西門子自動(dòng)化產(chǎn)品在鋁管在線退火中的應(yīng)用

摘要：本文介紹了S7-300PLC通過PROFIBUS-DP通訊方式控制MM440變頻器，配合人機(jī)界面，結(jié)合工藝要求，實(shí)現(xiàn)了鋁管在線退火的完美控制。

關(guān)鍵詞：S7-300PLC MM440變頻器 PROFIBUS-DP通訊

一、項(xiàng)目介紹

1.簡介

　　蘇州奧智機(jī)電設(shè)備有限公司一直致力于空調(diào)用銅、鋁管加工設(shè)備的研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造及服務(wù)，為用戶提供高性價(jià)比的卓越產(chǎn)品。其研制的在線退火設(shè)備是近年來開始在銅、鋁管加工行業(yè)中大量應(yīng)用的設(shè)備，與傳統(tǒng)的輥底爐相比，占地面積僅為四分之一，而且節(jié)省工序，省卻了傳統(tǒng)的在退火前纏繞的工序，降低了管材消耗和在工序過程中的擦傷。管材的成品率高，數(shù)千米長的盤管上廢管只有1-2米，產(chǎn)生在整盤管材的開頭部分，能實(shí)現(xiàn)盤到盤的加工流程，極大地提高了生產(chǎn)效率。

　　該設(shè)備采用S7-300PLC結(jié)合人機(jī)界面通過PROFIBUS-DP通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)對MM4變頻器的速度控制，整個(gè)電控系統(tǒng)體系簡明，布線簡單可靠，控制運(yùn)行準(zhǔn)確平穩(wěn)，收到了良好的效果。

2.簡要工藝介紹

　　在線退火設(shè)備用于將料籃裝載的硬態(tài)管通過在線感應(yīng)加熱方式退火成軟態(tài)管。在連續(xù)運(yùn)行過程中，將置于保護(hù)氣體氛圍中的管材通過中頻感應(yīng)加熱，使其溫度達(dá)到480度左右，再通過保溫區(qū)（確保在一定的溫度下有時(shí)間在加熱后進(jìn)行全晶粒的勻化并消除管子表面的褪色），進(jìn)入到快速冷卻區(qū)（即將冷卻水直接噴淋到加熱后的管材上使其快速冷卻），將附著在管材表面的水通過吹干裝置吹干后進(jìn)入到履帶式自動(dòng)張力裝置，使管材在行進(jìn)的過程中一直保持一個(gè)合適的張力，然后經(jīng)過抺油處理后進(jìn)入到收料籃中。

外觀示意圖如下：


二、控制系統(tǒng)構(gòu)成

1. 系統(tǒng)硬件

1） PLC
設(shè)備長度較長，各個(gè)操作臺(tái)與主控柜距離較遠(yuǎn)，考慮到接線的方便、簡潔、易維護(hù)，采用分布式I/O。另外，整個(gè)系統(tǒng)點(diǎn)數(shù)較多，需要通過高速計(jì)數(shù)來實(shí)時(shí)測得機(jī)組線速度，并且有多個(gè)模擬量信號(hào)要采集，故選用CPU314C-2DP。其集成了數(shù)字量和模擬量輸入輸出，頻率測量功能，集成的DP接口可以最多帶32個(gè)從站，具有極高的性價(jià)比。

2） HMI
為了方便對系統(tǒng)的工藝參數(shù)，過程參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和監(jiān)控，選用了西門子TP270-10作為人機(jī)界面。它與西門子PLC的完美結(jié)合，使整個(gè)系統(tǒng)在硬件和軟件上均達(dá)最優(yōu)化。

