西门子6ES7253-1AA22-0XA0选型说明
1 概述
无缝钢管生产线按工艺流程一般分为三个区域：穿孔区；连轧区；定径区（张减区）。穿孔区主要负责把坯料加工成为中空的钢管（毛管）；连轧区主要负责把毛管轧制成为符合要求的半成品（荒管）；定径区（张减区）主要负责对荒管进行外径的微小修正。穿孔区的工艺为斜轧，对毛管质量起着关键作用的设备是主轧机及三辊抱芯。三辊抱芯由液压伺服比例阀控制，其主要作用是保证三辊抱芯的实际位置位于参考位置的偏差范围内，从而起到导向作用。
2 三辊抱芯功能简介
三辊抱芯装置机械结构如图1所示。
图1 三滚抱芯的机械结构图
三个导辊按照120o分布，其中下面两个导辊，上面一个导辊，三滚的内切圆直径即为其导向物料的外径。三个导辊由同一个液压缸控制，油缸的动作通过一系列的机械机构可以改变三个导辊的位置，（三辊的内切圆直径）。一般根据工艺不同，穿孔区一般安装6组三辊抱芯装置，每个三辊抱芯前有2对热探。
轧制前三辊抱芯位于顶杆位置，对顶杆起到导向作用。轧制过程中，随着坯料被轧制成为毛管，6对三辊抱芯在得到各自的热探信号后，依次打开到毛管位，对毛管进行导向。当轧制结束后，三辊抱芯旋至打开位置，翻料臂将毛管翻出。更换顶杆后，三辊抱芯旋至顶杆位，重复以上过程，轧制另一个毛管。
在一根毛管轧制的过程中，三辊抱芯要动作3次，即顶杆位，毛管位，打开位，而这些动作均要求在0.5-1s内完成，并且保证1mm之内的位置偏差。三辊抱芯位置的jingque度，动作快慢直接关系到整条生产线的运行以及产品的质量。
3 三辊抱芯控制
3.1 基本控制原理
三辊抱芯的控制基本分为两种。
（1）采用机械调整和节流阀配合驱动。这种方法的优点是驱动控制简单，设备动作时间短，用常规的三位四通阀，节流阀来控制液压缸的行程，这种方式的缺点也很明显，就是每次更换轧钢规格的时候都需要手动进行调节，浪费了大量的时间。是控制的精度比较低，对轧钢的质量造成很大的影响。
图2 液压伺服比例系统
（2）用液压伺服比例阀进行控制，这种控制方法能很好的保证三辊抱芯的精度，一般误差都可以控制在0.5-1mm，如果采用单独的液压站来驱动6个三辊抱芯，系统压力比较稳定的情况下，其动作时间也能控制在0.5s内。更换轧钢规矩的时候，仅仅需要从HMI改变参考位置，节省了大量的时间。液压伺服比例系统的控制如图2所示。伺服比例阀通过自带的集成线性放大器，可以连续地调节伺服比例阀的开度，这是与普通液控阀的大不同。由于伺服比例阀的开度是连续可调的，供给油缸的liuliang也是连续可调节的。这样就实现了对油缸的速度、推力的连续调节和控制，保证了三辊抱芯的位置总是在参考的位置范围内。
3.2 控制系统配置及软件实现
采用ABB公司的AC450系列PLC控制。油缸的行程由内置的位移传感器给出4-20mA的模拟量输入信号。经过系统分析处理后，把开度指令转换成4-20mA的模拟量信号发送给伺服比例阀的集成放大器，控制其开度。由于输入的位移信号与三辊抱芯的开口度为线性关系，很容易推出它们之间的关系。具体步骤如图3所示（输入信号X；三辊抱芯的参考直径Y；输出信号Z，皆为4-20mA）。
图3 液压伺服比例系统控制调节流程图
（1）将标准管1（直径已知）放入三辊抱芯内，手动将三辊抱芯抱紧标准管。在次状况下，可以得到内置位移传感器的输入信号-X1,标准管的直径已知-Y1。
（2）将一根标准管（直径已知）放入三辊抱芯内，手动将三辊抱芯抱紧标准管。在次状况下，可以得到内置位移传感器的输入信号-X2,标准管的直径已知-Y2。
（3）将X1,X2,Y1,Y2带入方程式Y=kX+b,求得k,b,就可以得到实际位置。
（4）参考位置ref pos－实际位置actpos=Δpos,进行PID调节，得到4-20mA的模拟量输出信号，作用于伺服比例阀的集成放大器，控制其开度。
