趙鐵琳

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西太原030024）

大型冷軋管機(jī)組的電氣控制系統(tǒng)研制

趙鐵琳

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西太原030024）

摘要：LG720冷軋管機(jī)組是世界最大規(guī)格冷軋管機(jī)組。為該機(jī)組研制的電氣系統(tǒng)采用了PLC、變頻調(diào)速、PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)通訊、SIMOTION D、HMI等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多機(jī)變頻調(diào)速傳動(dòng)，對(duì)大慣量負(fù)載的送進(jìn)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高精度定位和同步控制，滿足了大型冷軋管機(jī)組的生產(chǎn)要求。

關(guān)鍵詞：冷軋管機(jī)；SIMOTION D；大慣量負(fù)載；高動(dòng)態(tài)響應(yīng)

1　引言

目前，中國(guó)的鋼鐵市場(chǎng)出現(xiàn)了產(chǎn)能過(guò)剩情況，但不銹鋼無(wú)縫管廣泛應(yīng)用于石油、航空、電力、化工、化纖、醫(yī)療機(jī)械等領(lǐng)域，市場(chǎng)需求量很大。冷軋管機(jī)組主要軋制不銹鋼無(wú)縫管，并其以獨(dú)特的工藝特點(diǎn)、成材率高、道次變形大、變形狀態(tài)好、設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于世界各國(guó)的工業(yè)生產(chǎn)中［1］。太重研制開(kāi)發(fā)LG720冷軋管機(jī)組在江蘇某鋼廠試制成功，并生產(chǎn)出合格的不銹鋼鋼管。該機(jī)組目前是世界最大規(guī)格的冷軋不銹鋼無(wú)縫鋼管機(jī)組。

2　 LG720冷軋管機(jī)設(shè)備介紹

LG720冷軋管機(jī)組采用的是單根生產(chǎn)，停機(jī)上料的工作制度，主機(jī)架由曲柄連桿往返周期式驅(qū)動(dòng)，送進(jìn)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速和精準(zhǔn)的送進(jìn)、回轉(zhuǎn)和定位。其主要設(shè)備組成如圖1所示，其軋制規(guī)格表見(jiàn)表2。

圖1　冷軋管機(jī)組設(shè)備簡(jiǎn)圖

表1　 LG720冷軋管機(jī)組軋制規(guī)格表

3　電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。根據(jù)冷軋管機(jī)組的設(shè)備運(yùn)行和冷軋管工藝要求，電氣控制系統(tǒng)以西門(mén)子S7300PLC作為主控制器；通過(guò)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)采集現(xiàn)場(chǎng)I/O信息，并配置HMI，用以輸入生產(chǎn)參數(shù)及設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)控和記錄，HMI與主PLC采用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊；主電機(jī)采用西門(mén)子直流調(diào)速系統(tǒng)和EM277 PLC進(jìn)行主傳動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理，并和主PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；輔助（包括送進(jìn)及回轉(zhuǎn)系統(tǒng)）傳動(dòng)部分采用西門(mén)SINAMICS S120多機(jī)傳動(dòng)變頻調(diào)速系統(tǒng)［2］；潤(rùn)滑系統(tǒng)和流體系統(tǒng)的信號(hào)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)I/O從站采集；啟停及連鎖邏輯程序由主PLC實(shí)現(xiàn)。

圖2　電氣控制系統(tǒng)框圖

3.1主控制器

機(jī)組的主控制器采用西門(mén)子S7300PLC，其主要完成系統(tǒng)硬件組態(tài)、工作模式選擇、各設(shè)備邏輯控制及其與主傳動(dòng)和輔助傳動(dòng)控制器的通訊等功能。

3.2 PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)

整個(gè)電氣控制系統(tǒng)只有一條DP網(wǎng)絡(luò)，共有7個(gè)DP從站，其分別為：

（1）主傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)器：以西門(mén)子6RA70直流調(diào)速器作為主驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)主電機(jī)，啟動(dòng)停止命令由主PLC通過(guò)邏輯編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，主電機(jī)的實(shí)際速度、電流等信息的數(shù)字量由6RA70驅(qū)動(dòng)器通過(guò)DP網(wǎng)絡(luò)反饋到PLC，在PLC里換算后經(jīng)由以太網(wǎng)傳送至HMI；

