王 小 博， 祖 龍 起， 劉 順 利， 武 鐵 彬， 王 建 民

( 1.大連工業(yè)大學 信息科學與工程學院， 遼寧 大連 116034；3.大連艾科科技信息工程有限公司， 遼寧 大連 116600；3.大同煤礦集團有限責任公司， 山西 大同 037001；4.遼寧銀捷裝備科技股份有限公司， 遼寧 鐵嶺 112000 )

基于西門子S120的矯直機控制系統(tǒng)設計

王 小 博1， 祖 龍 起1， 劉 順 利2， 武 鐵 彬3， 王 建 民4

( 1.大連工業(yè)大學 信息科學與工程學院， 遼寧 大連 116034；3.大連艾科科技信息工程有限公司， 遼寧 大連 116600；3.大同煤礦集團有限責任公司， 山西 大同 037001；4.遼寧銀捷裝備科技股份有限公司， 遼寧 鐵嶺 112000 )

系統(tǒng)介紹了一種基于西門子S120伺服驅(qū)動的矯直機電氣拖動系統(tǒng)的設計方法。矯直機對輥采用西門子S120伺服驅(qū)動裝置組成拖動系統(tǒng)，控制器采用西門子S7315CPU PLC控制,輥縫位置及矯直輥角度檢測采用絕對值編碼器檢測角度及位置，速度反饋編碼器與S120伺服系統(tǒng)以及PLC組成速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，扭矩傳感器與S120伺服系統(tǒng)以及PLC組成力矩閉環(huán)控制系統(tǒng),通過PROFIBUS-DP總線完成CPU控制單元與S120伺服系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)傳遞。該控制系統(tǒng)實現(xiàn)了上下兩矯直輥旋轉(zhuǎn)加工時的速度同步、力矩同步控制，保證了被矯直棒料精度為0.3%的高精度技術(shù)指標。

S120伺服驅(qū)動；棒料矯直機；速度同步；力矩同步

0 引 言

黑色和有色金屬管材、棒材及合金圓棒料在生產(chǎn)過程中，由于材質(zhì)或冷卻不均勻等原因?qū)е萝堉瞥鰜淼陌舨臅霈F(xiàn)彎曲、變形等缺陷，需要對棒材進行矯直處理后才能成為鋼廠等企業(yè)的最終產(chǎn)品。矯直機基于“多段等曲率反彎輥型、輥系技術(shù)”原理實現(xiàn)高精度矯直，其關鍵在于輥系運動中，各組對輥輥縫的反彎量高度必須保持一致。為了達到這一要求，需要保證被矯直管棒材在矯直輥的旋轉(zhuǎn)擠壓運動過程中各處受到均布、均衡的矯直力。即保證矯直輥的輥型特殊設計和對輥的速度同步、力矩同步控制。工廠通常是在一個平直的校驗臺上拿塞尺來測量加工后的棒材與校驗平臺基準線之間的間隙，得到直線度誤差。高精度矯直誤差要求符合GB/T 1184—1996國標標準，即誤差小于等于0.4 mm/m。當前大多數(shù)廠家的矯直機控制系統(tǒng)只有位置、速度控制[1]，或是按照設定的矯直力進行鋼板的矯直[2]，沒有均衡矯直力的閉環(huán)控制的設計，很大程度上影響了矯直精度。而且傳統(tǒng)的矯直系統(tǒng)一般采用單一的PLC的控制方式，無法實現(xiàn)快速響應。目前國外同類產(chǎn)品直線度誤差小于等于0.3 mm/m[3]，即0.3%；而國內(nèi)同類產(chǎn)品矯直精度小于等于0.5%[4]，控制精度達不到要求。針對這一問題，作者在為撫順特鋼連軋廠設計矯直機控制系統(tǒng)時采用了基于西門子S120伺服驅(qū)動的矯直機控制系統(tǒng)，以期實現(xiàn)矯直輥的速度同步控制和力矩同步控制。

1 工藝概述

1.1 設備組成

兩輥矯直機的機組設備如圖1所示，由上料輥道裝置、主機對輥、下料輥道裝置、液壓系統(tǒng)等組成[5]。上料輥道裝置由布料臺、撥擋料機構(gòu)、入口輸送輥道、夾送機構(gòu)組成。下料輥道裝置包括拉出機構(gòu)、出口輸送輥道、撥料裝置及集料裝置。

