西门子运动控制解决方案为济南二机床开卷落料之龙点睛

■ 西门子公司供稿

在如今的汽车板材生产车间里已经很少能看到手持简单工具零敲碎打的工人，取而代之的是高度集成、高度自动化的流水线作业，从原材料卷板到成型的汽车板材所需经历的开卷、清洗涂油、校平、落料和码垛等操作可以通过“开卷落料线”的工艺流程先后完成。此类生产线在发达国家的汽车制造商中已普遍采用，并且逐渐走向了国内企业的厂房之中。

济南二机床集团是目前国内唯一一家能够生产高档开卷线的企业，也是中国规模最大的重型锻压设备和大型金属切削机床制造企业，公司的生产和技术研发能力、产品品类和技术水平等方面多年来均位于国内同行业的首位（见图1）。

近期济南二机床为株洲汇隆实业订做了一条设计产能达5万t（约500万片）/年冷轧钢板、年生产时间3 800h的大型开卷落料生产线。如果把整条生产线的设计实施比作描绘一条巨龙，那么解决生产线的运动控制问题就好比为这条龙注入灵动的活力——点睛。西门子为这点睛之笔提供了2个PLC300，分别控制开卷和堆垛；1台Simotion D445运动控制器和7台Sinamics S120；39台Simotics 1FT6与1PH7电动机；4个ALM可回馈整流单元。此套系统在功效、精度及节能等方面的整体性能无不各具过人之处。通过西门子完整解决方案及全套电器设备的助力，整条生产线的工作效率、工艺精度和稳定性均得到了大幅提升——使用一台600T压机实现了65次/min的最高冲次，送料速度最高可达70次/min和180m/min，加工精度达到了±0.15mm的水平。

图1 济南二机床厂区

为摆剪模保驾护航

开卷落料线并不是新兴产业，但这并不意味着其中缺乏技术创新的空间。作为目前已趋于成熟的传统生产线，各主要厂商竞争的焦点在于提高生产效率以及减少能耗。

通常的开卷落料线主要分为开卷、较平、活套、辊轮进给和剪切（冲压）等5个部分。由于汽车所需板材具有多种型号，而此次设计实现的生产线仅有1条，因此它对于成品规格而言必须具有一定的普适性，这种普适性是通过最后的剪切（冲压）工艺中不同模具的更换而加以实现的（见图2）。

然而模具的更换过程将不可避免地导致整个工序的全面停滞，因而成为了决定整个生产线整体效率的关键因素之一；以及由于制动和起动过程无不牵扯着巨大的能耗，更换模具也在生产过程的整体能耗中占有一席之地。为了在提高效率和减少能耗的焦点之战中占得先机，济南二机床在此项目中决定在模具体系中加入国内市场中少有先例的“摆剪模”。的自如拆装。应用Park功能后，摆剪模的整个更换时间仅需3～4h，其中重新起动时间仅需1～2h，很大程度上提高了整个生产线的工作效率。

轴同步，效率与精度的同步

整条流水线是一个整体，它的整体效率受到诸多因素的协同影响，其中的另一个瓶颈因素是压机送料。采用西门子的Simotion和Sinamics做压机的主轴控制，齿轮同步非常方便，从而带来产品整体性能的高度稳定（见图3）。

图2 开卷落料线工艺简图

摆剪模是一种特殊的模具，它相比传统的固定模具而言，最大的特点是可以在自身允许范围内变换不同的形状（例如不同斜度的平行四边形和不同角度的梯形），可以在不更换模具的情况下生产不同规格的板材成品，从而大大减少模具的更换次数，提高加工效率。值得一提的是，此次项目中摆剪模的控制系统同样采用的是西门子的解决方案。

然而摆剪模作为一种“活”的模具，由于自带形状控制电机及其控制部件，牵扯和整个生产线的总线系统的对接等问题，它的更换过程相比传统固定模具而言显得更加复杂。如果沿用传统的方式，拆装旧模具的时候易造成较难解除的系统告警；安装新模具的时候也将出现系统兼容性方面的诸多麻烦，将严重提高后期维护的难度并且降低生产效率。

西门子团队针对这一情况进行了大量开创性的研发工作，成功地为此条生产线设计出了针对摆剪模拆装的Park 功能，通过对系统总线中涉及摆剪模控制的若干功能模块的关闭与开启，顺利实现了摆剪模

图3 西门子Sinamics产品在济南二机床的应用

具体而言，采用西门子解决方案的送料系统可以直接读取伺服压机的外部编码器数据，直接知道压机主轴的位置，实现轴同步，精准控制压机送料连续性，提高生产效率。而在其他厂家的类似解决方案中，同样的反馈控制过程需要首先把伺服控制器或者编码器的数据读出，再通过通信发给送料控制器。西门子的这一改进的直接结果是提高了通讯效率和降低了延迟，使送料机具有足够“敏锐”的反应余地，可以实时辨认压机的准确位置，确定安全区域，从而使两者可以同步工作，而不必等到压机的上一次工作完全结束后再执行下一次送料操作。这一改进，不仅大大提高了生产效率，而且使得送料精度达到了±0.15mm。

制动能耗，自动回收

在能耗控制方面，西门子提供电气设备的这条开卷落料线同样具有不俗的表现，其中用于回收制动能耗的ALM模块功不可没。

在传统的类似生产线中，送料、堆垛等电动机由于需要频繁起停，会有大量能量堆叠消耗在周而复始的制动与起动、减速与加速之中。西门子提供的ALM模块，可以在制动过程中对电机产生的三相交流电进行整流，并在检测到直流母线电压升高时将多余能量回馈给电网，供其他设备使用。该器件的能量反馈效率极高，电动机制动期间由机械能转化成的电能几乎能够无损地返回电网，以此大大降低了整条生产线的综合能耗。

全套的运动控制解决方案不仅带来了效率的提升和能耗的下降，更是直接导致了设计流程的简化和项目周期的缩短——由于统一采用了西门子公司的器件，整条生产线各部分之间的兼容性取得了极大的提升，并且由于得到了西门子方面的技术指导，电气方面在1～2个月的短暂时间内即完成；由于器件之间的品牌一致性，客户日后的维护工作也将得到无形的简化。此外就器件性能而言，Simotion D445和Sinamics S120以其强大的功能受到了客户极大好评；全套系统的以太网通讯功能更是受到了客户的交口称赞。

西门子的运动控制系统解决方案使得济南二机床制造的这条庞大的生产线得以更加高效低耗、准确自如地投入到交付后的生产工作之中，它的助力无疑为这条巨龙做了点睛之笔。