符曉輝，李西寧，楊世芳

(西安啟源機電裝備股份有限公司，陜西 西安710021)

SIMOTION D在順磁鐵芯電抗器生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

符曉輝，李西寧，楊世芳

(西安啟源機電裝備股份有限公司，陜西 西安710021)

順磁鐵芯式電抗器有著損耗低、電磁干擾低、可靠性高等優(yōu)點。西安啟源機電裝置股份有限公司設(shè)計了首條順磁鐵芯電抗器生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線采用了SIMOTION西門子新一代運動控制平臺。這一產(chǎn)品實現(xiàn)了將邏輯控制、運動控制和工藝控制的融合。本文介紹了順磁鐵芯電抗器生產(chǎn)線上控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，軟件設(shè)計及使用情況。

電抗器;鐵芯;順磁;運動控制

0 前言

鐵芯電抗器的核心部件是圓型鐵芯餅。鐵芯餅是由多組扇形鐵芯片堆疊組成。而鐵芯餅的剪切工藝分為順磁和橫磁兩種形式，兩種工藝的區(qū)別在于橫磁鐵芯所組成的鐵芯柱的硅鋼片的碾壓方向垂直于鐵芯柱的磁通，而順磁鐵芯中的硅鋼片碾壓方向與鐵芯柱的磁通方向平行。順磁電抗器總損耗比橫磁電抗器低3%以上。

由于對剪切設(shè)備要求低，鐵芯餅結(jié)構(gòu)簡單，故國內(nèi)大多數(shù)的鐵芯電抗器企業(yè)仍在使用橫磁剪切工藝。目前國內(nèi)只有西安變壓器廠和特變電工衡陽變壓器廠引進了ASTRONIC的順磁鐵芯剪切線。西安啟源機電裝備股份有限公司通過深入研究順磁鐵芯的生產(chǎn)工藝設(shè)計了國內(nèi)的首條該型生產(chǎn)線。在這臺設(shè)備中用到了多個伺服電機做多種運動控制，采用PLC定位模塊，這種常規(guī)模式對于系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計有較大的局限性。故引入一種新的控制模式，該控制系統(tǒng)采用了SIMOTTON運動平臺。

1 SIMOTIOND運動控制平臺

在運動控制領(lǐng)域，常規(guī)的實現(xiàn)方案是PLC帶定位模塊的系統(tǒng)。PLC的CPU負責整體邏輯控制和系統(tǒng)運算，定位模塊控制伺服電機實現(xiàn)速度、定位和同步等功能。兩者之間通過PLC的背板總線進行通信，背板總線的速率決定了系統(tǒng)的整體響應(yīng)速度。當設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運動軸數(shù)量增加時，PLC的擴展模塊和定位模塊增多，數(shù)據(jù)通信和系統(tǒng)響應(yīng)速度將不可避免地要受到影響。

新一代的運動控制平臺SIMOTION是功能強大而靈活的系統(tǒng)，除了具有運動控制的各項功能，還集成了全面的邏輯和多種工藝控制。該平臺有3個版本，分別是基于PLC、工業(yè)PC和驅(qū)動器的形式。其中SIMOTION D是基于伺服驅(qū)動器SINAMICS S120的版本，它不僅具有SIMOTION的全部功能，而且還集成了伺服驅(qū)動器的控制功能。這種高度集成化有效降低系統(tǒng)成本并縮減控制系統(tǒng)的體積。

SIMOTION D在硬件層面提供了一體化解決方案，在軟件層面上西門子配套的開發(fā)環(huán)境SCOUT已經(jīng)不單是一個編程軟件，在這個開發(fā)系統(tǒng)內(nèi)可以實現(xiàn)全部的邏輯編程，運動控制和工藝控制等項目。同時這個開發(fā)軟件還提供了全部的調(diào)試功能，包括參數(shù)設(shè)定、監(jiān)控示波器、測試和設(shè)備底層故障診斷。隨著市場對各種加工設(shè)備的集成度和自動化程度要求越來越高，今后SIMOTION這類通用型運動控制平臺將是工業(yè)自動化領(lǐng)域的一個發(fā)展方向。

2 系統(tǒng)設(shè)計

生產(chǎn)線的基本剪切流程圖1所示。首先，硅鋼帶卷向沖床和剪床方向輸送硅鋼帶并儲存部分帶料作為緩沖。送料輥將硅鋼帶送至V沖和方?jīng)_處進行倒角和預(yù)沖缺。接著將硅鋼片送到剪床的刀口位置。由于剪切后的硅鋼片需要堆疊成扇形，所以硅鋼片在寬度方向是步進遞增或遞減的。這就需要剪床以步進的方式橫向平移到所需要剪切的位置，兩把L型刀將硅鋼片分別剪斷分開。連續(xù)往返工作可得到寬度為步進遞增和遞減的硅鋼片。

出料皮帶以低速運行等待剪切的硅鋼片，當剪斷后的硅鋼片落在皮帶上后，出料皮帶立刻提高轉(zhuǎn)速將硅鋼片向生產(chǎn)線兩側(cè)傳送并轉(zhuǎn)運到理料皮帶上。理料皮帶同樣是以低速運行等待硅鋼片，當檢測到硅鋼片后以將硅鋼片移動到理料機構(gòu)上方，由一套整理打料裝置將寬度不同的硅鋼片整理收集在一個接料盒內(nèi)，得到圖1中一組扇形堆疊的硅鋼片。

