西門子自動化產品在鋁管在線退火中的應用

一、項目介紹
1.簡介

蘇州奧智機電設備有限公司一直致力于空調用銅、鋁管加工設備的研發、設計、制造及服務，為用戶提供高性價比的卓越產品。其研制的在線退火設備是近年來開始在銅、鋁管加工行業中大量應用的設備，與傳統的輥底爐相比，占地面積僅為四分之一，而且節省工序，省卻了傳統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，數千米長的盤管上廢管只有1-2米，產生在整盤管材的開頭部分，能實現盤到盤的加工流程，極大地提高了生產效率。

該設備采用S7-300PLC結合人機界面通過PROFIBUS-DP通訊協議實現對MM4變頻器的速度控制，整個電控系統體系簡明，布線簡單可靠，控制運行準確平穩，收到了良好的效果。

2.簡要工藝介紹

在線退火設備用于將料籃裝載的硬態管通過在線感應加熱方式退火成軟態管。在連續運行過程中，將置于保護氣體氛圍中的管材通過中頻感應加熱，使其溫度達到480度左右，再通過保溫區（確保在一定的溫度下有時間在加熱后進行全晶粒的勻化并消除管子表面的褪色），進入到快速冷卻區（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入到履帶式自動張力裝置，使管材在行進的過程中一直保持一個合適的張力，然后經過抺油處理后進入到收料籃中。
外觀示意圖如下：

下圖為設備生產現場：

二、控制系統構成
1. 系統硬件
1） PLC
設備長度較長，各個操作臺與主控柜距離較遠，考慮到接線的方便、簡潔、易維護，采用分布式I/O。另外，整個系統點數較多，需要通過高速計數來實時測得機組線速度，并且有多個模擬量信號要采集，故選用CPU314C-2DP。其集成了數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個從站，具有極高的性價比。
2） HMI
為了方便對系統的工藝參數，過程參數進行設置和監控，選用了西門子TP270-10作為人機界面。它與西門子PLC的完美結合，使整個系統在硬件和軟件上均達最優化。
3） 變頻器
MicroMaster440是新一代可以廣泛應用的多功能標準變頻器。它采用高性能的矢量控制技術，提供低速高轉矩輸出和良好的動態特性，同時具備超強的過載能力，以滿足廣泛的應用場合。創新的BiCo（內部功能互聯）功能有無可比擬的靈活性。可選的PROFIBUS-DP/Device-Net通訊模塊，實現了通訊的多樣性。

此項目中放料和收料都由交流變頻電機通過減速箱驅動料籃高速旋轉，屬于大慣量系統，而且要求很高的起動轉矩；通過采用MM440的無速度傳感器矢量控制方式，可以獲得接近閉環控制的性能，速度精度可達0.2-0.5%，同時省去了速度傳感器，具有較低的維護成本。與傳統V/Hz控制比較，無速度傳感器矢量控制可以獲得改進的低速運行特性，變負載下的速度調節能力亦得到改善，同時還可獲得高的起動轉矩，這在高摩擦與慣性負載的起動中有明顯的優勢。正是由于這些驅動特性，此項目選擇了MM440變頻器。

2.控制系統主要器件
電源模塊 6SE7 307-1KA00-0AA0 2塊
CPU模塊 6SE7 314-6CG03-0AB0 1塊
數字量輸入模塊 6SE7 321-1BL00-0AA0 3塊
數字量輸入模塊 6SE7 321-1BH02-0AA0 1塊
數字量輸出模塊 6SE7 322-1BL00-0AA0 2塊
分布式I/O模塊 6SE7 153-1AA03-0XB0 1塊
人機界面 6AV6 545-0CC10-2AX0 1個
MM440變頻器 6SE6 440-2UD33-0EB1 3臺
MM440變頻器 6SE6 440-2UD31-1CA1 1臺
MM440變頻器 6SE6 440-2UD17-5AA0 1臺
變頻器DP通訊板 6SE6 400-1PB00-0AA0 5塊

3.系統配置
根據以上的選型，組成了如下的控制結構圖：

三、控制系統
按照下面的設備布置圖，簡要闡述系統的控制過程

1.此項目中的系統是一個以矯直傳動為基準的速度隨動系統，要求放料，張力，預彎，收料裝置能夠隨時動態跟蹤矯直速度。由于放料料籃中的管材是散亂的，故在放料擺臂上設置一個DANCE電位器用來跟蹤管材所處位置，根據它反饋的信號，PLC對驅動速度進行實時修正。由于放料是一個大慣量系統，在減速過程中，變頻器需通過外接制動電阻來及時地釋放能量，以滿足其快速的響應能力。

