余曉義，鐘存福

（中國石化集團(tuán)石油工程機(jī)械有限公司沙市鋼管廠，湖北 荊州 434001）

中國石化集團(tuán)石油工程機(jī)械有限公司沙市鋼管廠（簡(jiǎn)稱沙市鋼管廠）高頻焊（HFW）焊管生產(chǎn)線的飛鋸是由美國ABBEY公司提供。飛鋸設(shè)備主要用于生產(chǎn)線上切割連續(xù)生產(chǎn)的鋼管，能在25 s內(nèi)切斷1根鋼管并迅速返回至原點(diǎn)位置，因此要求其機(jī)械和控制系統(tǒng)有高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性［1］。

沙市鋼管廠的飛鋸控制系統(tǒng)采用了西門子最新的運(yùn)動(dòng)控制器SIMOTION D435，使邏輯控制與運(yùn)動(dòng)控制相結(jié)合，取消了響應(yīng)時(shí)間的獨(dú)立接口，節(jié)省了為這些中間接口進(jìn)行編程和診斷的投入，使整個(gè)系統(tǒng)的編程更加規(guī)范，并且同PLC一樣是開放透明的［2］，其實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)均能滿足飛鋸設(shè)備運(yùn)行的需求［3］。

1 飛鋸工作原理

飛鋸小車如圖1所示。小車上有4片負(fù)責(zé)切割鋼管的硬質(zhì)合金鋸片，驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)責(zé)鋸片的定位，旋轉(zhuǎn)電機(jī)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)鋸片旋轉(zhuǎn)切割鋼管，另有1臺(tái)電機(jī)負(fù)責(zé)使Cage（籠式）旋轉(zhuǎn)設(shè)備旋轉(zhuǎn)切割鋼管。操作人員可根據(jù)鋼管直徑的大小選擇2片或4片鋸片的切割模式［4］，4片鋸片的切割模式如圖2所示。

2 飛鋸硬件控制系統(tǒng)

2.1 硬件系統(tǒng)構(gòu)成

飛鋸的硬件系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示，主要由運(yùn)動(dòng)控制器SIMOTION D435、S120變頻器、PLC以及人機(jī)界面（HMI）組成。

圖1 飛鋸小車

圖2 4片鋸片的切割模式示意

圖3 飛鋸的硬件系統(tǒng)構(gòu)成示意

SIMOTION D435將邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制以及工藝控制集成一個(gè)系統(tǒng)，使其成為一個(gè)緊湊同時(shí)具有強(qiáng)大控制功能的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，內(nèi)部集成的S120可以通過DRIVE-CLIQ總線與SINAMICS S120的其他模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換［5］。S120多軸變頻器可實(shí)現(xiàn)矢量控制和伺服控制，主要由CU320控制器、驅(qū)動(dòng)器及整流單元構(gòu)成，能實(shí)現(xiàn)多種控制［6］。

2.2 硬件系統(tǒng)控制原理

運(yùn)行中的鋼管帶動(dòng)測(cè)量輥編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，使之產(chǎn)生一系列脈沖進(jìn)入到SIMOTION D435，其主要反映鋼管前進(jìn)的速度和增量位移。飛鋸小車伺服電機(jī)自帶的編碼器反映小車的速度和位置，此信號(hào)傳入SIMOTION D435并參與計(jì)算。當(dāng)測(cè)量輥編碼器的數(shù)值到達(dá)切割位置時(shí)，飛鋸小車立即加速至鋼管的運(yùn)行速度并夾緊鋼管，然后旋轉(zhuǎn)切割鋼管。PLC通過西門子PROFIBUS-DP總線與SIMOTION D435進(jìn)行通信，SIMOTION D435與S120變頻器通過西門子的DRIVE-CLIQ總線進(jìn)行通信［7］。

3 飛鋸的軟件系統(tǒng)

3.1 程序設(shè)計(jì)