3） 變頻器
MicroMaster440是新一代可以廣泛應(yīng)用的多功能標(biāo)準(zhǔn)變頻器。它采用高性能的矢量控制技術(shù)，提供低速高轉(zhuǎn)矩輸出和良好的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)具備超強(qiáng)的過載能力，以滿足廣泛的應(yīng)用場合。創(chuàng)新的BiCo（內(nèi)部功能互聯(lián)）功能有無可比擬的靈活性?？蛇x的PROFIBUS-DP/Device-Net通訊模塊，實(shí)現(xiàn)了通訊的多樣性。

　　此項(xiàng)目中放料和收料都由交流變頻電機(jī)通過減速箱驅(qū)動(dòng)料籃高速旋轉(zhuǎn)，屬于大慣量系統(tǒng)，而且要求很高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；通過采用MM440的無速度傳感器矢量控制方式，可以獲得接近閉環(huán)控制的性能，速度精度可達(dá)0.2-0.5%，同時(shí)省去了速度傳感器，具有較低的維護(hù)成本。與傳統(tǒng)V/Hz控制比較，無速度傳感器矢量控制可以獲得改進(jìn)的低速運(yùn)行特性，變負(fù)載下的速度調(diào)節(jié)能力亦得到改善，同時(shí)還可獲得高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，這在高摩擦與慣性負(fù)載的起動(dòng)中有明顯的優(yōu)勢。正是由于這些驅(qū)動(dòng)特性，此項(xiàng)目選擇了MM440變頻器。

2.控制系統(tǒng)主要器件

電源模塊 6SE7 307-1KA00-0AA0 2塊
CPU模塊 6SE7 314-6CG03-0AB0 1塊
數(shù)字量輸入模塊 6SE7 321-1BL00-0AA0 3塊
數(shù)字量輸入模塊 6SE7 321-1BH02-0AA0 1塊
數(shù)字量輸出模塊 6SE7 322-1BL00-0AA0 2塊
分布式I/O模塊 6SE7 153-1AA03-0XB0 1塊
人機(jī)界面 6AV6 545-0CC10-2AX0 1個(gè)
MM440變頻器 6SE6 440-2UD33-0EB1 3臺(tái)
MM440變頻器 6SE6 440-2UD31-1CA1 1臺(tái)
MM440變頻器 6SE6 440-2UD17-5AA0 1臺(tái)
變頻器DP通訊板 6SE6 400-1PB00-0AA0 5塊

3.系統(tǒng)配置

根據(jù)以上的選型，組成了如下的控制結(jié)構(gòu)圖：

三、控制系統(tǒng)

按照下面的設(shè)備布置圖，簡要闡述系統(tǒng)的控制過程

　　1.此項(xiàng)目中的系統(tǒng)是一個(gè)以矯直傳動(dòng)為基準(zhǔn)的速度隨動(dòng)系統(tǒng)，要求放料，張力，預(yù)彎，收料裝置能夠隨時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤矯直速度。由于放料料籃中的管材是散亂的，故在放料擺臂上設(shè)置一個(gè)DANCE電位器用來跟蹤管材所處位置，根據(jù)它反饋的信號(hào)，PLC對驅(qū)動(dòng)速度進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。由于放料是一個(gè)大慣量系統(tǒng)，在減速過程中，變頻器需通過外接制動(dòng)電阻來及時(shí)地釋放能量，以滿足其快速的響應(yīng)能力。

　　2.矯直系統(tǒng)作為速度基準(zhǔn)，由PLC通過DP通訊輸出速度給定，總線速率設(shè)為1.5Mbps,使驅(qū)動(dòng)有足夠高的快速響應(yīng)能力。其它部分系統(tǒng)的速度給定都由矯直的速度反饋經(jīng)過適當(dāng)?shù)谋壤拚蟮贸觥？紤]到感應(yīng)加熱部分輸出功率的響應(yīng)速度，矯直的斜坡時(shí)間設(shè)為60S，并在變頻器內(nèi)設(shè)置“S”曲線，使得設(shè)備的啟動(dòng)和加減速更加平穩(wěn)。而其它裝置的斜坡時(shí)間則設(shè)得盡可能的短，以保證其足夠靈敏的跟隨性。

