本文通過對力士樂伺服系統(tǒng)在國內(nèi)首條方管冷軋管機電控系統(tǒng)中的應(yīng)用技巧探討，希望對業(yè)內(nèi)其他同行日后的設(shè)計應(yīng)用有一定的借鑒意義。

廣東冠邦科技有限公司近期集結(jié)國內(nèi)外各方面知名專家學(xué)者，歷時兩年時間終于成功研制出一款FG-90-HS型冷軋管機。該型設(shè)備主要用于外方內(nèi)圓型不銹鋼管材的精細(xì)軋制；經(jīng)過一年多時間的方案整改及現(xiàn)場調(diào)試最終取得了歷史性的成功，該型設(shè)備現(xiàn)已交付客戶驗收使用。該型冷軋管機對于電控伺服系統(tǒng)的要求幾乎接近苛刻，對于回轉(zhuǎn)送進的同步性尤其回轉(zhuǎn)角的控制精度及其累計誤差要求極高。一般的圓管冷軋管機對于回轉(zhuǎn)送進的同步性要求較高，但對于回轉(zhuǎn)角的控制精度要求則相對較低；一般回轉(zhuǎn)誤差控制在正負(fù)3度之內(nèi)不會對成品管材產(chǎn)生質(zhì)量缺陷；但是對于方管冷軋管的回轉(zhuǎn)機構(gòu)如果回轉(zhuǎn)誤差或回零點超過正負(fù)1度都有可引起嚴(yán)重的生產(chǎn)事故，所以設(shè)計一套性能絕對可靠、控制精度極高的伺服控制變得尤為重要，可以說是整個機組一個至關(guān)重要的核心技術(shù)關(guān)口。

控制方案的硬件組成

核心控制單元（PLC）采用力士樂CML40.2-SP型CPU ；

可視化硬件配置研華10寸觸控式工控機，其操作畫面采用力士樂組態(tài)軟件；

冷軋管機主傳動采用西門子6RA70型直流驅(qū)動裝置（配置Profibus DP通信）帶動主直流電機運作，該傳動裝置性能可靠，運行平穩(wěn)，即使在較低轉(zhuǎn)速時也能提供滿額轉(zhuǎn)矩，完全能滿足冷軋管機的工藝要求；

回轉(zhuǎn)送進系統(tǒng)采用力士樂交流伺服控制系統(tǒng)（配套力士樂伺服專用電機），該驅(qū)動配置SERCOS光纖閉環(huán)通信協(xié)議，從而保證其控制命令及位置反饋的實時性和準(zhǔn)確性；

其移料/上料系統(tǒng)采用西門子G120型變頻器（配置Profibus DP通信）驅(qū)動交流電機實時準(zhǔn)確運轉(zhuǎn)；確保管坯移料及其管坯上料機械動作執(zhí)行的可靠性，流暢性。

1.控制系統(tǒng)的硬件框架見圖1

圖1 控制系統(tǒng)的硬件框架

2.軋機的主要組成

上料系統(tǒng)，回轉(zhuǎn)送進裝置，芯棒卡緊裝置，中間床身，送進小車，機架，機座，出口入口卡盤，偏心齒輪箱，主傳動機構(gòu)，成品管快速拉出裝置，芯棒裝置，出料系統(tǒng)，管坯內(nèi)潤滑裝置等。其主機功率：200kW（ 直 流調(diào)速）；回轉(zhuǎn)電機：兩 臺33.5kW（ 交流伺服）；回轉(zhuǎn)送進 ：33.5kW（ 交流伺服）。

3.其 各 系 統(tǒng)的主要功能如下

（1）送進電機：送進小車置于中間床身內(nèi)，由回轉(zhuǎn)送進箱帶動絲桿驅(qū)動，將管坯送入變形區(qū)。通過對交流伺服電機轉(zhuǎn)數(shù)的精確控制，進而可隨意控制不同大小的送進量。由于采用了交流伺服系統(tǒng)，可確保每次的送進量準(zhǔn)確及時。

（2）入口電機：通過對交流伺服電機轉(zhuǎn)數(shù)的精確控制，進而保證在軋制過程中毛坯管實時跟隨主機同步回轉(zhuǎn)，且回轉(zhuǎn)角度精確可控；同時對管坯也有導(dǎo)向作用，有利于穩(wěn)定軋制。

（3）出口電機：通過對交流伺服電機轉(zhuǎn)數(shù)的精確控制，進而保證在軋制過程中成品管實時跟隨主機同步回轉(zhuǎn)，且回轉(zhuǎn)角度精確可控；同時對管坯也有導(dǎo)向作用，有利于穩(wěn)定軋制。

圖2 伺服軸控制程序

圖3 伺服軸控制程序

（4）主傳動電機：通過直流裝置實現(xiàn)對主電機轉(zhuǎn)數(shù)/轉(zhuǎn)矩的精確控制，進而保證在軋制過程中大皮帶輪的勻速圓周運動（主編碼器通過同步帶連接在大皮帶輪轉(zhuǎn)軸上），有利于送進/入口/出口伺服電機的同步跟隨。

