楊 鵬，董相連，成海寶，李 麗，張 杰

(1．中國重型機械研究院有限公司，陜西 西安 710032;2．浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州 313008)

1 前言

冷軋管機有兩輥式、多輥式、連軋式、行星式、擺式等類型［1］，其中較成熟的是兩輥式和多輥式冷軋管機。現(xiàn)代金屬管材生產(chǎn)，尤其是合金鋼、有色合金及各種高變形抗力合金管材的生產(chǎn)廣泛采用兩輥式冷軋管機。目前兩輥冷軋管機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護成本高、備品備件多、難以實現(xiàn)全自動連續(xù)化作業(yè)。作為冷軋鋼管生產(chǎn)企業(yè)希望能夠在現(xiàn)有兩輥冷軋管機的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)高速、高精度軋制，從而創(chuàng)造更高的產(chǎn)量、質(zhì)量和效益。

利用先進的電氣設(shè)備控制傳統(tǒng)機械裝置，實現(xiàn)冷軋管機械高速度、高精度的回轉(zhuǎn)送進。本文以現(xiàn)代化工業(yè)控制PLC為基礎(chǔ)，建立良好的直流調(diào)速系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)以及交流伺服電機回轉(zhuǎn)送進系統(tǒng)，既可縮短機械設(shè)計時間和成本，也便于維護和調(diào)試。

2 全自動伺服冷軋管機主要組成

該冷軋管機由機械系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)組成。屬兩輥高速長行程環(huán)孔型冷軋管機，主要參數(shù)有如下。

管坯外徑 φ15～φ34 mm

管坯壁厚 1.5～3.5 mm

管坯長度 2～6 m

成品管外徑 φ8～φ20 mm

成品管壁厚 0.8～1.6 mm

最大成品管長度 30 m

最大軋制速度 240次/min

送進量 6 mm/r

主軋制部分采用曲軸－雙偏心水平質(zhì)量平衡系統(tǒng)來平衡系統(tǒng)的慣性力，結(jié)合伺服控制系統(tǒng)實現(xiàn)高速軋制;采用了兩個交替工作的芯棒桿卡緊裝置，使其實現(xiàn)了不停機連續(xù)上料;采用了兩個交替工作的管坯卡盤，使冷軋管機不停機連續(xù)送進。采用五臺交流伺服電機分別單獨驅(qū)動5個傳動點、以程序的形式控制各個伺服電機的運動，使其達到多軸聯(lián)動協(xié)調(diào)同步的回轉(zhuǎn)送進要求，滿足管坯的軋制工藝，從而取代原來復(fù)雜的機械式回轉(zhuǎn)送進機構(gòu)，實現(xiàn)了軋機的連續(xù)化作業(yè)。

3 全自動伺服冷軋管機控制系統(tǒng)方案

該控制系統(tǒng)的主要目的是要有效地控制冷軋管機的各個部分，以及要解決好回轉(zhuǎn)送進電機和主電機的協(xié)同性問題。本文選擇用PLC［2］作為控制用的中央處理單元，利用PLC和各個控制設(shè)備組成的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制冷軋管機械。該控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)主要是工業(yè)以太網(wǎng)、光纖和PROFIBUSDP網(wǎng)絡(luò)?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

圖1中PLC為中央控制單元，通過DP網(wǎng)絡(luò)與直流調(diào)速裝置、液壓站、潤滑站聯(lián)接。通過以太網(wǎng)與工業(yè)控制計算機和運動控制器MLC相聯(lián)系，利用組態(tài)軟件建立控制畫面。軋制主電機和回轉(zhuǎn)送進伺服電機通過測量編碼器和電子凸輪曲線協(xié)同動作。

該控制采取模塊化構(gòu)建，選用的IndraMotion MLC是一個整合了運動控制、PLC和技術(shù)模塊的解決方案，提供實現(xiàn)自動化方案所有的系統(tǒng)組件。

4 回轉(zhuǎn)送進系統(tǒng)設(shè)計

鋼管軋制的回轉(zhuǎn)送進由五臺交流伺服同步電機共同合作完成?；剞D(zhuǎn)和送進均是間歇性動作，伺服電動機要配合主電機的動作完成自己的送進和回轉(zhuǎn)。采取的是兩回轉(zhuǎn)單送進的策略，即在軋輥打開的前后死點區(qū)域內(nèi)回轉(zhuǎn)和送進，在前死點回轉(zhuǎn)一次，在后死點回轉(zhuǎn)第二次并進行送進。因此需要把主電機的實時位置作為輸入傳送給伺服驅(qū)動器。本文利用絕對值式光電脈沖編碼器將主機實時位置傳送給伺服驅(qū)動器，將主電機往復(fù)運動一次為360°，將360°劃分出各個區(qū)域，在上面表示出伺服電機應(yīng)完成的動作。