圖1 兩輥矯直機結(jié)構(gòu)示意圖

矯直機本體由機架、上下矯直輥、橫梁、主傳動系統(tǒng)、壓下系統(tǒng)、角度調(diào)整及鎖緊機構(gòu)、進出口導向裝置、導位板裝置等組成。液壓系統(tǒng)中，液壓缸墊保護裝置的作用是在矯直輥所受的力超過安全壓力時，保護設備不受損壞。消隙油缸裝置消除壓下絲杠與壓下絲母之間的間隙。液壓鎖緊裝置作用是鎖緊上下矯直輥，保證矯直錕不因外力發(fā)生轉(zhuǎn)動。其中主傳動系統(tǒng)采用西門子的S120伺服驅(qū)動裝置拖動。

1.2 工作過程

根據(jù)矯直工藝流程，當檢測到布料臺有料時，把需要矯正的管棒材經(jīng)由上料輥道送入矯直機，先由撥擋料機構(gòu)將布料臺上的棒材一根一根撥到入口輸送輥道中，同時棒材頭部進入前夾送輥的夾送區(qū)域，由前夾送輥夾合將棒材送入相對旋轉(zhuǎn)的矯直機對輥區(qū)行進矯直。矯直機上下安裝的兩個輪廓為特殊的曲線形狀，相互交叉，軸線成一定角度的矯直輥以某一設定速度相對旋轉(zhuǎn)，管棒材在上下兩組輥縫隙中受力直線前進通過，在對輥的帶動下產(chǎn)生反彎曲力矩，通過矯直輥道旋轉(zhuǎn)帶動棒材前進，將彎曲的管棒材矯直成符合產(chǎn)品標準要求的棒材產(chǎn)品[6]。當傳感器檢測到棒材尾部完全通過矯直區(qū)后，由拉出機構(gòu)下料電機將棒材拉出，進入出口輸送輥道，然后進行下一道矯直工序循環(huán)[7]。

1.3 控制要求

兩輥矯直機主機的主傳動機構(gòu)包括：拖動上下兩主輥相對旋轉(zhuǎn)運動的兩臺160 kW的主傳動交流電機、減速器和聯(lián)軸器[8]?？刂戚佒鬏伾舷乱苿拥?.2 kW交流電機用以調(diào)節(jié)輥間距。間距調(diào)節(jié)數(shù)值精度控制在小數(shù)點后兩位數(shù)字。矯直機矯直的棒材直徑范圍為30～100 mm，滾光矯直后平直度小于等于0.3%。

2 控制系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)組成與設備選型

由于矯直機對控制響應和控制精度要求很高，所以矯直機的上下2個矯直輥必須采用一套獨立的控制系統(tǒng)進行控制，整個控制系統(tǒng)是以西門子S120伺服驅(qū)動器為核心的二級系統(tǒng)和以S7-315 PLC 為核心的基礎自動化系統(tǒng)構(gòu)成。為了保證矯直機位置控制精度及響應速度，采用由西門子的位置檢測功能模板SM338對矯直機最重要的主壓下裝置進行位置信號采集及處理，控制器采用西門子S7315 PLC控制,輥縫位置及矯直輥角度檢測采用絕對值編碼器檢測角度及位置，速度反饋編碼器與西門子的專用伺服驅(qū)動器S120伺服系統(tǒng)以及PLC組成速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，扭矩傳感器與S120伺服系統(tǒng)以及PLC組成力矩閉環(huán)控制系統(tǒng)，其速度信號和力矩信號通過接口送入S12 CPU單元?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

西門子S120系列傳動交流伺服控制器是一種高性能、高精度的集矢量控制與伺服控制于一身的驅(qū)動控制系統(tǒng)。由于S120具有模塊化的結(jié)構(gòu)設計，使得安裝、維護簡單易行[9]；本設計選用控制單元、整流、逆變均為獨立模塊的DC-AC型控制系統(tǒng)[10]。功率驅(qū)動模塊按工廠實際要求選用PM340裝機裝柜型，該模塊在電源為三相AC380～400 V時，輸出功率為110 ～220 kW，符合本設計160 kW上下輥電機拖動的控制要求。PLC配置了兩個8通道的高速計數(shù)單元模塊FM352，用來處理上下輥輥間距的精確調(diào)節(jié)的控制要求。CPU選擇CU320-2DP，CU320控制單元與PLC CU315數(shù)據(jù)交換通過PROFIBUS DP網(wǎng)絡[11]現(xiàn)場總線完成。分別通過西門子STEP7軟件和Starter軟件進行硬件組態(tài)和參數(shù)設置[12]。通過觸摸屏監(jiān)視和控制設備，可隨時現(xiàn)場修改參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)裝配圖如圖3所示。

