SIMOTION D435在HFW焊管生產線飛鋸中的應用

余曉義，鐘存福

（中國石化集團石油工程機械有限公司沙市鋼管廠，湖北 荊州 434001）

中國石化集團石油工程機械有限公司沙市鋼管廠（簡稱沙市鋼管廠）高頻焊（HFW）焊管生產線的飛鋸是由美國ABBEY公司提供。飛鋸設備主要用于生產線上切割連續生產的鋼管，能在25 s內切斷1根鋼管并迅速返回至原點位置，因此要求其機械和控制系統有高的動態響應和穩定性［1］。

沙市鋼管廠的飛鋸控制系統采用了西門子最新的運動控制器SIMOTION D435，使邏輯控制與運動控制相結合，取消了響應時間的獨立接口，節省了為這些中間接口進行編程和診斷的投入，使整個系統的編程更加規范，并且同PLC一樣是開放透明的［2］，其實時性和動態響應均能滿足飛鋸設備運行的需求［3］。

1 飛鋸工作原理

飛鋸小車如圖1所示。小車上有4片負責切割鋼管的硬質合金鋸片，驅動電機負責鋸片的定位，旋轉電機負責驅動鋸片旋轉切割鋼管，另有1臺電機負責使Cage（籠式）旋轉設備旋轉切割鋼管。操作人員可根據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

2.1 硬件系統構成

飛鋸的硬件系統構成如圖3所示，主要由運動控制器SIMOTION D435、S120變頻器、PLC以及人機界面（HMI）組成。

圖1 飛鋸小車

圖2 4片鋸片的切割模式示意

圖3 飛鋸的硬件系統構成示意

SIMOTION D435將邏輯控制、運動控制以及工藝控制集成一個系統，使其成為一個緊湊同時具有強大控制功能的運動控制系統，內部集成的S120可以通過DRIVE-CLIQ總線與SINAMICS S120的其他模塊進行數據交換［5］。S120多軸變頻器可實現矢量控制和伺服控制，主要由CU320控制器、驅動器及整流單元構成，能實現多種控制［6］。

2.2 硬件系統控制原理

運行中的鋼管帶動測量輥編碼器轉動，使之產生一系列脈沖進入到SIMOTION D435，其主要反映鋼管前進的速度和增量位移。飛鋸小車伺服電機自帶的編碼器反映小車的速度和位置，此信號傳入SIMOTION D435并參與計算。當測量輥編碼器的數值到達切割位置時，飛鋸小車立即加速至鋼管的運行速度并夾緊鋼管，然后旋轉切割鋼管。PLC通過西門子PROFIBUS-DP總線與SIMOTION D435進行通信，SIMOTION D435與S120變頻器通過西門子的DRIVE-CLIQ總線進行通信［7］。

3 飛鋸的軟件系統

3.1 程序設計

飛鋸控制系統程序如圖4所示，SIMOTION D435不斷地讀取來自測量輥編碼器的位置值，當編碼器的數值達到切割位置時，飛鋸小車會從零位開始加速；在約400 mm的距離上，小車的速度達到主機生產速度（15 m/min）并保持同步；然后迅速地跳轉到AutoCut（）子程序切割鋼管。自動切割AutoCut（）子程序如圖5所示，鋸片會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旋轉設備會從起始位置旋轉直到切斷鋼管，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動，否則就會出錯［8-9］。

圖4 飛鋸控制系統程序

圖5 自動切割子程序AutoCut（）

3.2 核心計算

在設備運轉前，需要在HMI上輸入各種參數，如圖6～7所示，這些參數會參與到自動程序里切割過程的各種運算中去。

圖6 切割定位輸入區

圖7 鋸片參數輸入區

鋸片切割鋼管的過程如圖8～9所示。在切割過程中鋸片會依次經過3個特殊點，分別是起始點、速度快慢轉換點和插入點，鋸片運行至每個特殊點時速度均發生變化。

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，其中心到鋼管中心的距離由以下3個公式計算：

圖9 鋸片位于插入點

式中L1——起始點時，鋸片中心到鋼管中心的距離，mm；

L2——速度快慢轉換時，鋸片中心到鋼管

中心的距離，mm；

L3——插入點時，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。

對于不同規格的鋼管，因外徑及壁厚的不同，所以每次計算出來的Cage旋轉設備需要旋轉的角度β也不同，具體計算如下：

式中R0——鋸片的半徑，mm；

r——鋼管的內半徑，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；

δ——鋼管剪切角，（°）。

如Φ406 mm×8 mm規格，Cage旋轉設備會從起始位置45°旋轉至117°切斷鋼管，然后鋸片迅速回到起始位置。

4 結 語

經過連續生產測試，該飛鋸控制系統十分穩定，飛鋸小車能在25 s內完成1次切割循環過程。若生產節奏改變，操作人員可以通過HMI修改參數來保證循環切割時間。另外，飛鋸控制系統有完善的報警控制系統，HMI能提示具體的故障點、故障時間等信息，從而及時排除故障并恢復生產。SIMOTION D435主要負責高精度的伺服運動控制，邏輯控制則由PLC控制，兩者相互結合，有效地保證了設備的正常生產運行。

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

［2］王禮，賀剛，朱良波，等.西門子SIMOTION D在高速紙箱包裝機上的應用［J］.變頻器世界，2006（12）：87-94.

［3］李恩林.數控技術及應用［M］.北京：國防工業出版社，1997.

［4］李夢麟.高速切削技術及應用［M］.北京：機械工業出版社，2002.

［5］廖曉鐘，劉向東.控制系統分析與設計——運動控制系統［M］.北京：清華大學出版社，2010.

［6］ 康祖立.飛剪的應用和發展［J］.特殊鋼，1983（3）：77-81.

［7］童自惠.數控飛鋸電氣系統的柔性控制技術［J］.焊管，2004，27（4）：26-29.

［8］柴曉艷，張玉華，溫殿英.鋼管飛鋸機同步傳動機構——浮動式齒輪傳動機構的設計［J］.鋼管，1998，27（5）：44-46.

［9］于泳.全數字調速控制器在鋼管微機定尺飛鋸系統中的應用［J］.鋼管，1995，24（6）：24-26.