dòng)態(tài)性能的調(diào)試、故障診斷等功能。

首先進(jìn)行軸的機(jī)械參數(shù)、回零方式以及運(yùn)動(dòng)性能參數(shù)的設(shè)定。本系統(tǒng)一共包括5個(gè)伺服軸和6個(gè)矢量軸，軸的配置要與相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)單元和編碼器匹配；同時(shí)完成主從軸的同步關(guān)系設(shè)置；主從軸的回零方式設(shè)置；主從軸的動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)設(shè)置。配置完成后要利用控制面板進(jìn)行測(cè)試和分析。

其次進(jìn)行電子凸輪曲線設(shè)定，本系統(tǒng)的5個(gè)伺服軸的動(dòng)作都是取決于主軸的位置。因此，在工藝要求下根據(jù)主軸在前后死點(diǎn)的位置和速度關(guān)系繪制采樣多項(xiàng)式曲線，將主從軸進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

最后進(jìn)行控制程序編寫(xiě)，控制程序主要包括運(yùn)動(dòng)控制、邏輯控制以及工藝控制三部分。具體步驟如下。

（1）在D445項(xiàng)目中創(chuàng)建I/O變量并進(jìn)行分配，完成內(nèi)部和外部變量傳輸和控制。

（2）SCOUT軟件主要有MCC、LAD、FBD、ST等幾種編程語(yǔ)言，本系統(tǒng)主要利用ST語(yǔ)言進(jìn)行變量創(chuàng)建，利用LAD語(yǔ)言進(jìn)行變量傳輸程序編寫(xiě)，利用MCC進(jìn)行軸的運(yùn)動(dòng)程序編寫(xiě)。本系統(tǒng)主要有主從軸的位置、速度、電流、力矩等值的測(cè)量和傳輸；MCC程序主要包括主從軸和輔助軸的點(diǎn)動(dòng)、主從跟隨自動(dòng)和校準(zhǔn)回零三種控制模式，其中在主從跟隨自動(dòng)控制中要完成主從同步程序（同步位置設(shè)置、同步速度、同步開(kāi)始和解除等），故障處理程序等。

（3）SIMOTION系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)操作的概念，程序編寫(xiě)完成后要進(jìn)行任務(wù)分配。執(zhí)行系統(tǒng)中的“BackgroundTask”被操作系統(tǒng)周期調(diào)用；“TechnologicalFaultTask”是外部“I/O”出錯(cuò)時(shí)被調(diào)用；“MotionTask”啟動(dòng)一個(gè)運(yùn)動(dòng)任務(wù)。根據(jù)設(shè)計(jì)需求對(duì)程序進(jìn)行相應(yīng)的任務(wù)分配，實(shí)現(xiàn)程序的合理調(diào)用。

3.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用SIEMENS公司的MP377和TP177觸摸屏作為可視化界面。MP377面板主要有工作畫(huà)面、系統(tǒng)準(zhǔn)備畫(huà)面、軋制畫(huà)面、送進(jìn)回轉(zhuǎn)畫(huà)面、編碼器校準(zhǔn)畫(huà)面、報(bào)警畫(huà)面等。工作畫(huà)面顯示設(shè)備名稱(chēng)、工作模式、SIMOTION D445系統(tǒng)的工作狀態(tài)、主從軸的位置、速度、電流值，軋制速度參數(shù)設(shè)置與實(shí)際值，前后死點(diǎn)送進(jìn)量與實(shí)際值，前后死點(diǎn)回轉(zhuǎn)角度設(shè)置與實(shí)際值等；報(bào)警信息畫(huà)面用于顯示設(shè)備的故障信息，當(dāng)操作不當(dāng)或者設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)自動(dòng)彈出警告信息，使操作人員和維護(hù)人員能夠明白故障所在。TP177完成對(duì)主軸位置的顯示，輔助部分軸位置、速度、電流值的顯示。所有畫(huà)面均采用Wincc Flexible軟件編寫(xiě)，可視化效果好，操作方便，能極大程度滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

CRTM-350軋機(jī)采用SIEMENS公司的SIMOTION D445運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)作為設(shè)備的控制系統(tǒng)，因其在速度和精度方面的強(qiáng)大控制力，在生產(chǎn)中滿(mǎn)足了鋼管成品外徑、壁厚的精度以及表面質(zhì)量的要求，；同時(shí)由于其雙回轉(zhuǎn)雙送進(jìn)的控制方式在自動(dòng)工作模式下大大提高了生產(chǎn)效率；由于其自動(dòng)化程度極高，不但改善了操作工人的勞動(dòng)條件，降低了勞動(dòng)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且還能確保生產(chǎn)的安全性，為鋼管的后序生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]張立群，李鐵才，萬(wàn)筱劍.SIMOTION D在銅箔后處理生產(chǎn)線上的應(yīng)用[J].制造自動(dòng)化，30（6）：47-49

[2]崔潤(rùn)記，張君峰，李忠，等.西門(mén)子新型運(yùn)動(dòng)控制器Simotion D435在全鋼工程胎成型機(jī)上的應(yīng)用[J].橡塑技術(shù)與裝備，2007（4）：49-57.

[3]西門(mén)子公司.SIMOTl0N MCC Motion Control Chart[Z].北京：西門(mén)子公司，2007.

[4]西門(mén)子公司.SIMOTl0N D使用手冊(cè)[Z].北京：西門(mén)子公司，2008.

[5]葛曉忠.基于SIMOTION D系統(tǒng)的全自動(dòng)濕巾包裝機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制研究[J].制造自動(dòng)化，2011（23）：83-87.