SIMOTION D435在HFW焊管生产线飞锯中的应用

2014-12-28 12:03余晓义钟存福
钢管 2014年5期
关键词:锯片子程序编码器

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.

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