西門子運動控制解決方案為濟南二機床開卷落料之龍點睛

■ 西門子公司供稿

在如今的汽車板材生產車間里已經很少能看到手持簡單工具零敲碎打的工人，取而代之的是高度集成、高度自動化的流水線作業，從原材料卷板到成型的汽車板材所需經歷的開卷、清洗涂油、校平、落料和碼垛等操作可以通過“開卷落料線”的工藝流程先后完成。此類生產線在發達國家的汽車制造商中已普遍采用，并且逐漸走向了國內企業的廠房之中。

濟南二機床集團是目前國內唯一一家能夠生產高檔開卷線的企業，也是中國規模最大的重型鍛壓設備和大型金屬切削機床制造企業，公司的生產和技術研發能力、產品品類和技術水平等方面多年來均位于國內同行業的首位（見圖1）。

近期濟南二機床為株洲匯隆實業訂做了一條設計產能達5萬t（約500萬片）/年冷軋鋼板、年生產時間3 800h的大型開卷落料生產線。如果把整條生產線的設計實施比作描繪一條巨龍，那么解決生產線的運動控制問題就好比為這條龍注入靈動的活力——點睛。西門子為這點睛之筆提供了2個PLC300，分別控制開卷和堆垛；1臺Simotion D445運動控制器和7臺Sinamics S120；39臺Simotics 1FT6與1PH7電動機；4個ALM可回饋整流單元。此套系統在功效、精度及節能等方面的整體性能無不各具過人之處。通過西門子完整解決方案及全套電器設備的助力，整條生產線的工作效率、工藝精度和穩定性均得到了大幅提升——使用一臺600T壓機實現了65次/min的最高沖次，送料速度最高可達70次/min和180m/min，加工精度達到了±0.15mm的水平。

圖1 濟南二機床廠區

為擺剪模保駕護航

開卷落料線并不是新興產業，但這并不意味著其中缺乏技術創新的空間。作為目前已趨于成熟的傳統生產線，各主要廠商競爭的焦點在于提高生產效率以及減少能耗。

通常的開卷落料線主要分為開卷、較平、活套、輥輪進給和剪切（沖壓）等5個部分。由于汽車所需板材具有多種型號，而此次設計實現的生產線僅有1條，因此它對于成品規格而言必須具有一定的普適性，這種普適性是通過最后的剪切（沖壓）工藝中不同模具的更換而加以實現的（見圖2）。

然而模具的更換過程將不可避免地導致整個工序的全面停滯，因而成為了決定整個生產線整體效率的關鍵因素之一；以及由于制動和起動過程無不牽扯著巨大的能耗，更換模具也在生產過程的整體能耗中占有一席之地。為了在提高效率和減少能耗的焦點之戰中占得先機，濟南二機床在此項目中決定在模具體系中加入國內市場中少有先例的“擺剪模”。的自如拆裝。應用Park功能后，擺剪模的整個更換時間僅需3～4h，其中重新起動時間僅需1～2h，很大程度上提高了整個生產線的工作效率。

軸同步，效率與精度的同步

整條流水線是一個整體，它的整體效率受到諸多因素的協同影響，其中的另一個瓶頸因素是壓機送料。采用西門子的Simotion和Sinamics做壓機的主軸控制，齒輪同步非常方便，從而帶來產品整體性能的高度穩定（見圖3）。

圖2 開卷落料線工藝簡圖

擺剪模是一種特殊的模具，它相比傳統的固定模具而言，最大的特點是可以在自身允許范圍內變換不同的形狀（例如不同斜度的平行四邊形和不同角度的梯形），可以在不更換模具的情況下生產不同規格的板材成品，從而大大減少模具的更換次數，提高加工效率。值得一提的是，此次項目中擺剪模的控制系統同樣采用的是西門子的解決方案。

然而擺剪模作為一種“活”的模具，由于自帶形狀控制電機及其控制部件，牽扯和整個生產線的總線系統的對接等問題，它的更換過程相比傳統固定模具而言顯得更加復雜。如果沿用傳統的方式，拆裝舊模具的時候易造成較難解除的系統告警；安裝新模具的時候也將出現系統兼容性方面的諸多麻煩，將嚴重提高后期維護的難度并且降低生產效率。

西門子團隊針對這一情況進行了大量開創性的研發工作，成功地為此條生產線設計出了針對擺剪模拆裝的Park 功能，通過對系統總線中涉及擺剪模控制的若干功能模塊的關閉與開啟，順利實現了擺剪模

圖3 西門子Sinamics產品在濟南二機床的應用

具體而言，采用西門子解決方案的送料系統可以直接讀取伺服壓機的外部編碼器數據，直接知道壓機主軸的位置，實現軸同步，精準控制壓機送料連續性，提高生產效率。而在其他廠家的類似解決方案中，同樣的反饋控制過程需要首先把伺服控制器或者編碼器的數據讀出，再通過通信發給送料控制器。西門子的這一改進的直接結果是提高了通訊效率和降低了延遲，使送料機具有足夠“敏銳”的反應余地，可以實時辨認壓機的準確位置，確定安全區域，從而使兩者可以同步工作，而不必等到壓機的上一次工作完全結束后再執行下一次送料操作。這一改進，不僅大大提高了生產效率，而且使得送料精度達到了±0.15mm。

制動能耗，自動回收

在能耗控制方面，西門子提供電氣設備的這條開卷落料線同樣具有不俗的表現，其中用于回收制動能耗的ALM模塊功不可沒。

在傳統的類似生產線中，送料、堆垛等電動機由于需要頻繁起停，會有大量能量堆疊消耗在周而復始的制動與起動、減速與加速之中。西門子提供的ALM模塊，可以在制動過程中對電機產生的三相交流電進行整流，并在檢測到直流母線電壓升高時將多余能量回饋給電網，供其他設備使用。該器件的能量反饋效率極高，電動機制動期間由機械能轉化成的電能幾乎能夠無損地返回電網，以此大大降低了整條生產線的綜合能耗。

全套的運動控制解決方案不僅帶來了效率的提升和能耗的下降，更是直接導致了設計流程的簡化和項目周期的縮短——由于統一采用了西門子公司的器件，整條生產線各部分之間的兼容性取得了極大的提升，并且由于得到了西門子方面的技術指導，電氣方面在1～2個月的短暫時間內即完成；由于器件之間的品牌一致性，客戶日后的維護工作也將得到無形的簡化。此外就器件性能而言，Simotion D445和Sinamics S120以其強大的功能受到了客戶極大好評；全套系統的以太網通訊功能更是受到了客戶的交口稱贊。

西門子的運動控制系統解決方案使得濟南二機床制造的這條龐大的生產線得以更加高效低耗、準確自如地投入到交付后的生產工作之中，它的助力無疑為這條巨龍做了點睛之筆。