（2）主傳動(dòng)EM277PLC：主要負(fù)責(zé)主傳動(dòng)系統(tǒng)供電設(shè)備的合閘與分閘、冷卻風(fēng)機(jī)的開(kāi)與關(guān)，以及采集主傳動(dòng)控制系統(tǒng)的反饋信息；

（3）液壓與潤(rùn)滑系統(tǒng)遠(yuǎn)程I/O站：采集液壓站、稀油站、工藝潤(rùn)滑站的檢測(cè)元件信號(hào)，并控制液壓驅(qū)動(dòng)設(shè)備的電磁閥；

（4）操作臺(tái)：采集現(xiàn)場(chǎng)操作元件的信號(hào)；

（5）SLM的控制器CU320：控制為冷軋管機(jī)組輔助傳動(dòng)提供直流電源的整流回饋模塊(SLM)的啟與停；

（6）送進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器CU320；

（7）回轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器SIMOTION D435。

3.3送進(jìn)伺服控制系統(tǒng)

送進(jìn)系統(tǒng)的送進(jìn)小車(chē)兩邊的絲杠由兩臺(tái)伺服電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)伺服電機(jī)的逆變器經(jīng)由DRIVE-CLIQ接口由同一個(gè)CU320控制。電機(jī)自帶的測(cè)溫原件和編碼器通過(guò)光纖與逆變器的DRIV-CLIQ接口相連，傳遞溫度、位置及實(shí)際速度的信息［3］。

送機(jī)伺服系統(tǒng)有兩種運(yùn)行模式，既手動(dòng)模式和軋制模式。上料時(shí)采用手動(dòng)模式，通過(guò)點(diǎn)動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)，通過(guò)修改速度倍率還可以修改前進(jìn)和后退速度。軋制時(shí)采用軋制模式，軋機(jī)主機(jī)架做周期式往返運(yùn)動(dòng)，在機(jī)架換向死點(diǎn)處軋輥處于非工作帶，與鋼管處于非咬合狀態(tài)，送進(jìn)機(jī)構(gòu)在這段區(qū)間完成一次精準(zhǔn)的送進(jìn)，送進(jìn)量通過(guò)HMI由操作人員設(shè)定，通過(guò)基本定位功能就可以實(shí)現(xiàn)送進(jìn)機(jī)構(gòu)的精準(zhǔn)定位。在配置送進(jìn)逆變器和PLC通訊時(shí)選用西門(mén)子標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文軟件SIEMENS telegram110和PZD-12/ 7，它們能快速實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)和定位功能［4］。

由于兩臺(tái)伺服電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)送進(jìn)小車(chē)兩邊的絲杠，因各種原因（如一臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器故障停止、機(jī)械設(shè)備卡阻等），可能導(dǎo)致兩邊絲杠位置出現(xiàn)非允許范圍之外的偏差，為此，在邏輯控制程序里要加上相關(guān)聯(lián)鎖，以避免設(shè)備的損傷。

3.4回轉(zhuǎn)伺服控制系統(tǒng)

回轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括芯棒卡盤(pán)裝置、中間卡盤(pán)裝置和前口卡盤(pán)裝置。毛管經(jīng)后上料穿在芯棒上，主機(jī)架前未軋制的毛管穿入中間卡盤(pán)中，主機(jī)架后軋制過(guò)的荒管穿入前口卡盤(pán)中，在每次主機(jī)架行進(jìn)至換向死點(diǎn)時(shí)，三臺(tái)卡盤(pán)同時(shí)反轉(zhuǎn)，將芯棒和毛管共同反轉(zhuǎn)一個(gè)相同的角度。

中間卡盤(pán)和前口卡盤(pán)夾著同一根鋼管的兩頭，要求角速度相同。鋼管軋制后和芯棒會(huì)有一定的粘附力，如果夾芯棒的芯棒卡盤(pán)和夾管子的中間及前口卡盤(pán)角速度不一樣，管子和芯棒相對(duì)滑動(dòng)會(huì)劃傷管子內(nèi)表面，為此，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)采用SIMOTION D435做多軸同步控制。

