大型冷轧管机组的电气控制系统研制

赵铁琳

（太原重工股份有限公司技术中心，山西太原030024）

大型冷轧管机组的电气控制系统研制

赵铁琳

（太原重工股份有限公司技术中心，山西太原030024）

摘要：LG720冷轧管机组是世界最大规格冷轧管机组。为该机组研制的电气系统采用了PLC、变频调速、PROFIBUS-DP网络通讯、SIMOTION D、HMI等技术，实现了多机变频调速传动，对大惯量负载的送进和回转机构实现高动态响应、高精度定位和同步控制，满足了大型冷轧管机组的生产要求。

关键词：冷轧管机；SIMOTION D；大惯量负载；高动态响应

1　引言

目前，中国的钢铁市场出现了产能过剩情况，但不锈钢无缝管广泛应用于石油、航空、电力、化工、化纤、医疗机械等领域，市场需求量很大。冷轧管机组主要轧制不锈钢无缝管，并其以独特的工艺特点、成材率高、道次变形大、变形状态好、设备简单等优点，广泛应用于世界各国的工业生产中［1］。太重研制开发LG720冷轧管机组在江苏某钢厂试制成功，并生产出合格的不锈钢钢管。该机组目前是世界最大规格的冷轧不锈钢无缝钢管机组。

2　 LG720冷轧管机设备介绍

LG720冷轧管机组采用的是单根生产，停机上料的工作制度，主机架由曲柄连杆往返周期式驱动，送进和回转机构采用伺服驱动系统，实现快速和精准的送进、回转和定位。其主要设备组成如图1所示，其轧制规格表见表2。

图1　冷轧管机组设备简图

表1　 LG720冷轧管机组轧制规格表

3　电气控制系统

电气控制系统框图如图2所示。根据冷轧管机组的设备运行和冷轧管工艺要求，电气控制系统以西门子S7300PLC作为主控制器；通过PROFIBUS-DP网络采集现场I/O信息，并配置HMI，用以输入生产参数及设备运行数据的监控和记录，HMI与主PLC采用工业以太网进行通讯；主电机采用西门子直流调速系统和EM277 PLC进行主传动系统的数据采集和处理，并和主PLC进行数据交互；辅助（包括送进及回转系统）传动部分采用西门SINAMICS S120多机传动变频调速系统［2］；润滑系统和流体系统的信号通过现场I/O从站采集；启停及连锁逻辑程序由主PLC实现。

图2　电气控制系统框图

3.1主控制器

机组的主控制器采用西门子S7300PLC，其主要完成系统硬件组态、工作模式选择、各设备逻辑控制及其与主传动和辅助传动控制器的通讯等功能。

3.2 PROFIBUS-DP网络

整个电气控制系统只有一条DP网络，共有7个DP从站，其分别为：

（1）主传动驱动器：以西门子6RA70直流调速器作为主驱动器驱动主电机，启动停止命令由主PLC通过逻辑编程来实现，主电机的实际速度、电流等信息的数字量由6RA70驱动器通过DP网络反馈到PLC，在PLC里换算后经由以太网传送至HMI；

（2）主传动EM277PLC：主要负责主传动系统供电设备的合闸与分闸、冷却风机的开与关，以及采集主传动控制系统的反馈信息；

（3）液压与润滑系统远程I/O站：采集液压站、稀油站、工艺润滑站的检测元件信号，并控制液压驱动设备的电磁阀；

（4）操作台：采集现场操作元件的信号；

（5）SLM的控制器CU320：控制为冷轧管机组辅助传动提供直流电源的整流回馈模块(SLM)的启与停；

（6）送进电机驱动控制器CU320；

（7）回转电机驱动器SIMOTION D435。

3.3送进伺服控制系统

送进系统的送进小车两边的丝杠由两台伺服电机独立驱动。驱动两台伺服电机的逆变器经由DRIVE-CLIQ接口由同一个CU320控制。电机自带的测温原件和编码器通过光纤与逆变器的DRIV-CLIQ接口相连，传递温度、位置及实际速度的信息［3］。

送机伺服系统有两种运行模式，既手动模式和轧制模式。上料时采用手动模式，通过点动功能实现，通过修改速度倍率还可以修改前进和后退速度。轧制时采用轧制模式，轧机主机架做周期式往返运动，在机架换向死点处轧辊处于非工作带，与钢管处于非咬合状态，送进机构在这段区间完成一次精准的送进，送进量通过HMI由操作人员设定，通过基本定位功能就可以实现送进机构的精准定位。在配置送进逆变器和PLC通讯时选用西门子标准报文软件SIEMENS telegram110和PZD-12/ 7，它们能快速实现点动和定位功能［4］。

由于两台伺服电机独立驱动送进小车两边的丝杠，因各种原因（如一台伺服驱动器故障停止、机械设备卡阻等），可能导致两边丝杠位置出现非允许范围之外的偏差，为此，在逻辑控制程序里要加上相关联锁，以避免设备的损伤。

