无缝钢管步进式冷床的控制系统

无缝钢管步进式冷床的控制系统
闫文秀
【摘要】介绍了无缝钢管生产线上步进式冷床的电气传动和控制系统.通过使用SINAMICS系列变频器实现了步进式冷床升降装置的主从运动控制,包括快速制动及速度切换时的快速能量回馈;以S7-300系列的315-2DP CPU作为自动化系统的控制核心;使用S7-GRAPH语言编写关键程序;HMI人机界面实现对设备和钢管实时监控与跟踪.步进式冷床控制系统采用上述设计选择,可有效提高设备运行的稳定性,保证产品的高品质.
【期刊名称】《钢管》
【年(卷),期】2013(042)004
【总页数】4页(P71-74)
【关键词】步进式冷床;自动化控制;SINAMICS变频器;S7-GRAPH语言;HMI人机界面
【作者】闫文秀
【作者单位】太原重工股份有限公司技术中心,山西太原030024
【正文语种】中文
【中图分类】TG333.3
步进式冷床是无缝钢管生产线的主要设备之一，通常置于定（减）径机和预精整设备之间，主要用于钢管的输送和旋转冷却［1］。

与其他的运输冷却设备相比，步
进式冷床的优点在于移送过程中钢管会自行矫直、表面不易被划伤、能均匀地降温。

该设备不仅可以实现钢管步进式移送，还可以实现钢管原地旋转踏步，便于钢管的后续生产和管理［2］。

太原重工股份有限公司（简称太重）近几年设计的步进式冷床已应用于黑龙江建龙钢铁有限公司Φ273 mm Accu-Roll机组、山东海鑫达石油机械有限公司Φ273 mm阿塞尔机组、新兴铸管股份有限公司Φ219 mm新型狄塞尔机组等斜轧项目，江阴华润制管有限公司、韩国日进集团等Φ180 mm连轧项目。

步进式冷床结构如图1所示。

其机械结构主要由上料机构、升降装置、步进装置、踏步装置和卸料装置组成［3］；控制系统主要包含电气传动、电气控制、HMI人机界面3部分。

本文重点介绍太重对无缝钢管步进式冷床控制系统的设计选择。

1 电气传动
步进式冷床的传动主要包含钢管上料、冷床升降、输入输出辊道3部分。

其电气
传动系统单线如图2所示，传动装置采用SINAMICS系列变频器。

图1 步进式冷床结构示意
图2 步进式冷床电气传动系统单线示意
1.1 传动系统的设计选择
冷床升降装置是由2台电机共同驱动一偏心装置作旋转运动（图1），床体运行至上、下位时电机需要减速停止。

在选择传动装置时，需充分考虑偏心装置旋转下落时产生的势能和频繁制动时产生的动能，可以选择变频装置加制动单元和制动电阻，也可以是整流装置加逆变装置在直流母线挂制动单元和制动电阻，还可以选择整流回馈加逆变装置。

从节能降耗角度出发，选择S120多传动共直流母线的传动方式是最佳方案［4］。

升降变频调速装置的直流电源选择非调节型电源模块SLM ［5］。

冷床入口上料装置选用SINAMICS S120单机传动变频调速装置，冷床入
口辊道采用SINAMICS G120作为变频调速装置。

从图2可以看出：2台冷床升降主电机的逆变装置使用1台公共的SLM整流回馈装置作为其直流电源，3个装置使用1个公共的控制器来控制；冷床入口上料电机采用1个公共的控制器控制2个单传动的变频调速装置，变频调速装置通过制动
单元外接制动电阻实现制动，并通过Drive-CliQ电缆连接至控制器。

SINAMICS S120调试最简便的方法是使用编程器，编程器需要安装调试软件Starter或者是Scout［6］，其中 Scout软件中包含 Starter软件。

编程器与SINAMICS S120的连接方法有DP通讯卡、RS232或是CPU的路由功能。

装置
调试首先需要进行硬件配置，硬件配置可以在线配置，也可以离线配置，通常优先选择在线配置。

其步骤为：①恢复工厂设置；②进行在线自动配置，自动配置需要选择控制模式为Vector，组态过程中要进行硬件（Firmware）升级，此时不能掉电，否则会损坏硬件，升级完成后则需要对控制器进行掉电；③进行功率模块配置、编码器数据配置、电机数据配置、参考数据配置等工作。

