SIMOTION D在順磁鐵芯電抗器生產線控制系統中的應用

符曉輝，李西寧，楊世芳

(西安啟源機電裝備股份有限公司，陜西 西安710021)

SIMOTION D在順磁鐵芯電抗器生產線控制系統中的應用

符曉輝，李西寧，楊世芳

(西安啟源機電裝備股份有限公司，陜西 西安710021)

順磁鐵芯式電抗器有著損耗低、電磁干擾低、可靠性高等優點。西安啟源機電裝置股份有限公司設計了首條順磁鐵芯電抗器生產線，該生產線采用了SIMOTION西門子新一代運動控制平臺。這一產品實現了將邏輯控制、運動控制和工藝控制的融合。本文介紹了順磁鐵芯電抗器生產線上控制系統的硬件結構，軟件設計及使用情況。

電抗器;鐵芯;順磁;運動控制

0 前言

鐵芯電抗器的核心部件是圓型鐵芯餅。鐵芯餅是由多組扇形鐵芯片堆疊組成。而鐵芯餅的剪切工藝分為順磁和橫磁兩種形式，兩種工藝的區別在于橫磁鐵芯所組成的鐵芯柱的硅鋼片的碾壓方向垂直于鐵芯柱的磁通，而順磁鐵芯中的硅鋼片碾壓方向與鐵芯柱的磁通方向平行。順磁電抗器總損耗比橫磁電抗器低3%以上。

由于對剪切設備要求低，鐵芯餅結構簡單，故國內大多數的鐵芯電抗器企業仍在使用橫磁剪切工藝。目前國內只有西安變壓器廠和特變電工衡陽變壓器廠引進了ASTRONIC的順磁鐵芯剪切線。西安啟源機電裝備股份有限公司通過深入研究順磁鐵芯的生產工藝設計了國內的首條該型生產線。在這臺設備中用到了多個伺服電機做多種運動控制，采用PLC定位模塊，這種常規模式對于系統的軟硬件設計有較大的局限性。故引入一種新的控制模式，該控制系統采用了SIMOTTON運動平臺。

1 SIMOTIOND運動控制平臺

在運動控制領域，常規的實現方案是PLC帶定位模塊的系統。PLC的CPU負責整體邏輯控制和系統運算，定位模塊控制伺服電機實現速度、定位和同步等功能。兩者之間通過PLC的背板總線進行通信，背板總線的速率決定了系統的整體響應速度。當設備結構復雜，運動軸數量增加時，PLC的擴展模塊和定位模塊增多，數據通信和系統響應速度將不可避免地要受到影響。

新一代的運動控制平臺SIMOTION是功能強大而靈活的系統，除了具有運動控制的各項功能，還集成了全面的邏輯和多種工藝控制。該平臺有3個版本，分別是基于PLC、工業PC和驅動器的形式。其中SIMOTION D是基于伺服驅動器SINAMICS S120的版本，它不僅具有SIMOTION的全部功能，而且還集成了伺服驅動器的控制功能。這種高度集成化有效降低系統成本并縮減控制系統的體積。

SIMOTION D在硬件層面提供了一體化解決方案，在軟件層面上西門子配套的開發環境SCOUT已經不單是一個編程軟件，在這個開發系統內可以實現全部的邏輯編程，運動控制和工藝控制等項目。同時這個開發軟件還提供了全部的調試功能，包括參數設定、監控示波器、測試和設備底層故障診斷。隨著市場對各種加工設備的集成度和自動化程度要求越來越高，今后SIMOTION這類通用型運動控制平臺將是工業自動化領域的一個發展方向。

2 系統設計

生產線的基本剪切流程圖1所示。首先，硅鋼帶卷向沖床和剪床方向輸送硅鋼帶并儲存部分帶料作為緩沖。送料輥將硅鋼帶送至V沖和方沖處進行倒角和預沖缺。接著將硅鋼片送到剪床的刀口位置。由于剪切后的硅鋼片需要堆疊成扇形，所以硅鋼片在寬度方向是步進遞增或遞減的。這就需要剪床以步進的方式橫向平移到所需要剪切的位置，兩把L型刀將硅鋼片分別剪斷分開。連續往返工作可得到寬度為步進遞增和遞減的硅鋼片。

出料皮帶以低速運行等待剪切的硅鋼片，當剪斷后的硅鋼片落在皮帶上后，出料皮帶立刻提高轉速將硅鋼片向生產線兩側傳送并轉運到理料皮帶上。理料皮帶同樣是以低速運行等待硅鋼片，當檢測到硅鋼片后以將硅鋼片移動到理料機構上方，由一套整理打料裝置將寬度不同的硅鋼片整理收集在一個接料盒內，得到圖1中一組扇形堆疊的硅鋼片。

圖1 設備剪切示意圖Fig.1 Shear schematic

2.1 系統關鍵技術

在這條生產線中，主要有3個技術關鍵點影響了產品的質量和生產效率。

(1)送料精度。送料精度直接影響制成的鐵芯餅質量，如送料精度差則將導致鐵芯餅的端面不平整。進而使得固定在端面上的石質墊塊在進行澆注環氧樹脂和熱固化時發生破裂。為了解決這個問題，另外增加了一套測量輥及編碼器將實測送料長度返回控制器，構成位置全閉環。

(2)剪切效率。在生產過程中剪床橫向移動速度成為整個生產效率的瓶頸。由于剪床座較重，并且電機驅動的是滾珠絲杠，同時還需要保證橫向移動的步進的準確性，所以剪床的橫向移動速度做不到非常高。通過優化程序的算法縮短了剪床每次移動距離，有效提高了剪切效率。

