力士樂伺服系統的應用

本文通過對力士樂伺服系統在國內首條方管冷軋管機電控系統中的應用技巧探討，希望對業內其他同行日后的設計應用有一定的借鑒意義。

廣東冠邦科技有限公司近期集結國內外各方面知名專家學者，歷時兩年時間終于成功研制出一款FG-90-HS型冷軋管機。該型設備主要用于外方內圓型不銹鋼管材的精細軋制；經過一年多時間的方案整改及現場調試最終取得了歷史性的成功，該型設備現已交付客戶驗收使用。該型冷軋管機對于電控伺服系統的要求幾乎接近苛刻，對于回轉送進的同步性尤其回轉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送進的同步性要求較高，但對于回轉角的控制精度要求則相對較低；一般回轉誤差控制在正負3度之內不會對成品管材產生質量缺陷；但是對于方管冷軋管的回轉機構如果回轉誤差或回零點超過正負1度都有可引起嚴重的生產事故，所以設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重要的核心技術關口。

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軟件；

冷軋管機主傳動采用西門子6RA70型直流驅動裝置（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，即使在較低轉速時也能提供滿額轉矩，完全能滿足冷軋管機的工藝要求；

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

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

1.控制系統的硬件框架見圖1

圖1 控制系統的硬件框架

2.軋機的主要組成

上料系統，回轉送進裝置，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，成品管快速拉出裝置，芯棒裝置，出料系統，管坯內潤滑裝置等。其主機功率：200kW（ 直 流調速）；回轉電機：兩 臺33.5kW（ 交流伺服）；回轉送進 ：33.5kW（ 交流伺服）。

3.其 各 系 統的主要功能如下

（1）送進電機：送進小車置于中間床身內，由回轉送進箱帶動絲桿驅動，將管坯送入變形區。通過對交流伺服電機轉數的精確控制，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，可確保每次的送進量準確及時。

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

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

圖2 伺服軸控制程序

圖3 伺服軸控制程序

（4）主傳動電機：通過直流裝置實現對主電機轉數/轉矩的精確控制，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：通過對交流電機轉數的精確控制，實現將料培順利可靠地送入上料輥道。

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

基本控制方案

當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軸上的主編碼器也隨之轉動，將其實時的位置信號通編碼器專用反饋電纜送入相應的伺服驅動器。當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運動加之其同步帶的速比關系，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。

當主機架到達前極限位置時，回轉送進伺服系統在程序內電子凸輪的實時跟隨驅動下完成管坯的同步回轉送進。管坯的同步送進較易實現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，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前限位后自動回零，直到送進小車退回床身原點位。

其系統的核心就是控制出口及入口卡盤同步跟隨主機架實現精確回轉90度（因為是方管軋制所以回轉角固定）；經現場調試發現其控制精度幾乎達到苛刻要求，系統調試難度較高許多意外困難也一一出現。尤其是故障停機后，對出/入口卡盤的絕對準確回零控制都有很高的要求。一旦控制出現意外差錯，就會造成管坯及機組的直接損壞。雖然起初方案設計時每臺伺服電機都自帶有編碼器，用于自身的閉環修正控制；同時出/入口卡盤回轉機構還額外配有相應的編碼器進行回轉位置的實時檢測形成外部位置控制環；從而構成雙重閉環位置控制系統。一般情況下該種控制方案已經具備了較高的控制精度，足以滿足絕大多數工業控制要求；但實際應用中由于各種客觀因素及其人為因素的干擾偶爾引起出/入口卡盤回零時發生偏差。為了保證出/入口卡盤回零的絕對準確可靠運行，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形成外部保護環，當出/入口卡盤執行回零操作后該檢測開關如果沒有發訊就會啟動相應的程序保護，該方案經過近一年來的現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控管坯的送進量及其回轉角，并且回轉角可以根據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，在系統中設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實時采集傳動系統等的工作狀態、數據，判斷系統各部分是否處于正常工作狀態。當檢測到系統故障發生時，PLC將根據檢測到的故障及軋管機目前的工作狀態進行相應的保護和報警提示。大多數機組常見故障都可被準確地判斷出來，如：失速、過流、電源缺相、伺服跟蹤、檢測信號、油壓油溫等，使系統的維護工作量大大減少。

結論

此次設計的電控系統是力士樂伺服系統在國內首條方管冷軋管機中的首次具體應用。雖然力士樂伺服系統在圓管冷軋管機中以早已應用但此次應用的意義非凡。此次應用實際檢驗了伺服系統在高慣量，重負載，大沖擊等惡劣工控下的各項技術性能，充分體現了力士樂其伺服系統的精確性、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。同時對于新設計研發的有伺服回轉定位系統應用的機械設備，如果客觀情況允許的話建議最好在設備出廠前對伺服系統進行單獨測試，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化。這樣可以大大提高機組的可靠性，同時機組的調試工期及其綜合成本都會大大降低。