力士乐伺服系统的应用

本文通过对力士乐伺服系统在国内首条方管冷轧管机电控系统中的应用技巧探讨，希望对业内其他同行日后的设计应用有一定的借鉴意义。

广东冠邦科技有限公司近期集结国内外各方面知名专家学者，历时两年时间终于成功研制出一款FG-90-HS型冷轧管机。该型设备主要用于外方内圆型不锈钢管材的精细轧制；经过一年多时间的方案整改及现场调试最终取得了历史性的成功，该型设备现已交付客户验收使用。该型冷轧管机对于电控伺服系统的要求几乎接近苛刻，对于回转送进的同步性尤其回转角的控制精度及其累计误差要求极高。一般的圆管冷轧管机对于回转送进的同步性要求较高，但对于回转角的控制精度要求则相对较低；一般回转误差控制在正负3度之内不会对成品管材产生质量缺陷；但是对于方管冷轧管的回转机构如果回转误差或回零点超过正负1度都有可引起严重的生产事故，所以设计一套性能绝对可靠、控制精度极高的伺服控制变得尤为重要，可以说是整个机组一个至关重要的核心技术关口。

控制方案的硬件组成

核心控制单元（PLC）采用力士乐CML40.2-SP型CPU ；

可视化硬件配置研华10寸触控式工控机，其操作画面采用力士乐组态软件；

冷轧管机主传动采用西门子6RA70型直流驱动装置（配置Profibus DP通信）带动主直流电机运作，该传动装置性能可靠，运行平稳，即使在较低转速时也能提供满额转矩，完全能满足冷轧管机的工艺要求；

回转送进系统采用力士乐交流伺服控制系统（配套力士乐伺服专用电机），该驱动配置SERCOS光纤闭环通信协议，从而保证其控制命令及位置反馈的实时性和准确性；

其移料/上料系统采用西门子G120型变频器（配置Profibus DP通信）驱动交流电机实时准确运转；确保管坯移料及其管坯上料机械动作执行的可靠性，流畅性。

1.控制系统的硬件框架见图1

图1 控制系统的硬件框架

2.轧机的主要组成

上料系统，回转送进装置，芯棒卡紧装置，中间床身，送进小车，机架，机座，出口入口卡盘，偏心齿轮箱，主传动机构，成品管快速拉出装置，芯棒装置，出料系统，管坯内润滑装置等。其主机功率：200kW（ 直 流调速）；回转电机：两 台33.5kW（ 交流伺服）；回转送进 ：33.5kW（ 交流伺服）。

3.其 各 系 统的主要功能如下

（1）送进电机：送进小车置于中间床身内，由回转送进箱带动丝杆驱动，将管坯送入变形区。通过对交流伺服电机转数的精确控制，进而可随意控制不同大小的送进量。由于采用了交流伺服系统，可确保每次的送进量准确及时。

（2）入口电机：通过对交流伺服电机转数的精确控制，进而保证在轧制过程中毛坯管实时跟随主机同步回转，且回转角度精确可控；同时对管坯也有导向作用，有利于稳定轧制。

（3）出口电机：通过对交流伺服电机转数的精确控制，进而保证在轧制过程中成品管实时跟随主机同步回转，且回转角度精确可控；同时对管坯也有导向作用，有利于稳定轧制。

图2 伺服轴控制程序

图3 伺服轴控制程序

（4）主传动电机：通过直流装置实现对主电机转数/转矩的精确控制，进而保证在轧制过程中大皮带轮的匀速圆周运动（主编码器通过同步带连接在大皮带轮转轴上），有利于送进/入口/出口伺服电机的同步跟随。

（5）移料电机：通过对交流电机转数的精确控制，实现将料培顺利可靠地送入上料辊道。

（6）上料电机：通过对交流电机转数的精确控制，实现料培自动可靠地穿入芯棒并使推料小车准确返回起始位。

基本控制方案

当主电机带动大皮带轮匀速圆周运动时，此时通过同步带连接在大皮带轮转轴上的主编码器也随之转动，将其实时的位置信号通编码器专用反馈电缆送入相应的伺服驱动器。当大皮带轮匀速圆周运动时会带动装有轧辊装置机架在滑板上做往复运动加之其同步带的速比关系，所以主编码器采集的实时位置也就是主机架的具体运动位置。

当主机架到达前极限位置时，回转送进伺服系统在程序内电子凸轮的实时跟随驱动下完成管坯的同步回转送进。管坯的同步送进较易实现且精度要求也不是十分苛刻，同时在送进小车的前、后极限位置均装有限位保护开关，以防止小车意外越程造成机械事故。还有管坯轧制过程中送进小车到达前限位后自动回零，直到送进小车退回床身原点位。

其系统的核心就是控制出口及入口卡盘同步跟随主机架实现精确回转90度（因为是方管轧制所以回转角固定）；经现场调试发现其控制精度几乎达到苛刻要求，系统调试难度较高许多意外困难也一一出现。尤其是故障停机后，对出/入口卡盘的绝对准确回零控制都有很高的要求。一旦控制出现意外差错，就会造成管坯及机组的直接损坏。虽然起初方案设计时每台伺服电机都自带有编码器，用于自身的闭环修正控制；同时出/入口卡盘回转机构还额外配有相应的编码器进行回转位置的实时检测形成外部位置控制环；从而构成双重闭环位置控制系统。一般情况下该种控制方案已经具备了较高的控制精度，足以满足绝大多数工业控制要求；但实际应用中由于各种客观因素及其人为因素的干扰偶尔引起出/入口卡盘回零时发生偏差。为了保证出/入口卡盘回零的绝对准确可靠运行，在出入口卡盘绝对回零点的实际机械位置装有高性能检测开关形成外部保护环，当出/入口卡盘执行回零操作后该检测开关如果没有发讯就会启动相应的程序保护，该方案经过近一年来的现场实际检验取得了良好的效果。

其伺服轴控制程序见图2、图3。

同时配套的工控机上可以实时监控管坯的送进量及其回转角，并且回转角可以根据具体工艺进行实时修改。整个机组的电控情况及其部分单动操作也可以通过该工控机完成；还有具备丰富的故障诊断功能，在系统中设置了多种故障诊断与报警提示，这些故障检测及分类报警通过PLC实时采集传动系统等的工作状态、数据，判断系统各部分是否处于正常工作状态。当检测到系统故障发生时，PLC将根据检测到的故障及轧管机目前的工作状态进行相应的保护和报警提示。大多数机组常见故障都可被准确地判断出来，如：失速、过流、电源缺相、伺服跟踪、检测信号、油压油温等，使系统的维护工作量大大减少。

结论

此次设计的电控系统是力士乐伺服系统在国内首条方管冷轧管机中的首次具体应用。虽然力士乐伺服系统在圆管冷轧管机中以早已应用但此次应用的意义非凡。此次应用实际检验了伺服系统在高惯量，重负载，大冲击等恶劣工控下的各项技术性能，充分体现了力士乐其伺服系统的精确性、实时性、高过载性、耐干扰性；唯一不足的是其硬件成本较高无法普遍推广。同时对于新设计研发的有伺服回转定位系统应用的机械设备，如果客观情况允许的话建议最好在设备出厂前对伺服系统进行单独测试，使其机械或电气方面存在的问题充分暴露出来，以便于机械或电气方面做机组方案的进一步优化。这样可以大大提高机组的可靠性，同时机组的调试工期及其综合成本都会大大降低。