飛鋸控制系統(tǒng)程序如圖4所示，SIMOTION D435不斷地讀取來自測(cè)量輥編碼器的位置值，當(dāng)編碼器的數(shù)值達(dá)到切割位置時(shí)，飛鋸小車會(huì)從零位開始加速；在約400 mm的距離上，小車的速度達(dá)到主機(jī)生產(chǎn)速度（15 m/min）并保持同步；然后迅速地跳轉(zhuǎn)到AutoCut（）子程序切割鋼管。自動(dòng)切割A(yù)utoCut（）子程序如圖5所示，鋸片會(huì)依次從起始位置定位到接近位置，然后再定位至插入位置，Cage旋轉(zhuǎn)設(shè)備會(huì)從起始位置旋轉(zhuǎn)直到切斷鋼管，然后鋸片迅速回到起始位置。在此子程序中，特別注意在飛鋸小車返回至零位之前解除同步，使其不再跟隨鋼管運(yùn)動(dòng)，否則就會(huì)出錯(cuò)［8-9］。

圖4 飛鋸控制系統(tǒng)程序

圖5 自動(dòng)切割子程序AutoCut（）

3.2 核心計(jì)算

在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)前，需要在HMI上輸入各種參數(shù)，如圖6～7所示，這些參數(shù)會(huì)參與到自動(dòng)程序里切割過程的各種運(yùn)算中去。

圖6 切割定位輸入?yún)^(qū)

圖7 鋸片參數(shù)輸入?yún)^(qū)

鋸片切割鋼管的過程如圖8～9所示。在切割過程中鋸片會(huì)依次經(jīng)過3個(gè)特殊點(diǎn)，分別是起始點(diǎn)、速度快慢轉(zhuǎn)換點(diǎn)和插入點(diǎn)，鋸片運(yùn)行至每個(gè)特殊點(diǎn)時(shí)速度均發(fā)生變化。

圖8 鋸片切割鋼管的過程示意

由圖8～9可知，鋸片在不同位置時(shí)，其中心到鋼管中心的距離由以下3個(gè)公式計(jì)算：

圖9 鋸片位于插入點(diǎn)

式中L1——起始點(diǎn)時(shí)，鋸片中心到鋼管中心的距離，mm；

L2——速度快慢轉(zhuǎn)換時(shí)，鋸片中心到鋼管

中心的距離，mm；

L3——插入點(diǎn)時(shí)，鋸片中心到鋼管中心的距離，mm；

D——鋼管外徑，mm；

D0——鋸片外徑，mm；

S——鋼管壁厚，mm。

對(duì)于不同規(guī)格的鋼管，因外徑及壁厚的不同，所以每次計(jì)算出來的Cage旋轉(zhuǎn)設(shè)備需要旋轉(zhuǎn)的角度β也不同，具體計(jì)算如下：

式中R0——鋸片的半徑，mm；

r——鋼管的內(nèi)半徑，mm；

k——鋸片中心到鋼管中心的距離，mm；

R——鋼管半徑，mm；

m——中間系數(shù)；

δ——鋼管剪切角，（°）。

如Φ406 mm×8 mm規(guī)格，Cage旋轉(zhuǎn)設(shè)備會(huì)從起始位置45°旋轉(zhuǎn)至117°切斷鋼管，然后鋸片迅速回到起始位置。

4 結(jié) 語

經(jīng)過連續(xù)生產(chǎn)測(cè)試，該飛鋸控制系統(tǒng)十分穩(wěn)定，飛鋸小車能在25 s內(nèi)完成1次切割循環(huán)過程。若生產(chǎn)節(jié)奏改變，操作人員可以通過HMI修改參數(shù)來保證循環(huán)切割時(shí)間。另外，飛鋸控制系統(tǒng)有完善的報(bào)警控制系統(tǒng)，HMI能提示具體的故障點(diǎn)、故障時(shí)間等信息，從而及時(shí)排除故障并恢復(fù)生產(chǎn)。SIMOTION D435主要負(fù)責(zé)高精度的伺服運(yùn)動(dòng)控制，邏輯控制則由PLC控制，兩者相互結(jié)合，有效地保證了設(shè)備的正常生產(chǎn)運(yùn)行。

［1］于泳，于師瑤.PLC-DDC-D直縫焊管定尺飛鋸控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.鋼管，2001，30（1）：11-14.

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