　　3.張力裝置用于對管材產(chǎn)生一定的張力，防止出現(xiàn)堆管及斷管，故其速度要大于矯直速度。設(shè)備在調(diào)試過程中經(jīng)常出現(xiàn)堆管現(xiàn)象，經(jīng)過仔細(xì)考慮，認(rèn)為是在啟動(dòng)過程中，由于張力裝置的速度給定來源于矯直裝置的速度反饋，雖然通訊速率很高，斜坡加速時(shí)間設(shè)得很短，但仍存在滯后性，因此在程序中加以彌補(bǔ)。在啟動(dòng)設(shè)備時(shí)，同步地將矯直速度給定傳送至張力裝置，待速度起來后再切換成速度跟隨，即一開始張力裝置的速度給定來源于矯直速度給定，速度起來后切換成矯直速度反饋，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，效果很好，沒有再出現(xiàn)堆管現(xiàn)象。

　　4.為了適應(yīng)下一道工序的生產(chǎn)需要，用戶要求收料籃中的管材應(yīng)有序排放，故專門做了一個(gè)均勻布料的FC功能塊及觸摸屏設(shè)置界面。如下圖所示：

　　主要思路是先在料籃底部構(gòu)建一個(gè)BOX區(qū)域，然后在BOX區(qū)域的上面讓管材在更寬的區(qū)域里排放，最終使其形成一個(gè)三角形的形狀，在這種狀況下，會(huì)使下一道工序的生產(chǎn)更加順暢。下面來闡述一下實(shí)現(xiàn)的過程：

收料是一個(gè)速度跟隨系統(tǒng)，其線速度表達(dá)式為V=K×n÷I×D
K:修正系數(shù)
n:電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速
I：減速比
D：管材所處位置的料籃直徑

　　由上式可推導(dǎo)出，在V、K、I都不變的情況下，D與n成反比關(guān)系，通過改變D即可改變n。均勻布料實(shí)現(xiàn)方法：按照管材所處料籃直徑D（D是料籃每轉(zhuǎn)一圈都發(fā)生變化的）計(jì)算出n作為電機(jī)給定速度，電機(jī)給定速度有規(guī)律的變化使管材的排放有序進(jìn)行。

BOX區(qū)域構(gòu)建:

　　收料處裝有一個(gè)接近開關(guān)，在機(jī)組運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)地檢測料籃轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)（N）。根據(jù)在觸摸屏中設(shè)置的“BOX管材排放外徑”（D1）和“間距”（D2），先從右至左排放，其實(shí)際直徑D=D1-D2×N，當(dāng)N=“BOX寬度”時(shí)，層數(shù)加1，N清零，并將D賦值給D’;然后開始從左至右排放，其實(shí)際直徑D=D’+ D2×N 。如此循環(huán)，直到累計(jì)層數(shù)=“BOX高度”，則此區(qū)域構(gòu)建完成。

三角形構(gòu)建：

　　BOX區(qū)域上方的排放方式同上，只是其寬度更廣（“上層管材排放內(nèi)徑”與“上層管材排放外徑”區(qū)間為其排放區(qū)域）;由于其底下是一個(gè)寬度比它小的矩形（并不是一個(gè)十分規(guī)則的矩形區(qū)），超出矩形寬度部分的管材會(huì)自然掉落在料籃的底部，在矩形寬度內(nèi)的部分會(huì)向上堆積，由此形成三角形狀“⊿”。

　　通過在HMI中設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，用戶可以自行調(diào)整BOX區(qū)域的大小，以及上層區(qū)域的寬度及排放的緊密度，由此完美地解決了用戶的需求。在觸摸屏中也設(shè)置了相應(yīng)的觀察項(xiàng)（圖中的白底部分），如當(dāng)前層數(shù)，當(dāng)前圈數(shù)，當(dāng)前收料直徑，便于針對具體管材排放情況對參數(shù)設(shè)置進(jìn)行修改。