（5）PID调节程序的流程如图三所示。在本程序的PID调节器中，P，I调节是分开的。PLC系统检查实际位置与参考位置的偏差Δ，当偏差较大的时候，PI调节器均起作用，但主要是P（比例）调节，这样响应比较快，这时候PID调节器给出较大的开度，使油缸高速、大推（拉）力运行；当偏差较小的时候，P调节停止，只有是I（积分）调节，这时候PID调节器给出较小的开度，使油缸低速、小推（拉）力运行。该程序在偏差不等于零的情况下，积分调节器就一直处于工作状态，这样就能保证实际位置无限靠近参考位置，一直处于动态调整中。
4 实际应用效果及调试注意事项
PLC程序的PID控制在实际应用中起到了非常好的效果，偏差均能保证在1mm之内，动作时间能控制在0.5s。由于P，I调节是分开，当偏差大的时候，P快速调节；偏差小的时间，I进行微调。这样能既能保证运行时间又能保证定位的精度。实际调试中需要注意的几点：
（1）6个三辊抱芯有时候动作，液体站必须保证稳定的压力，储压器要处于工作状态。
（2）机械部件必须保证良好的润滑，负责摩擦阻力会影响油缸的运动。
（3）液体部件要保证良好的密封，否则对系统的运行也十分不利。
（4）调试中，P（比例系数）的给定，积分系数，积分时间有比较好的配合；PLC的扫描时间以及油缸位移传感器的采样时间要快，否则容易产生超调现象。
近年来可编程序控制器(PLC)以及变频调速技术日益发展，性能价格比日益tigao，并在机械、冶金、制造、化工、纺织等领域得以普及和应用。为满足温度、速度、liuliang等工艺变量的控制要求，常常要对这些模拟量进行控制，PLC模拟量控制模块的使用也日益广泛。
通常情况下，变频器的速度调节可采用键盘调节或电位器调节方式，在速度要求根据工艺而变化时，仅利用上述两种方式则不能满足生产控制要求，我们须利用PLC灵活编程及控制的功能，实现速度因工艺而变化，从而保证产品的合格率。
2、变频器简介
交流电动机的转速n公式为：
式中: f—频率;
p—极对数;
s—转差率(0～3%或0～6%)。
由转速公式可见，改变三相异步电动机电源频率，可以改变旋转磁通势的同步转速，达到调速的目的。额定频率称为基频，变频调速时，可以从基频向上调(恒功率调速)，也可以从基频向下调(恒转距调速)。变频调速方式，比改变极对数p和转差率s两个参数简单得多。还具有很好的性价比、操作方便、机械特性较硬、静差率小、转速稳定性好、调速范围广等优点，变频调速方式拥有广阔的发展前景。
3、PLC模拟量控制在变频调速的应用
PLC包括许多的特殊功能模块，而模拟量模块则是其中的一种。它包括数模转换模块和模数转换模块。例如数模转换模块可将一定的数字量转换成对应的模拟量(电压或电流)输出，这种转换具有较高的精度。
在设计一个控制系统或对一个已有的设备进行改造时，常常会需要对电机的速度进行控制，利用PLC的模拟量控制模块的输出来对变频器实现速度控制则是一个经济而又简便的方法。
下面以三菱FX2N系列PLC为例进行说明。选择FX2N-2DA模拟量模块作为对变频器进行速度控制的控制信号输出。如图1所示，控制系统采用具有两路模拟量输出的模块对两个变频器进行速度控制。、
图1 对变频器进行速度控制的信号输出
图2为变频器的控制及动力部分，这里的变频器采用三菱S540型，PLC的模拟量速度控制信号由变频器的端子2、5输入。
图2 变频器的控制及动力部分接线图
3.1 系统中PLC模拟量控制变频调速需要解决的主要问题
（1）模拟量模块输出信号的选择
通过对模拟量模块连接端子的选择，可以得到两种信号，0~10V或0~5V电压信号以及4~20mA电流信号。这里我们选择0~5V的电压信号进行控制。
（2）模拟量模块的增益及偏置调节
模块的增益可设定为任意值。如果要得到大12位的分辨率可使用0~4000。如图3，我们采用0~4000的数字量对应0~5V的电压输出。当然，我们可对模块进行偏置调节，例如数字量0~4000对应4~20mA时。
图3 模块的增益设定
（3）模拟量模块与PLC的通讯
对于与FX2N系列PLC的连接编程主要包括不同通道数模转换的执行控制，数字控制量写入FX2N-2DA等等。而重要的则是对缓冲存储器(BFM)的设置。通过对该模块的认识，BFM的定义如附表。