2.矯直系統作為速度基準，由PLC通過DP通訊輸出速度給定，總線速率設為1.5Mbps,使驅動有足夠高的快速響應能力。其它部分系統的速度給定都由矯直的速度反饋經過適當的比例修正后得出。考慮到感應加熱部分輸出功率的響應速度，矯直的斜坡時間設為60S，并在變頻器內設置“S”曲線，使得設備的啟動和加減速更加平穩。而其它裝置的斜坡時間則設得盡可能的短，以保證其足夠靈敏的跟隨性。

3.張力裝置用于對管材產生一定的張力，防止出現堆管及斷管，故其速度要大于矯直速度。設備在調試過程中經常出現堆管現象，經過仔細考慮，認為是在啟動過程中，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，斜坡加速時間設得很短，但仍存在滯后性，因此在程序中加以彌補。在啟動設備時，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，經實踐驗證，效果很好，沒有再出現堆管現象。

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

主要思路是先在料籃底部構建一個BOX區域，然后在BOX區域的上面讓管材在更寬的區域里排放，最終使其形成一個三角形的形狀，在這種狀況下，會使下一道工序的生產更加順暢。下面來闡述一下實現的過程：
收料是一個速度跟隨系統，其線速度表達式為V=K×n÷I×D
K:修正系數
n:電動機轉速
I：減速比
D：管材所處位置的料籃直徑
由上式可推導出，在V、K、I都不變的情況下，D與n成反比關系，通過改變D即可改變n。均勻布料實現方法：按照管材所處料籃直徑D（D是料籃每轉一圈都發生變化的）計算出n作為電機給定速度，電機給定速度有規律的變化使管材的排放有序進行。

BOX區域構建:
收料處裝有一個接近開關，在機組運行過程中實時地檢測料籃轉動的圈數（N）。根據在觸摸屏中設置的“BOX管材排放外徑”（D₁）和“間距”（D₂），先從右至左排放，其實際直徑D=D₁-D₂×N，當N=“BOX寬度”時，層數加1，N清零，并將D賦值給D’;然后開始從左至右排放，其實際直徑D=D’+ D₂×N 。如此循環，直到累計層數=“BOX高度”，則此區域構建完成。

三角形構建：
BOX區域上方的排放方式同上，只是其寬度更廣（“上層管材排放內徑”與“上層管材排放外徑”區間為其排放區域）;由于其底下是一個寬度比它小的矩形（并不是一個十分規則的矩形區），超出矩形寬度部分的管材會自然掉落在料籃的底部，在矩形寬度內的部分會向上堆積，由此形成三角形狀“⊿”。

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

5.為了保證退火時管材表面溫度的恒定，感應加熱功率輸出的設定必須跟隨管材運動的實際線速度及管材規格，由于鋁管規格很多，在HMI中運用配方功能來實現，某一規格一旦調試好后下次用戶只需調用即可，非常方便,如下圖所示：

速度段內的感應加熱功率輸出通過斜率計算得出，非常地柔性化，使整個加熱輸出平穩可靠。通過加熱修正可以對加熱功率輸出做補償，修正值則自動存放在當前配方中，方便下次調用。

四、項目運行

系統自2008年6月投入使用，經過連續不間斷的運轉，一直保持穩定運行；同時由于操作簡便，適應性強，深受用戶好評。在我們的出口機型中，采用了MASTERDRIVE變頻器替代MM440，運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轉矩，并運用DP/DP COUPLER來與用戶系統協作。與現在的方案相比，在檔次提升的同時成本也會顯著增加。

五、應用體會

通過本項目的設計、調試，也有了一些心得體會：
1.退火溫度應采用鋁業專用紅外測溫儀測量，由于管材在高速運動過程中不可避免地產生抖動，導致測量的溫度產生些許波動，通過在程序中增加采樣次數，使得溫度顯示更加平穩。值得一提的是采樣程序是從S7-200的系統手冊里搬來的，非常實用。
2.觸摸屏組態軟件以前用的是Protool，現在改用Wincc Flexible 2005了,感覺確實象它的名字一樣，非常地柔性化而且功能也更加強大了。
2.1用Protool編寫的界面可以直接移植到WINCC FLEXIBLE項目中;
2.2采用Wincc Flexible組態時可以設置成與多臺PLC通訊;
2.3在功能組態時，可以把功能進行 Copy ，直接復制到另一個執行元件中，很是方便;
2.4應對雙語環境，Wincc Flexible 可在組態環境中直接進行多語言的對比翻譯輸入，這在與國外客戶協作的項目中非常實用，因為國外客戶要看他本國的語言，而國內的操作工要看中文。
3. 項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 DCｍａｓｔｅｒ使用說明書中關于“驅動裝置EMC安裝指導”的描述非常值得深讀并借鑒。在此項目中我們也盡量按照其規則來實施，因而在整個調試過程中沒有遇到這方面的麻煩。

總之，通過本項目的成功開發與應用，體現了西門子自動化產品的穩定性，易用性，靈活性以及較高的性價比。