回轉(zhuǎn)系統(tǒng)由SIMOTION D435控制，它是一種基于SINAMICS S120驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的多軸的運(yùn)動(dòng)控制器。作為一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器，SIMOTION D435集邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制（定位、同步控制等）以及工藝控制（壓力、溫度控制等）于一身，且具有執(zhí)行周期短、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。以芯棒卡盤(pán)伺服電機(jī)作為主軸，中間卡盤(pán)和前口卡盤(pán)作為從軸對(duì)三臺(tái)回轉(zhuǎn)伺服電機(jī)做齒輪同步控制，芯棒卡盤(pán)伺服電機(jī)本身做相對(duì)定位運(yùn)動(dòng)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的角度即為翻轉(zhuǎn)量，由上位機(jī)設(shè)定經(jīng)以太網(wǎng)傳送至主PLC，主PLC再通過(guò)PROFIBUSDP網(wǎng)絡(luò)傳送至SIMOTION D435控制器［5］。

4　技術(shù)關(guān)鍵

對(duì)于送進(jìn)機(jī)構(gòu)的兩個(gè)絲杠，因機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)兩邊偏差的容納極限很小，這就要求每次送進(jìn)的定位精度要很高；對(duì)于回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的卡盤(pán)，翻轉(zhuǎn)過(guò)程中角速度的同步性要較高；送進(jìn)和回轉(zhuǎn)過(guò)程執(zhí)行時(shí)間很短，這就要求動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度要快。送進(jìn)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)均為大慣量負(fù)載，要滿足以上要求，選擇伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)設(shè)備，利用其慣量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等特性，并利用西門(mén)子S120系列變頻器作驅(qū)動(dòng)，輕松實(shí)現(xiàn)定位控制和同步控制，滿足了工藝要求［6］。送機(jī)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩和位置曲線如圖3所示，從圖3中可以看出，兩臺(tái)送進(jìn)電機(jī)送進(jìn)時(shí)負(fù)載基本均衡且位置曲線基本重合。

圖3　送機(jī)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩和位置曲線

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中回轉(zhuǎn)信號(hào)和角度曲線如圖4所示，從圖4中可以看出，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，在一半的回轉(zhuǎn)時(shí)間內(nèi)就完成了回轉(zhuǎn)的動(dòng)作。

圖4　回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中回轉(zhuǎn)信號(hào)和角度曲線

5　結(jié)束語(yǔ)

Φ720 LG冷軋管機(jī)組是目前世界最大規(guī)格的冷軋管機(jī)組，主機(jī)架完成軋制工藝要求的變形。要軋制大規(guī)格壁厚均勻的不銹鋼管，大慣量負(fù)載的送進(jìn)和回轉(zhuǎn)系統(tǒng)很重要，必須確保動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和控制精度高的要求，否則，軋制壁厚將不均勻。只

有送進(jìn)和回轉(zhuǎn)系統(tǒng)具有很高的控制性能，才能保證冷軋管機(jī)組軋制出合格的不銹鋼管。因此，確保送進(jìn)和回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的電氣參數(shù)，實(shí)現(xiàn)大慣量負(fù)載系統(tǒng)快速準(zhǔn)確動(dòng)作是冷軋管機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)調(diào)試實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建議將送進(jìn)和回轉(zhuǎn)系統(tǒng)統(tǒng)一由SIMOTION D435進(jìn)行控制，這樣既能滿足工藝要求，又能降低生產(chǎn)成本。

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中圖分類(lèi)號(hào)：TG333．8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005—7277（2015）04—0035—03

作者簡(jiǎn)介：

趙鐵琳(1971-)，男，滿族，吉林人，太原重工股份有限公司高級(jí)工程師，主要從事軋鋼產(chǎn)品的電氣設(shè)計(jì)、調(diào)試等方面的研究。

收稿日期：2015-01-04

Development of electric control system of the large cold pipe rolling mill

ZHAO Tie－lin

（Taiyuan Heavy Industry Technology Center，Taiyuan 030024，China）

Abstract：LG720 cold pipe rolling mill is the first large-scale cold pipe rolling mill in the world. The electric system applies PLC、variable frequency speed regulation (VFSR)、PROFIBUS-DP network、SIMOTION D and HMI technologies, which can realize the muti-motor VFSR drive, especially in large inertia load feed-in and rotation mechanism with high dynamic response，high precision positioning and synchronization control. This system fully meets the production requirements of the large-scale cold pipe rolling.

Key words：cold pipe rolling mill；SIMOTION D；large inertia load；high dynamic response