5 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計

5.1 伺服驅(qū)動器

伺服驅(qū)動器采用一個整流器HMV將三相交流電變?yōu)橹绷麟姡梢詫⑵洚?dāng)作電源，然后再通過五臺攜帶有控制單元的逆變器HMS(一般控制單元直接嵌入在逆變器當(dāng)中)分別驅(qū)動五臺伺服電機，五個控制單元通過光纖通訊和控制單元構(gòu)成環(huán)路通訊，工業(yè)以太網(wǎng)作為人機接口和控制器通訊，同時也是編程下載的接口。最后一個控制單元還專門留有主電機絕對式測量編碼器的信號回饋裝置。

5.2 伺服電機的選擇

選擇原則是將電機特性與負載特性分離開，并用圖解的形式表示，這種表示方法使驅(qū)動裝置的可行性檢查和不同系統(tǒng)間的比較更方便，另外，還給出了一個規(guī)格化傳動比的范圍。該方法的優(yōu)點:適用于各種負載情況;將負載和電機的特性分離開;有關(guān)動力的各個參數(shù)均可用圖解的形式表示并且適用于各種電機［3］。因此，不再需要用大量的模擬來檢查電機是否能夠驅(qū)動某個特定的負載。

(1)電機的最高轉(zhuǎn)速?？焖傩谐痰碾姍C轉(zhuǎn)速應(yīng)嚴格控制在電機的額定轉(zhuǎn)速之內(nèi)。

式中，nnom為電機的額定轉(zhuǎn)速，r/min;n為快速行程時電機的轉(zhuǎn)速，r/min;Vmax為直線運行速度，m/min;u為系統(tǒng)傳動比;Ph為絲杠導(dǎo)程，mm。根據(jù)計算，本系統(tǒng)需要選擇額定轉(zhuǎn)速不小于2 000 r/min的伺服電機。

(2)慣量匹配及計算負載慣量。為了保證足夠的角加速度使系統(tǒng)反應(yīng)靈敏和滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求，應(yīng)限制負載慣量在＜2.5 JM。

式中，Ji為各轉(zhuǎn)動件的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2;ωj為各轉(zhuǎn)動件角速度，rad/min;mj為各移動件的品質(zhì)，kg;Vj為各移動件的速度，m/min;ω為伺服電機的角速度，rad/min;經(jīng)過計算實際的JL=0.0211 kg·m2，因此需要選擇JM＞0.0884 kg·m2。

(3)根據(jù)電機轉(zhuǎn)矩均方根值選擇電機。工作機械頻繁啟動，制動時所需轉(zhuǎn)矩，當(dāng)工作機械作頻繁啟動、制動時，必須檢查電機是否過熱，為此需計算在一個周期內(nèi)電機轉(zhuǎn)矩的均方根值，并且應(yīng)使此均方根值小于電機的連續(xù)轉(zhuǎn)矩。電機的均方根值由下式計算。

式中，Ta為加速轉(zhuǎn)矩，N·m;Tf為摩擦轉(zhuǎn)矩，N·m;To在停止期間的轉(zhuǎn)矩，Nm;t1、t2、t3、T周如圖2所示。

圖2 t1、t2、t3、T周的轉(zhuǎn)矩曲線

負載周期性變化的轉(zhuǎn)矩計算，也需要計算出一個周期中的轉(zhuǎn)矩均方根值，且該值小于額定轉(zhuǎn)矩。這樣電機才不會過熱，保持正常工作。

圖3 負載周期性變化的轉(zhuǎn)矩計算圖

根據(jù)軋管機的回轉(zhuǎn)電機和送進電機特性，負載也是周期性變化的，類似于一條正弦曲線的變化，經(jīng)過積分計算所有的回轉(zhuǎn)電機T=48 N·m，送進電機轉(zhuǎn)矩為46 N·m，所以必須選用Tm＞48 N·m的伺服電機。

