西門子S120 傳動系統在鋼卷包裝機組鐵皮機地輥的應用

付 強

（武漢鋼鐵有限公司，湖北武漢）

前言

冷軋鋼卷是冷軋線的銷售產品，鋼卷下線進入包裝機組鐵皮機地輥存放，并對鋼卷進行包裝捆扎等處理，形成可以直接銷售的產品。鐵皮機作為末端工藝的關鍵設備，其載荷取決于鋼卷的最大重量。早期國際上主要的冷軋卷重量一般是10 t，因此，鐵皮機的負載能力也是以10 t 進行設計的。隨著國內對冷軋板材的需求增大，經過多次以提質增效降本為目標的技術升級，冷軋卷成卷重量已經達到平均15 t，鐵皮機的傳動系統已經難以支持15 t 負荷的連續生產。同時，鐵皮機的各機構逐漸老化，其負載能力還在不斷下降，使用過程中其變頻器已經不能滿足生產需求，經常出現過電流故障，鋼卷帶頭定位加減速過程中也頻繁發生電機堵轉故障。一方面是變頻器負荷不足導致故障頻發；另一方面是該系列變頻器停產多年，損壞后只能維修；這些問題導致現場維護工作困難，破壞生產節奏，拉低鋼卷產能，降低了人均噸鋼量。基于這些問題，同時考慮冷軋系統的兼容性，鐵皮機引入一套西門子S120[1]系列變頻器替換原變頻器，對鐵皮機傳動系統進行全面技術升級，并結合冷軋工藝進行參數設計和調試，徹底解決了鐵皮機負荷不足和備件缺貨的問題，提高了包裝效率，降低了維護時間。

1 鐵皮機工藝

1.1 鐵皮機理論模型

鐵皮機使用包裝材料包裝鋼卷，通過膠箱提供粘合劑將外圍包裝鐵皮粘合。鐵皮機為不同寬度的包裝鐵皮準備了5 個開卷機，在夾送輥配合下將鐵皮帶頭送到預定的位置，剪板機剪切相應長度的包裝鐵皮，膠箱為包裝鐵皮提供粘和劑，整個包裝過程是自動控制的。控制器將待包鋼卷的鋼卷寬度和出口直徑數據傳送給開卷機控制器。與待包鋼卷寬度相匹配的鐵皮開卷機自動傳送到鐵皮機頭部，通過剪板機到達噴射第一條膠帶的噴膠裝置。包裝材料傳送到實際鋼卷與旋轉地輥之間。包裝鐵皮在達到要求長度后自動剪斷。第二條膠帶是用來粘合包裝鐵皮帶頭和帶尾的重合部分的，從而完成整個包裝過程。鐵皮機的包裝工藝：開卷機→壓緊輥→送料導板→3R 夾送輥→6R 夾送輥→主夾送輥→測量輪→刀梁剪→側導板→涂膠機→出口導板→包鐵皮地輥。其結構如圖1 所示。鐵皮機及配套設備的主要技術參數，鐵皮開卷機：5 臺；鐵皮厚度：0.5～0.8 mm；鐵皮卷內徑：508/610 mm；鐵皮寬度：750～2 000 mm；對中精度：±10 mm。

圖1 現場鋼卷地輥

鋼卷下線后存放在地輥上進行包裝工作，如圖1 所示。地輥的電機和變頻器是根據鋼卷重量設計的，因此有必要對鋼卷和地輥系統進行建模分析，為實際設計和調試提供理論依據[2]。圖2 所示是鋼卷和地輥組成的模型，根據模型圖進行通用受力分析，計算出理論力矩，并據此選擇合適的變頻器以及后續的參數調整。圖2 所示F，f，N 分別是托輥的最大靜滑動摩擦力，摩擦系數和法向反力。假設不同鋼卷與托輥之間的摩擦系數都是f，G和R 分別是鋼卷的重量和半徑，可以建立力學方程。

圖2 鋼卷地輥模型

根據公式（1）、公式（2）和公式（3），推導出模型的力矩，見公式（4）

根據上述公式和現場實際情況，計算出k1=0.566，k2=0.954，進而推導出F1=20 kN，F2=36 kN，M=73 kN·m。

1.2 鐵皮機地輥傳動系統

鐵皮機地輥傳動系統的負荷能力取決于荷載，根據公式計算出的荷載選擇變頻器。采用西門子S120 系列變頻裝置替換原西門子的SIMOVERT 6SE70 變頻裝置。技術升級針對變頻傳動和控制系統，通訊系統保留原有的PROFIBUS DP 通訊總線，能夠確保原系統中的HMI、PLC控制系統、驅動和遠程站通訊穩定。

原有系統中6SE70 傳動系統通過內部的CBP 通訊卡，與PLC之間通過PROFIBUS-DP 通訊，CBP 參數是通過PROFIBUS報文的PKW定或改變變頻器參數。附加的參數設定，通過PROFIBUS-DP 的數據傳送(例如過程數據PZD復合值)使用的是PPO1 類型。硬件配置中原6SE70 的傳動單元升級為S120 對應的傳動硬件配置[3]，并保持原硬件地址、DP 地址不變。傳動與控制系統的硬件配置及組網如圖3 所示，參數設置如圖4 所示。

圖3 傳動與控制硬件配置及組網

圖4 傳動參數設置

2 傳動性能測試

根據工藝要求設計地輥速度接口程序，進行生產測試，其中PIW1120 為狀態字，PIW1122 為實際速度。

鋼卷卷徑測量參數由C40 工位的激光測距傳感器得出，由卷徑算出周長。

地輥實際定位計算程序，根據鋼卷外圈周長和地輥輥徑計算出地輥旋轉角度。

地輥給定速度值的斜率計算程序

現場應用時使用STARTER 中的監控記錄地輥加減速測試數據，傳動系統各項參數如圖5 所示。

圖5 追蹤記錄值

3 結論

文章介紹了S120 傳動系統特點，結合包裝機組鐵皮機地輥變頻電機的相關參數進行了傳動設備選型，經過FAT性能測試，升級改造后的傳動系統能滿足包裝產線的生產需求，為鋼卷自動化包裝機組的穩產提供了有力支撐。

（1） 通過理論建模并進一步分析地輥系統的受力結構，為實際應用和后續技術升級提供理論基礎。（2）根據理論計算設計傳動系統，并通過應用驗證理論模型的有效性。（3） 升級后的傳動系統與機械傳動系統的適配性有了顯著提高，徹底解決了帶頭定位過程中過電流及堵轉等問題。（4） 運行過程中，降低了機組短時停機次數；升級后運行至今，未出現停機問題。