3.4回转伺服控制系统

回转系统包括芯棒卡盘装置、中间卡盘装置和前口卡盘装置。毛管经后上料穿在芯棒上，主机架前未轧制的毛管穿入中间卡盘中，主机架后轧制过的荒管穿入前口卡盘中，在每次主机架行进至换向死点时，三台卡盘同时反转，将芯棒和毛管共同反转一个相同的角度。

中间卡盘和前口卡盘夹着同一根钢管的两头，要求角速度相同。钢管轧制后和芯棒会有一定的粘附力，如果夹芯棒的芯棒卡盘和夹管子的中间及前口卡盘角速度不一样，管子和芯棒相对滑动会划伤管子内表面，为此，回转系统采用SIMOTION D435做多轴同步控制。

回转系统由SIMOTION D435控制，它是一种基于SINAMICS S120驱动平台的多轴的运动控制器。作为一个运动控制器，SIMOTION D435集逻辑控制、运动控制（定位、同步控制等）以及工艺控制（压力、温度控制等）于一身，且具有执行周期短、响应速度快等特点。以芯棒卡盘伺服电机作为主轴，中间卡盘和前口卡盘作为从轴对三台回转伺服电机做齿轮同步控制，芯棒卡盘伺服电机本身做相对定位运动，相对运动的角度即为翻转量，由上位机设定经以太网传送至主PLC，主PLC再通过PROFIBUSDP网络传送至SIMOTION D435控制器［5］。

4　技术关键

对于送进机构的两个丝杠，因机械结构对两边偏差的容纳极限很小，这就要求每次送进的定位精度要很高；对于回转机构的卡盘，翻转过程中角速度的同步性要较高；送进和回转过程执行时间很短，这就要求动态响应速度要快。送进和回转机构均为大惯量负载，要满足以上要求，选择伺服电机作为驱动设备，利用其惯量小，动态响应快等特性，并利用西门子S120系列变频器作驱动，轻松实现定位控制和同步控制，满足了工艺要求［6］。送机机构转矩和位置曲线如图3所示，从图3中可以看出，两台送进电机送进时负载基本均衡且位置曲线基本重合。

图3　送机机构转矩和位置曲线

回转机构中回转信号和角度曲线如图4所示，从图4中可以看出，回转机构动态响应快，在一半的回转时间内就完成了回转的动作。

图4　回转机构中回转信号和角度曲线

5　结束语

Φ720 LG冷轧管机组是目前世界最大规格的冷轧管机组，主机架完成轧制工艺要求的变形。要轧制大规格壁厚均匀的不锈钢管，大惯量负载的送进和回转系统很重要，必须确保动态响应快和控制精度高的要求，否则，轧制壁厚将不均匀。只

有送进和回转系统具有很高的控制性能，才能保证冷轧管机组轧制出合格的不锈钢管。因此，确保送进和回转系统的电气参数，实现大惯量负载系统快速准确动作是冷轧管机组的关键技术。根据调试实践经验，建议将送进和回转系统统一由SIMOTION D435进行控制，这样既能满足工艺要求，又能降低生产成本。

参考文献：

［1］阎雪峰，闫菲菲，周红兵，杨刚．我国冷轧管机的现状及发展趋势［J］．重型机械，2010，（3）：1－7．

［2］张杰，曹汉廷，张超，成海宝，杨鹏．高速连续上料冷轧管机电气控制系统［J］．重型机械，2013，（4）：45－48．

［3］杨鹏，董相连，成海宝，李丽，张杰．伺服冷轧管机控制系统的设计［J］．重型机械，2011，（2）：40－43．

［4］西门子公司．Simotion Introduce［M］．北京：西门子公司，2OO7．

［5］李静．现场总线技术在冷轧管机上的应用［J］．有色设备，2006，（5）：33－36．

［6］吴红良．KPW50VMR无缝钢管冷轧管机的电气改造［J］．冶金自动化，2009，（2）：78－80．

中图分类号：TG333．8

文献标识码：A

文章编号：1005—7277（2015）04—0035—03

作者简介：

赵铁琳(1971-)，男，满族，吉林人，太原重工股份有限公司高级工程师，主要从事轧钢产品的电气设计、调试等方面的研究。

收稿日期：2015-01-04

Development of electric control system of the large cold pipe rolling mill

ZHAO Tie－lin

（Taiyuan Heavy Industry Technology Center，Taiyuan 030024，China）

Abstract：LG720 cold pipe rolling mill is the first large-scale cold pipe rolling mill in the world. The electric system applies PLC、variable frequency speed regulation (VFSR)、PROFIBUS-DP network、SIMOTION D and HMI technologies, which can realize the muti-motor VFSR drive, especially in large inertia load feed-in and rotation mechanism with high dynamic response，high precision positioning and synchronization control. This system fully meets the production requirements of the large-scale cold pipe rolling.

Key words：cold pipe rolling mill；SIMOTION D；large inertia load；high dynamic response