2.2 主電機傳動系統(tǒng)電路設計

上輥主電機拖動電路如圖4所示，由于電機功率較大，電機進線端設計有平波電抗器，連接在電源模塊進線處“R S T”,而電源模塊輸出端“U V W”則連接160 kW三相異步交流電動機。在斷路器出線處各串聯(lián)一個電感，用來增大短路阻抗、限制短路電流，在發(fā)生短路故障時，維持母線電壓水平，使母線上的電壓波動較小，保證其他電氣設備運行的穩(wěn)定性[13]。電源模塊310的X121端接有遠程/近地切換功能的繼電器2KA01，遠程控制由PLC通過DP總線向S120的CPU CU320發(fā)出控制命令，近地控制則通過傳動控制柜的控制面板開關2SB01實現(xiàn)。近地控制的主要作用是方便調(diào)試。X23端子接有反饋編碼器B1，接收電機的速度信號以實現(xiàn)電機的閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。

2.3 S120速度同步、力矩同步控制方案

設備機械結(jié)構(gòu)為上下兩輥組成的矯直機。為保證被矯直棒料精度為0.3%的高精度技術(shù)指標，要求兩矯直輥速度同步，即矯直輥驅(qū)動電機之間需要保證運行速度的同步，以及轉(zhuǎn)矩的平均分配。因此，兩臺S120采用主從控制應用方式、轉(zhuǎn)矩分配通過參數(shù)設置方法來實現(xiàn)。將主機工作模式設定為速度模式，從機工作模式設定為轉(zhuǎn)矩模式，將主機的轉(zhuǎn)矩設定值作為從機的轉(zhuǎn)矩給定值[14]。主從電機機械同軸[15]，系統(tǒng)運行時，從機轉(zhuǎn)矩始終與主機一致，從機速度始終與主機相同，從機轉(zhuǎn)矩始終跟隨主機轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)按照主機的速度閉環(huán)運行，轉(zhuǎn)矩響應比較快。這樣就完成了速度同步、轉(zhuǎn)矩同步的分配[14]。 出現(xiàn)偏差時，由速度傳感器和扭矩傳感器檢出后信號送給PLC處理，通過程序進行修正。其連接方式如圖5所示[16]。S120使用CU320作為控制單元，PROFIBUS DP連接到PLC CU315上，借助PROFIBUS DP的SLAVETO SLAVE通信，實現(xiàn)兩個S120設備之間的數(shù)據(jù)交換。

圖4 主電機上輥電機控制柜電路圖

圖5 主從控制連接圖

2.4 S120主從控制方案配置

S120的主從控制配置是在西門子驅(qū)動控制單元專用軟件STARTER下完成，在進行主從控制配置時，首先要完成基本驅(qū)動單元的設備組態(tài)。然后配置主從通信方式， 再根據(jù)實際使用的主從通訊方式，定義傳輸?shù)臄?shù)據(jù)順序和內(nèi)容、定義主從通訊數(shù)據(jù)，如表1所示[15]。

表1 主從通信數(shù)據(jù)

3 控制系統(tǒng)軟件設計

3.1 軟件設計思想

控制系統(tǒng)流程如圖6所示。按照控制要求，首先將需要矯直的管棒材放到布料臺上，根據(jù)傳感器的檢測信號判斷棒材是否到位，確定到位后啟動，系統(tǒng)開始判斷進料道是否有料，如果沒有，撥料機構(gòu)往入口輸送輥道撥進一根料，棒材經(jīng)由入口輸送輥道進入矯直區(qū)，棒材完全通過矯直區(qū)后，進入出口輸送輥道，拉出機構(gòu)將棒材拉出到下料架上，進入下一循環(huán)[8]。

圖6 控制系統(tǒng)流程圖

3.2 STARTER的使用

第一步，報文配置完畢后，首先在STARTER軟件，設定通信方式為“S7ONLINE(STEP7)-->TCP/IP->Inter(R)82567L”，然后通過“Accessible nodes”來在線讀取連接設備后，接受讀取裝置信息。最后，在線項目，恢復出廠設置后打開自動組態(tài)界面進行自動組態(tài)，選擇Vector方式[17]。第二步，進行電機自動識別，進行這一步時要先將項目離線，對VECTOR_02進行電機配置界面。

3.3 報文選擇配置

先在PLC側(cè)進行硬件組態(tài)時，對CU310-2DP模塊進行報文配置，本設計根選擇西門子S120系統(tǒng)的第352號報文。在STEP7 狀態(tài)監(jiān)視窗口顯示并分配報文地址。每個電機模塊分配一個地址。再進入STARTER軟件，進行DP地址核實，只有完全相同，才可以進行報文配置。

3.4 報文控制CU320-2DP程序編輯

新建一個DB41背景塊，在背景塊內(nèi)編輯所需參數(shù)程序，功能塊中所有的程序，均在此背景塊的基礎上運行，如圖7所示。

圖7 DB41背景塊圖表

新建一個FC41功能塊，根據(jù)352號標準報文格式和參數(shù)程序進行編程，“DB41.DBX1.0”為報文控制軸上使能信號的控制位，“M7.0”為軸上使能標志，即若“M7.0”由OFF狀態(tài)變換為ON狀態(tài)，主電機傳動軸就會得電開始工作。依此編程，實現(xiàn)對傳動裝置的遠程控制。

