（1.中油宝世顺（秦皇岛）钢管有限公司，河北 秦皇岛 066206；2.宝鸡石油钢管有限责任公司 钢管研究院，陕西 宝鸡721008）
摘 要：为了解决焊管生产线原倒棱机设备控制性能较差、故障率高的问题，对原倒棱机采用的变频器驱动普通三相异步电动机进给伺服控制系统进行了改造。新系统选用西门子S120控制器作为驱动单元、西门子伺服电机作为执行机构，设计了两侧床身进给伺服控制电气原理图，编写了S7－300PLC控制程序，利用DP总线通讯进行信号和数据传输，并对S120伺服控制系统进行了安装调试。实际使用结果表明，改进后的设备性能良好，运行平稳，提高了生产效率和产品质量。
关键词：焊管生产线；倒棱机；控制系统；S120伺服控制；DP总线通讯；床身工进
通常情况下，直缝焊管生产线通过倒棱机对钢管管端进行倒棱和平头。横移台车将钢管运送至机床的中心线位置，升降V形架举升钢管，两侧机床大拖板快速前进到位，上下夹紧装置将钢管夹持紧固，床头箱从机床原点开始移动，快进使倒棱刀、平头刀接近钢管端面，随即启动主轴旋转，床头箱开始工进切削，工进切削结束，床头箱快退返回机床原点，倒棱工作结束。
原设备床头箱快速进给，采用接触器控制交流电机运行，电机启动后带动蜗杆减速器传动到丝杠带动床头箱快速前进。床头箱工进采用变频器对交流电机进行调速，电机启动，电磁摩擦离合器吸合，通过齿形皮带传送到蜗杆减速器，带动丝杠转动，工进时经常出现离合器吸合间断故障，导致床身无法进给，且皮带传送精度较差，该传动系统控制精度较低，扭矩较小，对倒棱效果和效率均产生了一定的影响。针对这种情况，本研究设计了两侧床头箱快进和工进控制改造方案，通过实施后大幅提高了生产效率和倒棱质量，设备运行稳定可靠，精度大幅提高。
拆除原倒棱机床头箱控制快进的接触器和控制工进的变频器，更换为西门子S120伺服控制系统，该系统包括断路器、接触器、S120功率单元、S120－CU310控制单元。对两侧机床均进行了相关改造安装，对S120伺服控制系统进行了调试，实现精确进给和定位控制；并与现有的PLC系统通过PROFIBUS－DP总线通讯并组态，利用 S7－300 CPU对S120相关动作及速度等进行控制。
倒棱机原进给系统快进电机型号为Y160M－6、功率7.5 kW，工进电机型号为Y112M－4、功率4 kW，均为普通三相异步电动机。改造后将原床头箱进给系统的快进和工进电机、减速机和齿型皮带拆除，安装1台7.5 kW西门子同步伺服电机和SEW高精度减速机，完成快进和工进作业，倒棱机传动系统结构如图1所示。
图1 倒棱机传动系统结构示意图
从三相进线母排取380 V交流电源，通过断路器手动控制两套S120控制器电源通断；通过PLC系统控制接触器的吸合和断开，控制S120控制器电源的通断。S120伺服驱动部分由CU310 DP控制单元和功率单元组成，控制单元型号为6SL3040－0LA00－0AA1，功率单元型号为6SL3210－1SE23－2AA0。输出端口通过动力电缆和信号电缆与伺服电机及电机编码器连接，形成闭环控制，伺服控制器原理如图2所示。CU310 DP控制器通过总线通讯与S7－300 CPU进行信号的传输控制，总线通讯原理如图3所示。
图2 伺服控制器原理图
图3 总线通讯原理图
利用STARTER软件对S120伺服控制器、伺服电机进行设置、匹配和优化。分别设置控制报文、功率单元型号（功率、电压、电流）、控制单元型号、电机型式、通讯接口型式、抱闸控制方式、电机编码器型号、编码器计数比例和精度等相关参数。S120控制器配置界面如图4所示。
图4 S120控制器配置图
PLC系统组态如图5所示。PLC系统主CPU采用315－2DP系列模块，通过PROFIBUS－DP通讯进行组态，连接ET200从站、变频器、S120控制器等相关器件。
图5 PLC系统组态图
伺服控制系统自动进给程序如下：
经过PLC程序逻辑运算，床身自动进给条件M10.4或者M159.3触发，且由触摸屏输入的速度变量MW202在给定范围内，经过相应的运算转换得出速度控制值，输出到S120伺服控制器，变量PQW432为S120伺服控制器方向控制指令，变量PQW434为S120伺服控制器速度控制指令。
伺服控制系统停止程序如下：
倒棱完成后，床身快速后退到机床原位，S120控制器停止运行，设备进行下一工序工作。
（1）电机扭矩计算公式为T=9 550P/n，改造前工进电机型号为Y112M－4，为三相异步电动机，额定功率为4 kW，额定转速为1 435 r/min，额定扭矩为26.5 N·m；改造后电机型号为1FT7105－5AC71－1DB1，为同步伺服电动机，额定功率为7.5 kW，额定转速为2 000 r/min，额定扭矩为38.0 N·m，最大扭矩为50.0 N·m。有效提高了工进速度和扭矩，提高生产效率1倍以上，倒棱质量极大提高。改进后的系统，在生产大直径及厚壁钢管时效果明显，生产效率和节奏明显加快，解决了制约生产线运转的关键问题。
（2）系统改造之前使用的是6SE70矢量变频器，采用开环控制；系统改造之后后使用的是S120伺服控制器，并采用闭环控制。改造之后，系统相较改造之前定位精度高，稳定性强，响应速度快。
（3）改为快进、工进一体后，避免了电磁摩擦离合器接触不良带来的设备进给故障，使用同步伺服电机直接连接SEW高精度减速机，避免了齿形皮带传动的机械误差，床身进给精度大幅提高。
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作者简介：李 刚（1985—），男，工程师，主要从事直缝焊管设备电气管理与自动化控制工作。
收稿日期： 2017－07－13
编辑：谢淑霞
Servo Control System Improvement of Lathe Bed Feeding of Welded Pipe Chamfering Machine
LI Gang1， DU Qiangna1， ZHANG Hongkun1， CAO Yuhang2
（1.Zhongyou BSS（Qinhuangdao） Petroleum Steel Pipe Co.， Ltd.， Qinhuangdao 066206， Hebei， China；2.Steel Pipe Research Institute， Baoji Petroleum Steel Pipe Co.， Ltd.， Baoji 721008， Shaanxi， China）
Abstract:In order to solve the issues of poor control performance and high failure rate caused by original chamfering machine in welded pipe production line，servo control system of inverter-driven triphase asynchronous motor of chamfering machine was transformed.In the system，Siemens S120 controller was chosen for drive unit，Siemens servo motor was chosen for actuator，the electricity schematic diagram of feed servo control for both sides of lathe bed was designed，the S7－300PLC control program was written，DP bus communication was used for signal and data transmission，and the servo control system of S120 was installed and debugged.According to the practical used results the ameliorated equipment performed well and operate steadily，which could improve production efficiency and quality of products.
Key words:welded pipe production line； chamfering machine； control system； S120 servo control； DP bus communication；lathe bed feeding
中图分类号：TG50
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