SIMOTIOND445在冷軋管機中的應用研究

李振華

摘 要：文章主要介紹俄羅斯CRTM350軋機電氣控制系統，SIMOTION D445運動控制系統通過電子凸輪曲線驅動5臺伺服電機，使之與主電機能夠完成多軸聯動協調同步工作，實現雙回轉雙送進的工藝要求。生產實踐證明該控制系統精度高、效率高且運行可靠。

關鍵詞：SIMOTION D445；電子凸輪曲線；多軸聯動；雙回轉雙送進

引言

冷軋管材應用最廣泛和最有代表性的方法是周期性冷軋管法。傳統的冷軋管機存在電氣控制系統結構復雜，軋制速度和軋制精度低，生產效率低等諸多問題。文章主要介紹俄羅斯電鋼城CRTM-350冷軋管機所采用的SIMOTION運動控制系統，SIMOTION D是基于驅動的運動控制系統，集運動控制、邏輯控制與工藝控制功能于一身，能夠最大程度滿足工藝與生產要求。目前，SIMOTION已廣泛應用于印刷、包裝、紡織、連續物料加工、金屬成型等行業。

1 生產工藝

CRTM-350三輥冷軋管機采用雙回轉雙送進的軋制方式，主要有四個部分，主傳動部分，回轉部分、送進部分和輔助部分。

主傳動部分通過電機、減速機、重錘、傳動等裝置實現機架的往復運動，帶動孔型對管坯進行軋制。

回轉部分包括軋制區域前段的出口卡盤，后端的出口卡盤以及固定芯棒的芯棒卡盤三部分，當機架運動到前后死點時，三者同步同時旋轉同一設定角度，完成對管坯的旋轉。

送進部分包括帶動兩根絲杠的兩個送進電機，當機架運動到前后死點時，二者同時使絲杠按照設定值向前運動，完成對管坯的推動。

輔助部分主要通過液壓系統、檢測系統配合電機實現上料和出料。

2 硬件設計

CRTM-350 軋機的自動化控制系統主要采用的是SIEMENS SIMOTION D運動控制系統。

（1）控制部分。本系統采用SIMOTION D445作為整個運動控制的核心，并配備4個CX32控制器作為擴展單元。

（2）主傳動部分。主傳動部分采用帶CU320控制單元的S120驅動系統驅動1臺1550KW的西門子交流電機，CU320通過DRIVE-CLiQ接口與SIMOTION D445進行數據交換完成矢量控制。

（3）回轉和送進部分。回轉和送進部分采用直接由SIMOTION D系統中的CX32控制器控S120驅動系統驅動5臺西門子伺服電機，伺服驅動部分采用共直流母線方式供電，1個整流單元和5個單電機逆變單元，采用伺服控制。

（4）輔助部分。上料和出料部分采用直接由SIMOTION D系統中的CX32控制器控制，SINAMACSS120驅動系統驅動3臺變頻電機，其中1臺實現變速上料，2臺實現同步出料，采用矢量控制。

（5）通過外加9個編碼器和SMC20模塊，對位置值進行反饋，實現閉環控制。

（6）MP377和TP177作為人機交互界面

3 軟件設計

3.1 程序設計

使用系統開發軟件SCOUT進行程序設計，SCOUT首先實現SIMOTION D445和S120硬件組態和識別、驅動參數的設置、電機動態性能的調試、故障診斷等功能。

首先進行軸的機械參數、回零方式以及運動性能參數的設定。本系統一共包括5個伺服軸和6個矢量軸，軸的配置要與相應的驅動單元和編碼器匹配；同時完成主從軸的同步關系設置；主從軸的回零方式設置；主從軸的動態響應參數設置。配置完成后要利用控制面板進行測試和分析。

其次進行電子凸輪曲線設定，本系統的5個伺服軸的動作都是取決于主軸的位置。因此，在工藝要求下根據主軸在前后死點的位置和速度關系繪制采樣多項式曲線，將主從軸進行關聯。

最后進行控制程序編寫，控制程序主要包括運動控制、邏輯控制以及工藝控制三部分。具體步驟如下。

（1）在D445項目中創建I/O變量并進行分配，完成內部和外部變量傳輸和控制。

（2）SCOUT軟件主要有MCC、LAD、FBD、ST等幾種編程語言，本系統主要利用ST語言進行變量創建，利用LAD語言進行變量傳輸程序編寫，利用MCC進行軸的運動程序編寫。本系統主要有主從軸的位置、速度、電流、力矩等值的測量和傳輸；MCC程序主要包括主從軸和輔助軸的點動、主從跟隨自動和校準回零三種控制模式，其中在主從跟隨自動控制中要完成主從同步程序（同步位置設置、同步速度、同步開始和解除等），故障處理程序等。

（3）SIMOTION系統采用實時操作的概念，程序編寫完成后要進行任務分配。執行系統中的“BackgroundTask”被操作系統周期調用；“TechnologicalFaultTask”是外部“I/O”出錯時被調用；“MotionTask”啟動一個運動任務。根據設計需求對程序進行相應的任務分配，實現程序的合理調用。

3.2 人機界面設計

本系統采用SIEMENS公司的MP377和TP177觸摸屏作為可視化界面。MP377面板主要有工作畫面、系統準備畫面、軋制畫面、送進回轉畫面、編碼器校準畫面、報警畫面等。工作畫面顯示設備名稱、工作模式、SIMOTION D445系統的工作狀態、主從軸的位置、速度、電流值，軋制速度參數設置與實際值，前后死點送進量與實際值，前后死點回轉角度設置與實際值等；報警信息畫面用于顯示設備的故障信息，當操作不當或者設備出現故障時會自動彈出警告信息，使操作人員和維護人員能夠明白故障所在。TP177完成對主軸位置的顯示，輔助部分軸位置、速度、電流值的顯示。所有畫面均采用Wincc Flexible軟件編寫，可視化效果好，操作方便，能極大程度滿足現場生產需求。

4 結束語

CRTM-350軋機采用SIEMENS公司的SIMOTION D445運動控制系統作為設備的控制系統，因其在速度和精度方面的強大控制力，在生產中滿足了鋼管成品外徑、壁厚的精度以及表面質量的要求，；同時由于其雙回轉雙送進的控制方式在自動工作模式下大大提高了生產效率；由于其自動化程度極高，不但改善了操作工人的勞動條件，降低了勞動人員的勞動強度，而且還能確保生產的安全性，為鋼管的后序生產奠定了基礎。

參考文獻

[1]張立群，李鐵才，萬筱劍.SIMOTION D在銅箔后處理生產線上的應用[J].制造自動化，30（6）：47-49

[2]崔潤記，張君峰，李忠，等.西門子新型運動控制器Simotion D435在全鋼工程胎成型機上的應用[J].橡塑技術與裝備，2007（4）：49-57.

[3]西門子公司.SIMOTl0N MCC Motion Control Chart[Z].北京：西門子公司，2007.

[4]西門子公司.SIMOTl0N D使用手冊[Z].北京：西門子公司，2008.

[5]葛曉忠.基于SIMOTION D系統的全自動濕巾包裝機的運動控制研究[J].制造自動化，2011（23）：83-87.