基于SINAMICS S120步进式冷床设备特点及电气控制应用

时间：2024-05-18

鲍磊

（中冶东方工程技术有限公司，山东青岛266555）

鲍磊

（中冶东方工程技术有限公司，山东青岛266555）

本文通过对江苏常宝钢管CPE生产线冷床设备的工艺流程及控制应用，论述了步进式冷床的工作及控制原理，反映出步进式冷床在钢管生产工艺中的作用及优点。

步进式冷床；PLC控制系统；节奏控制

1 设备组成

该冷床区设备主要由：冷床上料装置、冷床本体、冷床剔除辊道及固定挡板、冷床剔除双向收集装置、冷床下料装置、安全挡板、冷床输出辊道、升降对齐挡板组成。

2 设备的工艺流程

冷床上料装置逐根接收来自张力减径机钢管，并将钢管制动，由接料钩送入步进冷床上进行冷却。钢管由冷床输入装置输送到接料钩中后，通过冷床本体动齿条将钢管横向步进移送，实现钢管在冷床上单齿或隔齿布料。冷床本体可以实现钢管步进或原位踏步功能，保证钢管冷却均匀、平直度好。当有特殊材质需要堆冷的管材时，冷床堆冷剔料辊道及双向收集装置，将需要堆冷的钢管从冷床中部剔出，并进行收集。

3 控制系统

3.1 控制系统的设计。冷床区域控制系统包括电气传动系统、PLC控制系统、HMI上位机三个部分。系统基于 WINDOWS XP 操作系统平台，采用SIEMENS公司S7-300控制系统配以ET-200M分布式I/O对整个系统进行数据的采集、状态监视和过程控制。使用SIEMENS公司STEP7 V5.5 编程软件，完成系统硬件组态及冷床区域所有设备控制程序设计。采用WINCC 7.0上位软件进行画面制作，操作员通过这些画面完成现场工艺参数和设备运行状态的监视和操作。

3.2 冷床设备及电气原理简介

3.3 整个冷床区域中冷床输入辊道、冷床本体升降电机、冷床提出辊道、冷床输出辊道的电机采用变频电机，冷床输出小车、星轮拨料起采用普通电机，冷床升降块、冷床的前进后退、输出小车的前进及后退、升降挡板采用液压控制。冷床各部分动作连锁关系如图1所示：

冷床的步进运动主要由冷床升降装置、冷床横移装置实现。冷床升降装置由电机传动，冷床横移装置由液压传动。冷床设备本体升降装置是由2台变频电机驱动一偏心装置作周期旋转运动，床体运行至上下位时电机需减速停止。冷床入口上料装置选用SINAMICS S120 单机传动变频调速装置，冷床入口辊道采用SINAMICS G120 作为变频调速装置。SINAMICS S120调试最简便的方法是使用编程器，编程器需要安装调试软件Starter。基础自动化使用S7-300 系列PLC 作为逻辑控制器，使用CPU315-2DP 作为控制核心，传动装置和远程分布式I/O 端口通过Profibus-DP总线直接连接至CPU。

3.4 步进式冷床步进及踏步过程

3.4.1 冷床步进动作：冷床处于原始位置状态，当输入辊道上的钢管通过热金属检测器检测其尾部完全进入冷床区域，升降块动作一周期，将钢管从辊道移至接料钩，冷床开始步进一周期动作，此时制动器打开，2 台升降电机旋转驱动床体上升，床体处于上极限位（该位置信号由位置编码器发出）时，电机停止，制动器制动；步进油缸伸出，使冷床至前极限（该位置信号由接近开关发出），制动器再次打开，升降电机再次旋转驱动床体下降至下极限位（该位置信号由位置编码器发出）；制动器制动，步进油缸回退至原始位置，这时冷床一整个步进周期完成，钢管在定齿条上前进一步。

3.4.2 冷床踏步动作：当冷床步进动作不能连续进行时，为了保证冷床上现有的钢管不会因为上下受热不均而造成弯曲，此时冷床需要进行踏步动作，冷床踏步动作时钢管在接料钩的位置不变，只是通过齿条的斜面使钢管发生旋转，从而保证钢管温度均匀，使其弯曲程度减小。踏步动作时，冷床踏步液压缸伸出致踏步前极限位（该位置信号由接近开关发出），制动器打开，冷床电机动作，驱动冷床向上至上极限位，此时接料过程中，利用齿条的机械结构，钢管会进行小幅度的旋转。到达上极限位后，踏步液压缸缩回致冷床后极限，再有电机驱动冷床下降回到初始位，钢管放回定齿条时仍会有小幅度旋转。通过踏步一周期，调整了钢管的受冷面，极大的减小了钢管在冷床上弯曲的可能性。

3.5 主要电气控制过程及控制特点

图1 冷床各部分的连锁关系

3.5.1 冷床的节奏控制：正常连续生产时，冷床需等于或快于减径机的轧制节奏，才能将输入辊道的来料钢管有规律的摆放到冷床上。对于冷床升降主电机这种较大的变频电机，变频器建立磁场的过程耗时比例较大，因为连续生产时程序控制，只切断变频的速度给定，而不切断变频器的使能，大大节约了电机启动时变频器建立磁场的耗时。

3.5.2 接放料时的速度控制：动齿条在上升过程接料及下降过程放料时需要“轻拿轻放”，以防止齿条对钢管表面产生划痕。冷床的上升下降过程只要是由编码器定位的，因为在上升及下降过程中需要设置减速位，冷床到达该位置时减速将钢管托起或放下，减小钢管表面的划痕程度。

3.5.3 与冷床前后控制系统通讯：为了防止因前后故障造成的“堆钢”现象，需要与前后区域有可靠的信号通信，通讯通常使用DP-DP耦合器，当冷床及后面区域出现故障时，前方禁止向冷床输入钢管；与后面区域有可靠的通信，可保证输出辊道的速度与后面区域的节奏保持一致，使冷床的输出更流畅。