　　5.為了保證退火時(shí)管材表面溫度的恒定，感應(yīng)加熱功率輸出的設(shè)定必須跟隨管材運(yùn)動(dòng)的實(shí)際線速度及管材規(guī)格，由于鋁管規(guī)格很多，在HMI中運(yùn)用配方功能來實(shí)現(xiàn)，某一規(guī)格一旦調(diào)試好后下次用戶只需調(diào)用即可，非常方便,如下圖所示：

　　速度段內(nèi)的感應(yīng)加熱功率輸出通過斜率計(jì)算得出，非常地柔性化，使整個(gè)加熱輸出平穩(wěn)可靠。通過加熱修正可以對加熱功率輸出做補(bǔ)償，修正值則自動(dòng)存放在當(dāng)前配方中，方便下次調(diào)用。

四、項(xiàng)目運(yùn)行

　　系統(tǒng)自2008年6月投入使用，經(jīng)過連續(xù)不間斷的運(yùn)轉(zhuǎn)，一直保持穩(wěn)定運(yùn)行；同時(shí)由于操作簡便，適應(yīng)性強(qiáng)，深受用戶好評(píng)。在我們的出口機(jī)型中，采用了MASTERDRIVE變頻器替代MM440，運(yùn)用帶速度反饋的矢量控制模式，能夠取得更高的速度精度，更好的低頻特性及更高的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并運(yùn)用DP/DP COUPLER來與用戶系統(tǒng)協(xié)作。與現(xiàn)在的方案相比，在檔次提升的同時(shí)成本也會(huì)顯著增加。

五、應(yīng)用體會(huì)

通過本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、調(diào)試，也有了一些心得體會(huì)：
1.退火溫度應(yīng)采用鋁業(yè)專用紅外測溫儀測量，由于管材在高速運(yùn)動(dòng)過程中不可避免地產(chǎn)生抖動(dòng)，導(dǎo)致測量的溫度產(chǎn)生些許波動(dòng)，通過在程序中增加采樣次數(shù)，使得溫度顯示更加平穩(wěn)。值得一提的是采樣程序是從S7-200的系統(tǒng)手冊里搬來的，非常實(shí)用。
2.觸摸屏組態(tài)軟件以前用的是Protool，現(xiàn)在改用Wincc Flexible 2005了,感覺確實(shí)象它的名字一樣，非常地柔性化而且功能也更加強(qiáng)大了。
2.1用Protool編寫的界面可以直接移植到WINCC FLEXIBLE項(xiàng)目中;
2.2采用Wincc Flexible組態(tài)時(shí)可以設(shè)置成與多臺(tái)PLC通訊;
2.3在功能組態(tài)時(shí)，可以把功能進(jìn)行 Copy ，直接復(fù)制到另一個(gè)執(zhí)行元件中，很是方便;
2.4應(yīng)對雙語環(huán)境，Wincc Flexible 可在組態(tài)環(huán)境中直接進(jìn)行多語言的對比翻譯輸入，這在與國外客戶協(xié)作的項(xiàng)目中非常實(shí)用，因?yàn)閲饪蛻粢此緡恼Z言，而國內(nèi)的操作工要看中文。
3. 項(xiàng)目中既有變頻器又有中頻電源，因此在抗干擾方面就顯得非常重要。對此SIMOREG DC master使用說明書中關(guān)于“驅(qū)動(dòng)裝置EMC安裝指導(dǎo)”的描述非常值得深讀并借鑒。在此項(xiàng)目中我們也盡量按照其規(guī)則來實(shí)施，因而在整個(gè)調(diào)試過程中沒有遇到這方面的麻煩。

　　總之，通過本項(xiàng)目的成功開發(fā)與應(yīng)用，體現(xiàn)了西門子自動(dòng)化產(chǎn)品的穩(wěn)定性，易用性，靈活性以及較高的性價(jià)比。