該系統(tǒng)選擇MSK系列的交流同步伺服電機，該電機的特點是功率密度大，在同級別的電機中轉(zhuǎn)動慣量較小。正好滿足了高速軋管機需要大轉(zhuǎn)矩低慣量，高速響應(yīng)的要求。

5.3 MLC對伺服電動機的控制

本系統(tǒng)所用PLC是集成了運動控制功能的高級PLC，全名是IndralMotion Logic Controller所以也叫做MLC。MLC是現(xiàn)代PLC發(fā)展的一種趨勢，以往的PLC只具有邏輯控制功能，而現(xiàn)代PLC還具有了運動控制和外掛工業(yè)控制屏幕等功能。對伺服電動機的控制利用MLC中自帶的各種符合PLCOPEN標(biāo)準(zhǔn)的功能塊來完成對電機的速度設(shè)定、位置設(shè)定、轉(zhuǎn)矩設(shè)定、凸輪功能設(shè)定等。同時也通過這些功能塊將數(shù)據(jù)返回給人機接口或者上位機。

5.4 MLC和伺服驅(qū)動器控制單元之間的通訊

MLC和驅(qū)動控制單元是通過SERCOS(serial real time communication specification)相連接的。SERCOS是一種用于數(shù)字伺服和傳動系統(tǒng)的現(xiàn)場總線接口和數(shù)據(jù)交換協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)控制計算機與數(shù)字伺服系統(tǒng)、傳感器和可編程控制器I/O口之間的實時數(shù)據(jù)通訊。SERCOS界面由一個主站(Master)和若干個從站(Slave，1～254個伺服、主軸或PLC－IO)組成，各站之間采用光纜連接，構(gòu)成環(huán)形網(wǎng)，站間的最大距離為80 m(塑料光纖)或240 m(玻璃光纖)，最大從站數(shù)為254，數(shù)據(jù)傳輸率為2 Mbit/s到16 Mbit/s。

6 電子凸輪曲線設(shè)計

管材軋制工藝要求伺服電動機驅(qū)動完成回轉(zhuǎn)與送進動作。必須設(shè)計合理的電子凸輪曲線，同時在這個曲線軌跡下，電機不能超載，要盡量滿足電機正常運行的要求。

IndralWorks軟件集成了電子凸輪曲線設(shè)計功能，這也是MLC集成了運動控制功能的軟件實現(xiàn)過程。軟件中提供了多個曲線函數(shù)，根據(jù)軋管機工作特性選擇合適的函數(shù)曲線作為運動過程，同時滿足電機的負荷要求。

本系統(tǒng)選用多種變化函數(shù)，如正弦函數(shù)、斜坡函數(shù)、四次方函數(shù)等，使速度、加速度、躍度等曲線實現(xiàn)平滑過渡，保證伺服電機在額定范圍內(nèi)實現(xiàn)多種送進和回轉(zhuǎn)形式。

7 PLC控制系統(tǒng)的組成

該系統(tǒng)以PLC(MLC)為主站，通過PROFI-BUS－DP總線對六個從站，其中:(1)對6RA70實現(xiàn)對主電機的控制，其測試參數(shù)(速度、電流)可通過6RA70經(jīng)PROFIBUS總線傳遞給監(jiān)控設(shè)備;(2)對潤滑站的控制;(3)對液壓站和液壓站分散站的控制;(4)兩個操作點和一個操作臺，一個操作點處于上料部位，一個操作點和操作臺靠近主電機部位。分別控制就近部位的電磁閥和設(shè)備潤滑，操作臺還要完成對伺服電機和主電機的操控。操作臺上安裝有具有觸摸屏的工業(yè)控制計算機，在工控機上實現(xiàn)對PLC的程序編寫和調(diào)試，并可以通過WinStudio監(jiān)控軟件實現(xiàn)對軋制過程數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控。

主機軋制程序需要執(zhí)行軋制工藝的各種主機運行過程，最主要問題就是在兩管接縫處需要減速，當(dāng)管縫通過軋制區(qū)后要立刻提速至正常軋制速度，需要將管縫檢測裝置和直流調(diào)速裝置相結(jié)合使用，通過管縫檢測裝置發(fā)訊使調(diào)速器工作從而使主電機減速。自動化軋制程序可以實現(xiàn)連續(xù)上料、連續(xù)送進、連續(xù)軋制功能，實現(xiàn)了軋制的全自動化。