配置完成后必须把参数从随机存储器RAM备份到只读内存ROM，以防止掉电丢失参数。

1.2 主从功能的实现
选择冷床升降电机1作为主机，冷床升降电机2作为从机。

2台逆变器独立带电
机进行参数设置并完成电机（静态、动态）优化，特别注意动态优化时要保持2
台逆变器的速度环参数一致，优化完成后把1号逆变器的力矩实际值作为2号逆
变器的力矩给定值，这样冷床升降主电机2将在力矩模式下工作。

这些工作都可
以通过软件来设置完成。

2 电气控制
基础自动化使用S7-300系列PLC作为逻辑控制器，使用CPU 315-2DP作为控
制核心，传动装置和远程分布式I/O端口通过Profibus-DP总线直接连接至CPU。

步进式冷床的自动化控制系统网络如图3所示，系统的安全通过搭建安全继电器
组来实行［7］。

图3 步进式冷床的自动化控制系统网络示意
用于采集冷床入口上料装置和动齿条升降位置的SM338功能模板安装于远程分布式I/O端口上，安装在现场设备上的绝对值编码器通过屏蔽电缆连接至SM338功能模板，这样做将节省大量的现场电缆，也能给后期使用和维护带来便利。

编码器长期运行会产生位置偏差，因此选择带清零功能的编码器。

编码器有一个专用的外接端子通过外接DC24电源实现编码器数值归零，该外接端子通过继电器
连接至电源。

如运行或检修中发现位置存在偏差，确认冷床升降装置运行至零位时，从操作台发送清零指令至PLC，此时安装于现场操作箱的继电器将吸合实现编码
器数值归零。

步进式冷床运作过程的实现：步进踏步油缸处于原始位置，液压制动器打开，2台升降电机旋转驱动床体上升，使床体处于上位（信号由位置编码器发出），电机停止，制动器制动；步进踏步油缸前进（回退）至前（后）极限（信号由接近开关发出），制动器打开，升降电机再次旋转驱动床体下降至下位；制动器制动，步进踏步油缸回退至原始位置，升降电机和步进踏步缸停止动作，完成一个冷床动作周期。

从上面描述可以看出冷床的工艺动作是以一个相对固定的时序在循环执行，使用
S7-GRAPH语言将有利于该动作的实现［8］。

S7-GRAPH相对于STEP7中的LAD、FBD和STL语言具有更多的优点［9-10］，LAD、FBD和STL重点集中在逻辑控制上，而S7-GRAPH更关注过程顺序，以图形方式清晰地表示过程。

S7-GRAPH是针对顺序控制而开发的编程工具，它不仅具有PLC典型的元素（如输
入/输出、定时器、计数器），而且增加了8个顺序控制器，每个顺序控制器可以
有250个步骤，每个步骤有100个动作，支持事件触发功能和切换运行模式（手动、自动或点动）。

使用S7-GRAPH语言实现冷床步进和踏步功能的程序如图4
所示。

图4 使用S7-GRAPH语言实现冷床步进和踏步功能的程序示意
3 HMI人机界面
使用工业过程计算机作为HMI主机，通过工业以太网连接至PLC主站。

控制冷床升降的电机电流和速度，冷床入口上料装置、动齿条升降位置、步进踏步缸位置等设备状态，以及钢管位置物料跟踪信息都将在HMI上进行显示。

HMI使用西门子的 WINCC 软件来完成［11］。

4 结语
冷床作为无缝钢管生产线的重要工序设备之一，其控制系统中升降驱动装置采用整流回馈装置，而不使用制动单元加制动电阻，有利于节能降耗；通过S7-GRAPH
语言使用可优化程序结构，给电气的维护和使用带来便利；通过网络合理配置（PLC至远程站的传动装置采用Profibus-DP网络，PLC至HMI采用工业以太网）可提高冷床电气控制系统的运行稳定性；电气控制系统中大量变频调试装置的使用要求接地必须可靠，中间电缆的选择和敷设也必须满足相关的标准和规范，从而保障电气控制系统正常工作。

满足生产工艺需求的步进式冷床设计，是生产高品质无缝钢管的有力保障。

5 参考文献
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［2］陈碧楠，宋鹍，刘荣.步进式冷床优化设计［J］.重庆工学院学报：自然科学版，2008，22（7）：30-33.
［3］饶维江，朱燕玉.钢管步进式冷床齿形设计方法及应用［J］.钢管，2013，42（2）：37-41.
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［10］廖常初.S7300/400 PLC应用教程［M］.北京：机械工业出版社，2011. ［11］杜慧峰.WinCC组态穿孔机组监控画面的研究［J］.山西冶金，2012，35（4）：25-26.。