(3)理料整齊。在進行接料整理工序時，如果硅鋼片零亂地落向接料盒可能使得硅鋼片撞擊接料盒邊沿，甚至飛出接料盒從而造成硅鋼片損壞。整理硅鋼片的工作不僅是在最終的接料盒部分，從剪切完成硅鋼片落在接料皮帶時就要落正，在轉移至理料皮帶上時也應平正。這需要兩條皮帶根據不同的片寬，實時調整運行速度，并且及時切換速度和定位的運行模式才能使得最終得到整齊的理料效果。

2.2 硬件系統結構

(1)使用SIMOTION D435作為主控制器。

(2)在系統設計中使用了6臺西門子1FK7同步伺服電機。送料輥和剪床平移各使用1臺，兩組出料、理料皮帶各使用2臺。該系列伺服電機具有高動態特性和外形緊湊的特點。

(3)伺服電機驅動器為西門子SINAMICS S120，該系列驅動器采用共直流母線方式供電，采用1個整流模塊和3個雙軸電機逆變模塊。

(4)MP270作為系統的人機界面。

(5)3個ET200S從站作為控制柜內、操作臺和設備主機的IO模塊。

(6)編碼器模塊SMC 20將測量輥編碼器接入系統和送料輥構成位置全閉環。

SIMOTION D的通信功能豐富，通過圖2看到下列通信方式:

(1)SIMOTION和驅動器、伺服電機、外接編碼器之間的數據交換用DRIVE－CLiQ高速通信方式。該通信模式速率可達100M，響應速度快，安裝簡單，故障率低。

(2)控制器通過Profibus－DP總線和ET200S從站以及HMI連接通信。

(3)上位機開發用以太網和SIMOTION以及人機界面連接。

圖2 控制系統結構圖Fig.2 Structure chart of control system

2.3 軟件設計

使用系統開發軟件SCOUT，首先實現對SIMOTION D和伺服驅動器SINAMICSS120的電機識別、硬件組態、通信配置，然后再進行程序編制和伺服電機調試。

系統中使用了MCC、LAD、ST三種語言，編制系統程序時可根據不同的生產及控制工藝分別使用。編制運動控制任務使用MCC(運動控制流程圖)可使各個伺服軸動作順序一目了然。邏輯控制使用LAD(梯形圖)適合程序的順序及狀態轉換。ST(結構文本)適合做各種復雜的公式計算，使得系統程序的結構簡化。三種程序配合使用使得系統程序易于實現模塊化設計。

根據順磁鐵芯的生產工藝采用的控制程序流程圖如圖3所示。

圖3 系統程序流程圖Fig.3 Flow chart of system program

程序分為5大模塊:

(1)運動控制程序。分6個伺服電機控制模塊，功能包括速度運行、定位運行、手動和自動的轉換。

(2)變量計算程序。細分為片型計算、送料輥計算、剪床平移量計算、皮帶速度和定位多個模塊。

(3)邏輯IO控制程序，包含了設備上所有的檢測開關、按鈕輸入量和指示燈、電磁閥的動作。

(4)故障急停應答程序。處理所有的緊急情況。

(5)人機界面程序。對控制器和人機界面兩端進行數據交換并及時更新。

程序編制完成后需要將各個模塊安排在execution system(執行系統)中，如圖4所示。

圖4 程序執行系統Fig.4 Program execution system

執行系統主要分為4個執行組:

(1)startup task(起動任務)。系統啟動后首先執行，進行自檢初始化;

(2)background tasks(背景任務)。作為主程序開始循環掃描，其中包括了邏輯控制、IO處理、變量計算、人機界面通信和任務管理;

(3)motion tasks(運動控制)。當任務管理模塊判斷需要做運動控制時，調用各個伺服電機控制程序。當運動控制完成之后，motion tasks中的程序立即交還系統，從而不影響主程序的掃描;

(4)technical fault task(錯誤應答)。當檢測到急停/故障等中斷信號時，系統立刻進入該任務處理相應的緊急情況以避免安全事故。

4 結論

順磁鐵芯生產線控制系統采用SIMOTION作為新一代的運動控制平臺，融合了多種功能模塊，為控制系統設計提供便利。在動作復雜、運動伺服軸多的設備上更能體現優點。以SIMOTION為核心的順磁鐵芯生產線控制系統目前使用近6年，由于集成度高、布線簡易、維護保養方便的特點滿足了用戶的需要。同時本系統也適合用于其他輕型帶材類的剪切設備。

［1］于良中．樹脂絕緣干式鐵心與空心電抗器的性能比較 ［J］．高電壓技術，2004，30(8):63－64．

［2］SIMOTION D在銅箔后處理生產線上的應用 ［J］．制造業自動化，30(6):47-49．

Application of SIMOTIOND in production line of paramagnetism iron core reactors

FU Xiao-hui，LIXi-ning，YANG Shi-fang
(Xi'an Qiyuan Mechanical and Electrical Equipment Co．，Ltd．，Xi'an 710021，China)

The paramagnetism iron core reactor is an irreplaceable component in power system，and ismainly responsible for reactive power compensation，filtering of high-order harmonic，suppression of peak current functions in the power grid．The paramagnetism core reactor has the advantages of low loss，low electromagnetic interference，and high reliability．Therefore，Xi'an Qiyuan Mechanical and Electrical Equipment Co．，Ltd．designed the first production line of paramagnetism iron core reactors．The production line adopted the new generation motion control platform made by SIMITION SIEMENSCompany to achieve the integration of the logic control，motion control and technical control．The hardware arrangement，software design and application of the control system in the production line of paramagnetism core reactors are introduced．

reactor;iron core;paramagnetism;motion control

TG334.9

A

1001－196X(2012)04－0038－04

2012－03－10;

2012－04－02

符曉輝(1980－)，男，西安啟源機電裝備有限公司，工程師。