附表 BFM的定义
从附表中可以看出起作用的仅仅是BFM的#16、#17，而在程序中所需要做的则是根据实际需要给予BFM中的#16和#17赋予合适的值。其中：
#16为输出数据当前值。
#17:b0:1改变成0时，通道2的D/A转换开始。
b1:1改变成0时，通道1的D/A转换开始。
（4）控制系统编程
对于上例控制系统的编写程序如图4所示。
图4 控制系统编程
在程序中：
1)当M67、M68常闭触点以及Y002常开触点闭合时，通道1数字到模拟的转换开始执行;当M62、M557常闭触点以及Y003常开触点闭合时，通道2数字到模拟的转换开始执行。
2) 通道1
将保存个数字速度信号的D998赋予辅助继电器(M400~M415);
将数字速度信号的低8位(M400~M407)赋予BFM的16#;
使BFM#17的b2=1;
使BFM#17的b2由1→0，保持低8位数据;
将数字速度信号的高4位赋予BFM的16#;
使BFM#17的b1=1;
使BFM#17的b1由1→0，执行通道1的速度信号D/A转换。
3) 通道2
将保存第二个数字速度信号的D988赋予辅助继电器(M300~M315);
将数字速度信号的低8位(M300~M307)赋予BFM的16#;
使BFM#17的b2=1;
使BFM#17的b2由1→0，保持低8位数据;
将数字速度信号的高4位赋予BFM的16#;
使BFM#17的b0=1;
使BFM#17的b0由1→0，执行通道2的速度信号D/A转换。
4)程序中的K0为该数模转换模块的位置地址，在本控制系统中只用了一块模块，为K0，假如由于工艺要求控制系统还要再增加一块模块，则新增模块在编程时只要将K0改为K1即可。
（5）变频器主要参数的设置
根据控制要求，设置变频器的运行模式为外部运行模式，运行频率为外部运行频率设定方式，Pr.79=2;模拟频率输入电压信号为0~5V，Pr.73=0;其余参数根据电机功率、额定电压、负载等情况进行设定。
3.2 注意事项
(1) FX2N-2DA采用电压输出时，应将IOUT与COM短路;
(2) 速度控制信号应选用屏蔽线，配线安装时应与动力线分开。
4、结束语
上述控制在实际使用过程中运行良好，很好的将PLC易于编程与变频器结合起来，当然不同的可编程序控制器的编程和硬件配置方法也不同，比如罗克韦尔PLC在增加D/A模块时，只要在编程环境下的硬件配置中添加该模块即可。充分利用PLC模拟量输出功能可以控制变频器从而控制设备的速度，满足生产的需要。
一、B2010A龙门刨床工况概述
龙门刨床是机械化自动化程度很高的大型机床。龙门刨床的动力及控制回路比较复杂，尤其是刨床工作台主拖动系统完全依靠电气自动化控制来执行的。B2010A龙门刨床的主拖动采用初50年代的A-G-M调速系统，即电机扩大机---直流发电机---直流电动机组系统。如图一所示。采用机械速比2:1和电气调速范围为10:1的机电联合调速系统。
龙门刨床对电力拖动的技术要求---龙门刨床是频繁往复运动的生产机械，它的工作方式为循环方式。前进行程是切削行程；后退行程是不作切削的，只让工作台驶回为下一步切削作准备。运动示意图如图二所示。实际工作中为了tigao劳动生产效率，轻载后退的速度要大于前进切削速度。由于不同的金属材料和不同的加工工艺，必须要求控制系统具备：
*工作台主拖动具有比较宽的调速范围和较硬的机械特性；
*工作台前进切削和后退的过程中运行平稳，不振荡，速度能单独地作无级调整，无须停车；
*运行方向的改变要迅速、平滑、冲击力小、动作反应快；
*在低速范围内切削力基本保持恒定状态，静差度小于3%；
*前进与后退行程的末尾工作台自动减速，反向准确；
*传动效率高，耗电量小；
*控制系统简单，可靠安全，易于维修保养；
如图二中，ab段（约12-15米/分）为刀具慢速切入工件，而后增加到可调速CD段进行前进切削，之后运行到设定行程开始减速为ef段，再经过换向行程控制，工作台由前进减速迅速制动并快速反向运行可调hi速度段后退，再后退至减速换向切换到前进行程。形成一个循环工作周期。