S7-300PLC通過PROFIBUS周期性通訊方式將控制字和主設定值發(fā)送至驅(qū)動器，進行報文配置，控制字與狀態(tài)字首地址100H。如圖8所示，為PROFIBUS從站數(shù)據(jù)讀取梯形圖程序[18]。SFC14 (“DPRD_DAT”) 用于讀PROFIBUS從站的數(shù)據(jù)。SFC15 (“DPWR_DAT”) 用于將數(shù)據(jù)寫入PROFIBUS從站。

LADDR：硬件組態(tài)時PZD起始地址。W#16#100是十六進制表示的通道地址。

RECORD：表示數(shù)據(jù)塊DB1中定義的控制通道的接受控制數(shù)據(jù)的起始地址，以及電機反饋回來的實時數(shù)據(jù)。

RET_VAL：程序塊的狀態(tài)字。

圖8 PROFIBUS從站數(shù)據(jù)讀取梯形圖程序

建立的一個FB4數(shù)據(jù)塊，在此數(shù)據(jù)塊內(nèi)通過比例運算，將“MW22”內(nèi)存儲的速度值換算成程序可以運算的十六進制值，送給控制字“DB41.DBW2”，用以控制功率模塊速度輸出。如圖9所示，為主電機速度設定梯形圖程序。

該系統(tǒng)電機額定轉(zhuǎn)速為1 480 r/min，在實際應用中為了避免工人因操作失誤而造成速度設定值超出最大值，特設計如圖10所示的限制程序.當工人設定值超出1 500 r/min時，程序自動更改為1 500 r/min；同理，若最低值小于0時，程序自動更改為0。

圖9 主電機速度設定梯形圖程序

圖10 速度值限制梯形圖程序

4 結(jié) 論

設計控制系統(tǒng)已應用在東北特鋼集團撫順連軋廠特種鋼材生產(chǎn)線上，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試及使用，實踐證明，使用西門子S120驅(qū)動控制系統(tǒng)與PLC配合組成的矯直機自動控制系統(tǒng)能很好的實現(xiàn)了兩輥矯直機的速度同步和力矩同步，而且具有性能穩(wěn)定、運行可靠、維護方便、調(diào)節(jié)精度高、參數(shù)設置方便等特點。通過檢測平臺測量和最終用戶撫順特鋼集團使用證明，采用該控制系統(tǒng)的矯直機加工的棒材直線度誤差為0.2～0.3 mm/m，達到了0.3%的控制要求，超過了GB/T 1184—1996 幾何公差國標標準的0.4 mm/m的高精度矯直技術(shù)標準。該設備的應用證明該系統(tǒng)設計技術(shù)先進，集成合理，操作方便，運行穩(wěn)定可靠，在高精度矯直機領域具有領先水平。

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Design of straightening machine control system based on Siemens S120

WANG Xiaobo1, ZU Longqi1, LIU Shunli2, WU Tiebin3, WANG Jianmin4

( 1.School of Information Science and Engineering, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China；2.Dalian Ike Tecyhnology Information Engineering Company Limited, Dalian 116600, China；3.Datong Coal Mine Group Company Limited, Datong 037001, China；4.Liaoning Silver Porsche Equipment Technology Incorporated Company, Tieling 112000, China )

A methodology designing straightening machine electric drive system based on Siemens S120 servo drive was introduced. The drive system of straightening machine rolls were constituted by Siemens S120 servo drive device, and the controller was Siemens S7315 PLC. The location and angle of roll gap position and straightening roll angle were detected by the absolute value encoder. The speed closed-loop control system was composed of speed feedback encoder, S120 and PLC, while the torque closed-loop control system was composed of torque sensor, S120 and PLC. The communication between CPU control unit and S120 was completed by PROFIBUS-DP field bus, which realized the synchronization control of speed and torque for the straightening machine rolls and 0.3% precision technical indicator.

S120 drive system; straightening machine; speed synchronization; torque synchronization

2015-09-16.

王小博(1991-)，女，碩士研究生；通信作者：祖龍起(1955-)，男，教授.

TP273

A

1674-1404(2017)02-0151-06

王小博,祖龍起,劉順利,武鐵彬,王建民.基于西門子S120的矯直機控制系統(tǒng)設計[J].大連工業(yè)大學學報,2017,36(2):151-156.

WANG Xiaobo, ZU Longqi, LIU Shunli, WU Tiebin, WANG Jianmin. Design of straightening machine control system based on Siemens S120[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2017, 36(2): 151-156.