SIMOTION D435在HFW焊管生产线飞锯中的应用

余晓义，钟存福

（中国石化集团石油工程机械有限公司沙市钢管厂，湖北 荆州 434001）

中国石化集团石油工程机械有限公司沙市钢管厂（简称沙市钢管厂）高频焊（HFW）焊管生产线的飞锯是由美国ABBEY公司提供。飞锯设备主要用于生产线上切割连续生产的钢管，能在25 s内切断1根钢管并迅速返回至原点位置，因此要求其机械和控制系统有高的动态响应和稳定性［1］。

沙市钢管厂的飞锯控制系统采用了西门子最新的运动控制器SIMOTION D435，使逻辑控制与运动控制相结合，取消了响应时间的独立接口，节省了为这些中间接口进行编程和诊断的投入，使整个系统的编程更加规范，并且同PLC一样是开放透明的［2］，其实时性和动态响应均能满足飞锯设备运行的需求［3］。

1 飞锯工作原理

飞锯小车如图1所示。小车上有4片负责切割钢管的硬质合金锯片，驱动电机负责锯片的定位，旋转电机负责驱动锯片旋转切割钢管，另有1台电机负责使Cage（笼式）旋转设备旋转切割钢管。操作人员可根据钢管直径的大小选择2片或4片锯片的切割模式［4］，4片锯片的切割模式如图2所示。

2 飞锯硬件控制系统

2.1 硬件系统构成

飞锯的硬件系统构成如图3所示，主要由运动控制器SIMOTION D435、S120变频器、PLC以及人机界面（HMI）组成。

图1 飞锯小车

图2 4片锯片的切割模式示意

图3 飞锯的硬件系统构成示意

SIMOTION D435将逻辑控制、运动控制以及工艺控制集成一个系统，使其成为一个紧凑同时具有强大控制功能的运动控制系统，内部集成的S120可以通过DRIVE-CLIQ总线与SINAMICS S120的其他模块进行数据交换［5］。S120多轴变频器可实现矢量控制和伺服控制，主要由CU320控制器、驱动器及整流单元构成，能实现多种控制［6］。

2.2 硬件系统控制原理

运行中的钢管带动测量辊编码器转动，使之产生一系列脉冲进入到SIMOTION D435，其主要反映钢管前进的速度和增量位移。飞锯小车伺服电机自带的编码器反映小车的速度和位置，此信号传入SIMOTION D435并参与计算。当测量辊编码器的数值到达切割位置时，飞锯小车立即加速至钢管的运行速度并夹紧钢管，然后旋转切割钢管。PLC通过西门子PROFIBUS-DP总线与SIMOTION D435进行通信，SIMOTION D435与S120变频器通过西门子的DRIVE-CLIQ总线进行通信［7］。

3 飞锯的软件系统

3.1 程序设计

飞锯控制系统程序如图4所示，SIMOTION D435不断地读取来自测量辊编码器的位置值，当编码器的数值达到切割位置时，飞锯小车会从零位开始加速；在约400 mm的距离上，小车的速度达到主机生产速度（15 m/min）并保持同步；然后迅速地跳转到AutoCut（）子程序切割钢管。自动切割AutoCut（）子程序如图5所示，锯片会依次从起始位置定位到接近位置，然后再定位至插入位置，Cage旋转设备会从起始位置旋转直到切断钢管，然后锯片迅速回到起始位置。在此子程序中，特别注意在飞锯小车返回至零位之前解除同步，使其不再跟随钢管运动，否则就会出错［8-9］。

图4 飞锯控制系统程序

图5 自动切割子程序AutoCut（）

3.2 核心计算

在设备运转前，需要在HMI上输入各种参数，如图6～7所示，这些参数会参与到自动程序里切割过程的各种运算中去。

图6 切割定位输入区

图7 锯片参数输入区

锯片切割钢管的过程如图8～9所示。在切割过程中锯片会依次经过3个特殊点，分别是起始点、速度快慢转换点和插入点，锯片运行至每个特殊点时速度均发生变化。

图8 锯片切割钢管的过程示意

由图8～9可知，锯片在不同位置时，其中心到钢管中心的距离由以下3个公式计算：

图9 锯片位于插入点

式中L1——起始点时，锯片中心到钢管中心的距离，mm；

L2——速度快慢转换时，锯片中心到钢管

中心的距离，mm；

L3——插入点时，锯片中心到钢管中心的距离，mm；

D——钢管外径，mm；

D0——锯片外径，mm；

S——钢管壁厚，mm。

对于不同规格的钢管，因外径及壁厚的不同，所以每次计算出来的Cage旋转设备需要旋转的角度β也不同，具体计算如下：

式中R0——锯片的半径，mm；

r——钢管的内半径，mm；

k——锯片中心到钢管中心的距离，mm；

R——钢管半径，mm；

m——中间系数；

δ——钢管剪切角，（°）。

如Φ406 mm×8 mm规格，Cage旋转设备会从起始位置45°旋转至117°切断钢管，然后锯片迅速回到起始位置。

4 结 语

经过连续生产测试，该飞锯控制系统十分稳定，飞锯小车能在25 s内完成1次切割循环过程。若生产节奏改变，操作人员可以通过HMI修改参数来保证循环切割时间。另外，飞锯控制系统有完善的报警控制系统，HMI能提示具体的故障点、故障时间等信息，从而及时排除故障并恢复生产。SIMOTION D435主要负责高精度的伺服运动控制，逻辑控制则由PLC控制，两者相互结合，有效地保证了设备的正常生产运行。

［1］于泳，于师瑶.PLC-DDC-D直缝焊管定尺飞锯控制系统设计［J］.钢管，2001，30（1）：11-14.

［2］王礼，贺刚，朱良波，等.西门子SIMOTION D在高速纸箱包装机上的应用［J］.变频器世界，2006（12）：87-94.

［3］李恩林.数控技术及应用［M］.北京：国防工业出版社，1997.

［4］李梦麟.高速切削技术及应用［M］.北京：机械工业出版社，2002.

［5］廖晓钟，刘向东.控制系统分析与设计——运动控制系统［M］.北京：清华大学出版社，2010.

［6］ 康祖立.飞剪的应用和发展［J］.特殊钢，1983（3）：77-81.

［7］童自惠.数控飞锯电气系统的柔性控制技术［J］.焊管，2004，27（4）：26-29.

［8］柴晓艳，张玉华，温殿英.钢管飞锯机同步传动机构——浮动式齿轮传动机构的设计［J］.钢管，1998，27（5）：44-46.

［9］于泳.全数字调速控制器在钢管微机定尺飞锯系统中的应用［J］.钢管，1995，24（6）：24-26.