以上简略叙述B2010A直流拖动系统过程，有助于对它的性能特点和工作情况能进步了解。
二、龙门刨床拖动系统的演变
1．原系统存在的主要缺陷
我们知道龙门刨床这种A-G-M调速系统，它具有占地面积大、噪声污染严重、尤其交流电动机拖
动发电机浪费电能很严重。从工作情况来看，直流电动机的功率并没有得到充分利用，并且维护
保养较困难。目前许多在使用该系统工作的厂家都在想办法解决以上问题。
2．演变
从70年代至目前有极少部分采用晶闸管---直流电动机机组（V-M调速系统）。该系统低速时损
耗大、功率因数低、对电网污染严重，而使用的还是直流电动机，维护保养困难的问题还是没有
解决。
3．飞跃
随着科技进步，在电力电子技术和微电子技术方面有了飞速发展，以及矢量控制技术的完善，使
得变频调速技术日新月异，并且变频调速发展空间愈加宽广，涉及领域之多，其优越性为众所周
知。为此广大科技工作者致力于交流变频调速技术的应用，龙门刨床的拖动方式在向变频调速的
方向转移，国外已有很多成功应用的实例。
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三、EMERSON变频器应用在B2010A龙门刨床上
1、选型
根据前述龙门刨床直流拖动系统工作要求，对于取代直流拖动并超越直流拖动的交流变频调速来说，选择高性能可靠矢量型的变频器尤其关键。通过查阅有关资料及请教有关学者（对此深表感谢），加之深入了解国内外同类变频器，反复比较论证，我们从性价比上选择了美国EMERSON公司出产的高性能矢量控制变频器---TD3000系列产品。TD3000系列变频器在性能上完全符合B2010A型龙门刨床拖动系统的要求。它通过对交流电机磁通电流和转矩电流的解耦控制，实现了转矩的快速响应和准确控制，能以很高的控制精度进行宽范围的调速运行；我们还采用了有速度传感器PG反馈矢量控制方式。根据我们在实际应用中确实感到TD3000矢量控制变频器稳定可靠，对于象龙门刨床这种从安全可靠性要求很高的大型设备，选用该矢量控制型变频器非常合适。TD3000系列变频器是美国EMERSON公司自主开发生产的高品质、多功能、低噪音的矢量控制通用变频器。具有电机参数自动调谐、零伺服控制、速度控制和转矩控制在线切换、转速跟踪、内置PLC、内置PID控制器、编码器和给定及反馈信号断线监测、掉载保护、内置PG接口、故障信号追忆、28种故障监控、丰富的I/O端子和多达十种的速度设定方式，能满足各类负荷对传动控制的要求。TD3000系列变频器的优越性能主要体现在：
*有速度传感器矢量控制，调速范围为1：1000，稳态控制精度0.05%；
*低频启动转矩10-100rpm时,200%额定转矩；
*启动预励磁,加快矢量控制快速响应；
*动态转矩响应小于150ms；
*零伺服锁定功能,可以保持零速时150%的转矩输出;
*可靠的转矩限定，防止频繁跳闸；
*功能丰富的对话式操作面板，全系列LCD+LED显示中英文可选；
*参数的上传拷贝和下传复写功能；
*功能强大的后台调试监控软件，可通过内置RS485接口组网监控。
电机、变频系统选型：
1)主拖动：55KW交流变频电机，TD3000-4T0750G变频器；
2)垂直刀架：1.5KW交流电机，TD1000-4T0022G变频器；
3)左刀架：1.5KW交流电机，TD1000-4T0022G变频器；
4)右刀架：1.5KW交流电机，TD1000-4T0022G变频器
5)主拖动制动单元：两台TDB-4C01-0300制动单元，两只10Ω、10KW制动电阻。
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2.控制原理
