SIMOTIOND445在冷轧管机中的应用研究

李振华

摘 要：文章主要介绍俄罗斯CRTM350轧机电气控制系统，SIMOTION D445运动控制系统通过电子凸轮曲线驱动5台伺服电机，使之与主电机能够完成多轴联动协调同步工作，实现双回转双送进的工艺要求。生产实践证明该控制系统精度高、效率高且运行可靠。

关键词：SIMOTION D445；电子凸轮曲线；多轴联动；双回转双送进

引言

冷轧管材应用最广泛和最有代表性的方法是周期性冷轧管法。传统的冷轧管机存在电气控制系统结构复杂，轧制速度和轧制精度低，生产效率低等诸多问题。文章主要介绍俄罗斯电钢城CRTM-350冷轧管机所采用的SIMOTION运动控制系统，SIMOTION D是基于驱动的运动控制系统，集运动控制、逻辑控制与工艺控制功能于一身，能够最大程度满足工艺与生产要求。目前，SIMOTION已广泛应用于印刷、包装、纺织、连续物料加工、金属成型等行业。

1 生产工艺

CRTM-350三辊冷轧管机采用双回转双送进的轧制方式，主要有四个部分，主传动部分，回转部分、送进部分和辅助部分。

主传动部分通过电机、减速机、重锤、传动等装置实现机架的往复运动，带动孔型对管坯进行轧制。

回转部分包括轧制区域前段的出口卡盘，后端的出口卡盘以及固定芯棒的芯棒卡盘三部分，当机架运动到前后死点时，三者同步同时旋转同一设定角度，完成对管坯的旋转。

送进部分包括带动两根丝杠的两个送进电机，当机架运动到前后死点时，二者同时使丝杠按照设定值向前运动，完成对管坯的推动。

辅助部分主要通过液压系统、检测系统配合电机实现上料和出料。

2 硬件设计

CRTM-350 轧机的自动化控制系统主要采用的是SIEMENS SIMOTION D运动控制系统。

（1）控制部分。本系统采用SIMOTION D445作为整个运动控制的核心，并配备4个CX32控制器作为扩展单元。

（2）主传动部分。主传动部分采用带CU320控制单元的S120驱动系统驱动1台1550KW的西门子交流电机，CU320通过DRIVE-CLiQ接口与SIMOTION D445进行数据交换完成矢量控制。

（3）回转和送进部分。回转和送进部分采用直接由SIMOTION D系统中的CX32控制器控S120驱动系统驱动5台西门子伺服电机，伺服驱动部分采用共直流母线方式供电，1个整流单元和5个单电机逆变单元，采用伺服控制。

（4）辅助部分。上料和出料部分采用直接由SIMOTION D系统中的CX32控制器控制，SINAMACSS120驱动系统驱动3台变频电机，其中1台实现变速上料，2台实现同步出料，采用矢量控制。

（5）通过外加9个编码器和SMC20模块，对位置值进行反馈，实现闭环控制。

（6）MP377和TP177作为人机交互界面

3 软件设计

3.1 程序设计

使用系统开发软件SCOUT进行程序设计，SCOUT首先实现SIMOTION D445和S120硬件组态和识别、驱动参数的设置、电机动态性能的调试、故障诊断等功能。

首先进行轴的机械参数、回零方式以及运动性能参数的设定。本系统一共包括5个伺服轴和6个矢量轴，轴的配置要与相应的驱动单元和编码器匹配；同时完成主从轴的同步关系设置；主从轴的回零方式设置；主从轴的动态响应参数设置。配置完成后要利用控制面板进行测试和分析。

其次进行电子凸轮曲线设定，本系统的5个伺服轴的动作都是取决于主轴的位置。因此，在工艺要求下根据主轴在前后死点的位置和速度关系绘制采样多项式曲线，将主从轴进行关联。

最后进行控制程序编写，控制程序主要包括运动控制、逻辑控制以及工艺控制三部分。具体步骤如下。

（1）在D445项目中创建I/O变量并进行分配，完成内部和外部变量传输和控制。

（2）SCOUT软件主要有MCC、LAD、FBD、ST等几种编程语言，本系统主要利用ST语言进行变量创建，利用LAD语言进行变量传输程序编写，利用MCC进行轴的运动程序编写。本系统主要有主从轴的位置、速度、电流、力矩等值的测量和传输；MCC程序主要包括主从轴和辅助轴的点动、主从跟随自动和校准回零三种控制模式，其中在主从跟随自动控制中要完成主从同步程序（同步位置设置、同步速度、同步开始和解除等），故障处理程序等。

（3）SIMOTION系统采用实时操作的概念，程序编写完成后要进行任务分配。执行系统中的“BackgroundTask”被操作系统周期调用；“TechnologicalFaultTask”是外部“I/O”出错时被调用；“MotionTask”启动一个运动任务。根据设计需求对程序进行相应的任务分配，实现程序的合理调用。

3.2 人机界面设计

本系统采用SIEMENS公司的MP377和TP177触摸屏作为可视化界面。MP377面板主要有工作畫面、系统准备画面、轧制画面、送进回转画面、编码器校准画面、报警画面等。工作画面显示设备名称、工作模式、SIMOTION D445系统的工作状态、主从轴的位置、速度、电流值，轧制速度参数设置与实际值，前后死点送进量与实际值，前后死点回转角度设置与实际值等；报警信息画面用于显示设备的故障信息，当操作不当或者设备出现故障时会自动弹出警告信息，使操作人员和维护人员能够明白故障所在。TP177完成对主轴位置的显示，辅助部分轴位置、速度、电流值的显示。所有画面均采用Wincc Flexible软件编写，可视化效果好，操作方便，能极大程度满足现场生产需求。

4 结束语

CRTM-350轧机采用SIEMENS公司的SIMOTION D445运动控制系统作为设备的控制系统，因其在速度和精度方面的强大控制力，在生产中满足了钢管成品外径、壁厚的精度以及表面质量的要求，；同时由于其双回转双送进的控制方式在自动工作模式下大大提高了生产效率；由于其自动化程度极高，不但改善了操作工人的劳动条件，降低了劳动人员的劳动强度，而且还能确保生产的安全性，为钢管的后序生产奠定了基础。

参考文献

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