PLC控制系統(tǒng)完成對鋼管冷軋運行模式的選擇和對系統(tǒng)軋制運行速度的控制。經(jīng)實際運行證明，控制系統(tǒng)各部分功能正常，運行穩(wěn)定，PLC各種邏輯控制準(zhǔn)確迅速，速度控制平穩(wěn)可靠。

8 軋制主電機控制系統(tǒng)設(shè)計

本控制系統(tǒng)基于軋制特點選用直流電機作為軋制主電機。由于要保證軋制過程中速度保持一定，且軋制過程力矩變化比較大，負載的擾動較大，同時要能夠?qū)崿F(xiàn)正反轉(zhuǎn)運行。SIMOREGK 6RA70系列調(diào)速器的硬件由各種標(biāo)準(zhǔn)插件板及模塊組成。采用模塊組合、緊湊布置的結(jié)構(gòu)，各組件易于拆卸，方便維護及檢修，主要分為功率單元和控制單元。

系統(tǒng)中的MLC系列產(chǎn)品負責(zé)該軋管機的基礎(chǔ)自動化，其上的CPU模塊作為PROFIBUS的主站。主站Indral Motion MLC L40本身帶有內(nèi)部集成的PROFIBUS－DP接口，使用這種CPU能實現(xiàn)分布式自動化組態(tài)，具有速度高和操作非常簡單的特點。從用戶的角度來看，處理分布式外圍設(shè)備和處理集中式外圍設(shè)備是相同的(即相同的組態(tài)，相同的地址分配，相同的編程)。本系統(tǒng)的SIMOREGK 6RA70直流調(diào)速器控制軋制主電機。6RA70直流調(diào)速器配有一塊CBP2通訊板，作為PROFIBUS－DP接口板，與MLC主站連接，通過在IndralWorks中加入相應(yīng)的GSD文件就可以完成MLC對6RA70直流調(diào)速器的控制。

9 結(jié)束語

該冷軋管機控制系統(tǒng)用在中國重型機械研究院有限公司(原西安重型機械研究所)研制的LG－15全自動高速冷軋管機上，完成對鋼管連續(xù)上料、精準(zhǔn)送進和高速軋制。該系統(tǒng)有如下特點:

(1)通過對交流伺服電動機控制策略的研究，利用伺服驅(qū)動器，伺服控制單元以及相應(yīng)的測量編碼器完成對五臺伺服電動機的控制系統(tǒng)設(shè)計。使用Indralworks軟件并結(jié)合該軟件下的功能模塊通過對MLC的程序編寫完成對伺服電動機的配置和控制，可以隨時修改回轉(zhuǎn)角度和送進量，重點是可以通過電子凸輪曲線設(shè)置出了滿足軋制工藝的伺服電動機的運動軌跡。

(2)MLC控制系統(tǒng)方面，結(jié)合軋制工藝、工業(yè)控制的輔助設(shè)備以及設(shè)備中的控制點數(shù)設(shè)計出滿足控制要求的MLC控制系統(tǒng)。在機械工藝的要求下利用梯形圖語言完成了自動方式、半自動方式、手動方式三種工作方式的程序編寫，實現(xiàn)了連續(xù)上料、連續(xù)送進和連續(xù)軋制的要求，并能夠?qū)崟r監(jiān)控和報警。

(3)針對現(xiàn)場需要對多種信號進行采集、分析的特點，結(jié)合經(jīng)濟、實用性的要求，系統(tǒng)采用西門子的PROFIBUS－DP現(xiàn)場總線通訊協(xié)議構(gòu)成現(xiàn)場總線工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了MLC和6RA70以及各個分散站之間的信息交換。通過工業(yè)以太網(wǎng)組建工控機和伺服驅(qū)動單元與MLC網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時間快、抗干擾能力強。

該類型軋管機的速度快，精度高，自動化水平先進，推出后迅速占有了市場，供應(yīng)給寶鋼、太原鋼鐵廠、常熟華新鋼管廠，久立不銹鋼管廠等企業(yè)，其中向美國DMV出口了3臺成套設(shè)備，用戶反映較好。

［1］ 王海文．軋鋼機械設(shè)計［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1983．

［2］ 彭利標(biāo)．可編程控制器原理及應(yīng)用［M］．西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1997．

［3］ 陳伯時．電力拖動自動控制系統(tǒng)［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2003．