（5）移料電機：通過對交流電機轉(zhuǎn)數(shù)的精確控制，實現(xiàn)將料培順利可靠地送入上料輥道。

（6）上料電機：通過對交流電機轉(zhuǎn)數(shù)的精確控制，實現(xiàn)料培自動可靠地穿入芯棒并使推料小車準(zhǔn)確返回起始位。

基本控制方案

當(dāng)主電機帶動大皮帶輪勻速圓周運動時，此時通過同步帶連接在大皮帶輪轉(zhuǎn)軸上的主編碼器也隨之轉(zhuǎn)動，將其實時的位置信號通編碼器專用反饋電纜送入相應(yīng)的伺服驅(qū)動器。當(dāng)大皮帶輪勻速圓周運動時會帶動裝有軋輥裝置機架在滑板上做往復(fù)運動加之其同步帶的速比關(guān)系，所以主編碼器采集的實時位置也就是主機架的具體運動位置。

當(dāng)主機架到達(dá)前極限位置時，回轉(zhuǎn)送進伺服系統(tǒng)在程序內(nèi)電子凸輪的實時跟隨驅(qū)動下完成管坯的同步回轉(zhuǎn)送進。管坯的同步送進較易實現(xiàn)且精度要求也不是十分苛刻，同時在送進小車的前、后極限位置均裝有限位保護開關(guān)，以防止小車意外越程造成機械事故。還有管坯軋制過程中送進小車到達(dá)前限位后自動回零，直到送進小車退回床身原點位。

其系統(tǒng)的核心就是控制出口及入口卡盤同步跟隨主機架實現(xiàn)精確回轉(zhuǎn)90度（因為是方管軋制所以回轉(zhuǎn)角固定）；經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試發(fā)現(xiàn)其控制精度幾乎達(dá)到苛刻要求，系統(tǒng)調(diào)試難度較高許多意外困難也一一出現(xiàn)。尤其是故障停機后，對出/入口卡盤的絕對準(zhǔn)確回零控制都有很高的要求。一旦控制出現(xiàn)意外差錯，就會造成管坯及機組的直接損壞。雖然起初方案設(shè)計時每臺伺服電機都自帶有編碼器，用于自身的閉環(huán)修正控制；同時出/入口卡盤回轉(zhuǎn)機構(gòu)還額外配有相應(yīng)的編碼器進行回轉(zhuǎn)位置的實時檢測形成外部位置控制環(huán)；從而構(gòu)成雙重閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。一般情況下該種控制方案已經(jīng)具備了較高的控制精度，足以滿足絕大多數(shù)工業(yè)控制要求；但實際應(yīng)用中由于各種客觀因素及其人為因素的干擾偶爾引起出/入口卡盤回零時發(fā)生偏差。為了保證出/入口卡盤回零的絕對準(zhǔn)確可靠運行，在出入口卡盤絕對回零點的實際機械位置裝有高性能檢測開關(guān)形成外部保護環(huán)，當(dāng)出/入口卡盤執(zhí)行回零操作后該檢測開關(guān)如果沒有發(fā)訊就會啟動相應(yīng)的程序保護，該方案經(jīng)過近一年來的現(xiàn)場實際檢驗取得了良好的效果。

其伺服軸控制程序見圖2、圖3。

同時配套的工控機上可以實時監(jiān)控管坯的送進量及其回轉(zhuǎn)角，并且回轉(zhuǎn)角可以根據(jù)具體工藝進行實時修改。整個機組的電控情況及其部分單動操作也可以通過該工控機完成；還有具備豐富的故障診斷功能，在系統(tǒng)中設(shè)置了多種故障診斷與報警提示，這些故障檢測及分類報警通過PLC實時采集傳動系統(tǒng)等的工作狀態(tài)、數(shù)據(jù)，判斷系統(tǒng)各部分是否處于正常工作狀態(tài)。當(dāng)檢測到系統(tǒng)故障發(fā)生時，PLC將根據(jù)檢測到的故障及軋管機目前的工作狀態(tài)進行相應(yīng)的保護和報警提示。大多數(shù)機組常見故障都可被準(zhǔn)確地判斷出來，如：失速、過流、電源缺相、伺服跟蹤、檢測信號、油壓油溫等，使系統(tǒng)的維護工作量大大減少。

結(jié)論

此次設(shè)計的電控系統(tǒng)是力士樂伺服系統(tǒng)在國內(nèi)首條方管冷軋管機中的首次具體應(yīng)用。雖然力士樂伺服系統(tǒng)在圓管冷軋管機中以早已應(yīng)用但此次應(yīng)用的意義非凡。此次應(yīng)用實際檢驗了伺服系統(tǒng)在高慣量，重負(fù)載，大沖擊等惡劣工控下的各項技術(shù)性能，充分體現(xiàn)了力士樂其伺服系統(tǒng)的精確性、實時性、高過載性、耐干擾性；唯一不足的是其硬件成本較高無法普遍推廣。同時對于新設(shè)計研發(fā)的有伺服回轉(zhuǎn)定位系統(tǒng)應(yīng)用的機械設(shè)備，如果客觀情況允許的話建議最好在設(shè)備出廠前對伺服系統(tǒng)進行單獨測試，使其機械或電氣方面存在的問題充分暴露出來，以便于機械或電氣方面做機組方案的進一步優(yōu)化。這樣可以大大提高機組的可靠性，同時機組的調(diào)試工期及其綜合成本都會大大降低。