(1)工作台主拖动用EMERSONTD3000变频器驱动变频调速电机,电机为中科院研制生产。该电机采用AUTOCAD辅助设计，充分考虑了正弦脉宽调制技术和矢量控制变频器的特点，低频时转速平稳，无爬行现象，恒力矩调速范围宽，代替A-G-M系统机组实现无级调速。由于我们针对的山东煤矿莱芜机械厂B2010A型龙门刨床，机械上基本上不动,没有增加铣削功能,如果横梁垂直刀架机械刚性足，可以在机械上改造,配刨、铣变速箱来实现铣削功能。通过调试实现了机械刨削速度范围3-80米/分，无级调速；速度还可降至1米/分左右，进行磨削加工。
(2)工作台换向采用制动单元及制动电阻，制动速度快，从应用来看，TD3000变频器在频繁换向过程中速度降低快，动力制动迅速，由于换向时工作时间短，为抑制泵升电压，采用了制动电阻进行能量释放。
(3)电气控制系统采用由我们莱芜凤普自控有限公司自行研制的XH-120PLC可编程控制器来实现对主拖动变频器及整个机床的电气控制。优点是控功能强、速度快、易维护、便于改变程序。并且根据工艺情况编制故障，面板显示运行状态、查找故障点简单。
(4)工作台的减速、换向控制采用龙门刨床高可靠性电子组合开关，无机械磨损、寿命长、无
故障工作时间在一万小时以上，全密封、无维修、可防止使用中铁屑引起误动作。
3、龙门刨床简要电气.控制框图(如图三)
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四、EMERSON变频器的特性应用
我们在调试变频器过程中，重点针对工作台频繁换向、快速响应等问题对于变频器参数作了调整，仅举几例加以说明。
1、注意变频器与电机的自调谐过程：在选择矢量控制方式次运行前，一定要进行电机的自动调谐工作，以便获得被控电机的准确电气参数。这种过程相当于对负载电动机自动地进行一次"等效电路参数测定实验"，力求达到jingque矢量控制。
2、避免爬行：我们知道由于加工切削量不同、工件重量不等、行程不一、高速运行等严重恶劣条件造成在运动中工作台惯性大，势必会在减速与反向过程中会向原方向作一定距离的惯性运动。认真调整TD3000变频器的有关参数，一定要准确控制加减速时间及制动的投入方式，否则将会出现越位等故障。
3、换向运行的快速响应：应用TD3000变频器在工作台拖动换向上要精心调整转速调节器，使之适应工作要求，当比例增益P和积分时间I参数选取不当时，可能会在系统中产生振荡或产生减速过电压故障。这一点需要根据实际情况来调整。
4、使电机获得更好的起动性能：我们在调试过程中，将电机预励磁功能参数作了调整，起动方式、起动频率、正反转死区、脉冲编码器等参数作了调整，使之具有更好的响应速度。
五．应用情况及效果
根据应用，我们可以得出如下比较：
1．工作方式：
在B2010A改造前，工作时，直流发电机组一直处于运行状态，特别是在工作间隙、测量工
件时等，白白消耗大量的空载能量。改造后，龙门刨床只是在工作台运动时才消耗能量，并
且在轻载时变频器自动节能。
2．进线电流：
在改造前，大刨切削45号钢坯时，吃刀深度10mm，进刀量为1mm，检测进线电流为50A。
改造后，同样加工条件下，进线电流仅为15.5A。
3．环境改善：
改造前，发电机组工作时噪音严重，可达80dB。
改造后，检测噪音为70dB，大大改善了工作环境，利于操作工人的身心健康。
4．占地面积：
改造前，机组占地面积大，现在改造后仅为原来的10%。
5．机床维修：
改造前，机床维修量大，并且难以修理，特别是励磁发电机不发电故障。
改造后，由于变频器控制柜集中，基本上不出大的故障。
6．机床运行：
改造前，由于原B2010A机床年久失修，各处性能大不如初，换向惯性大。
改造后，采用了先进的矢量控制，从性能、稳定性上超过原来，换向惯性小，反向快速响应。
7．节电效益：
测量进线，按有功功率来算，每天二班倒，工作15小时，每月平均生产26天，电费成本在
0.7元，全年可节约电费73500.34元，一项一年左右时间即可收回投资。
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