圖1 設(shè)備剪切示意圖Fig.1 Shear schematic

2.1 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

在這條生產(chǎn)線中，主要有3個技術(shù)關(guān)鍵點影響了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

(1)送料精度。送料精度直接影響制成的鐵芯餅質(zhì)量，如送料精度差則將導(dǎo)致鐵芯餅的端面不平整。進而使得固定在端面上的石質(zhì)墊塊在進行澆注環(huán)氧樹脂和熱固化時發(fā)生破裂。為了解決這個問題，另外增加了一套測量輥及編碼器將實測送料長度返回控制器，構(gòu)成位置全閉環(huán)。

(2)剪切效率。在生產(chǎn)過程中剪床橫向移動速度成為整個生產(chǎn)效率的瓶頸。由于剪床座較重，并且電機驅(qū)動的是滾珠絲杠，同時還需要保證橫向移動的步進的準確性，所以剪床的橫向移動速度做不到非常高。通過優(yōu)化程序的算法縮短了剪床每次移動距離，有效提高了剪切效率。

(3)理料整齊。在進行接料整理工序時，如果硅鋼片零亂地落向接料盒可能使得硅鋼片撞擊接料盒邊沿，甚至飛出接料盒從而造成硅鋼片損壞。整理硅鋼片的工作不僅是在最終的接料盒部分，從剪切完成硅鋼片落在接料皮帶時就要落正，在轉(zhuǎn)移至理料皮帶上時也應(yīng)平正。這需要兩條皮帶根據(jù)不同的片寬，實時調(diào)整運行速度，并且及時切換速度和定位的運行模式才能使得最終得到整齊的理料效果。

2.2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(1)使用SIMOTION D435作為主控制器。

(2)在系統(tǒng)設(shè)計中使用了6臺西門子1FK7同步伺服電機。送料輥和剪床平移各使用1臺，兩組出料、理料皮帶各使用2臺。該系列伺服電機具有高動態(tài)特性和外形緊湊的特點。

(3)伺服電機驅(qū)動器為西門子SINAMICS S120，該系列驅(qū)動器采用共直流母線方式供電，采用1個整流模塊和3個雙軸電機逆變模塊。

(4)MP270作為系統(tǒng)的人機界面。

(5)3個ET200S從站作為控制柜內(nèi)、操作臺和設(shè)備主機的IO模塊。

(6)編碼器模塊SMC 20將測量輥編碼器接入系統(tǒng)和送料輥構(gòu)成位置全閉環(huán)。

SIMOTION D的通信功能豐富，通過圖2看到下列通信方式:

(1)SIMOTION和驅(qū)動器、伺服電機、外接編碼器之間的數(shù)據(jù)交換用DRIVE－CLiQ高速通信方式。該通信模式速率可達100M，響應(yīng)速度快，安裝簡單，故障率低。

(2)控制器通過Profibus－DP總線和ET200S從站以及HMI連接通信。

(3)上位機開發(fā)用以太網(wǎng)和SIMOTION以及人機界面連接。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure chart of control system

2.3 軟件設(shè)計

使用系統(tǒng)開發(fā)軟件SCOUT，首先實現(xiàn)對SIMOTION D和伺服驅(qū)動器SINAMICSS120的電機識別、硬件組態(tài)、通信配置，然后再進行程序編制和伺服電機調(diào)試。

系統(tǒng)中使用了MCC、LAD、ST三種語言，編制系統(tǒng)程序時可根據(jù)不同的生產(chǎn)及控制工藝分別使用。編制運動控制任務(wù)使用MCC(運動控制流程圖)可使各個伺服軸動作順序一目了然。邏輯控制使用LAD(梯形圖)適合程序的順序及狀態(tài)轉(zhuǎn)換。ST(結(jié)構(gòu)文本)適合做各種復(fù)雜的公式計算，使得系統(tǒng)程序的結(jié)構(gòu)簡化。三種程序配合使用使得系統(tǒng)程序易于實現(xiàn)模塊化設(shè)計。

根據(jù)順磁鐵芯的生產(chǎn)工藝采用的控制程序流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)程序流程圖Fig.3 Flow chart of system program

程序分為5大模塊:

(1)運動控制程序。分6個伺服電機控制模塊，功能包括速度運行、定位運行、手動和自動的轉(zhuǎn)換。

(2)變量計算程序。細分為片型計算、送料輥計算、剪床平移量計算、皮帶速度和定位多個模塊。

(3)邏輯IO控制程序，包含了設(shè)備上所有的檢測開關(guān)、按鈕輸入量和指示燈、電磁閥的動作。

(4)故障急停應(yīng)答程序。處理所有的緊急情況。

(5)人機界面程序。對控制器和人機界面兩端進行數(shù)據(jù)交換并及時更新。

程序編制完成后需要將各個模塊安排在execution system(執(zhí)行系統(tǒng))中，如圖4所示。

圖4 程序執(zhí)行系統(tǒng)Fig.4 Program execution system

執(zhí)行系統(tǒng)主要分為4個執(zhí)行組:

(1)startup task(起動任務(wù))。系統(tǒng)啟動后首先執(zhí)行，進行自檢初始化;

(2)background tasks(背景任務(wù))。作為主程序開始循環(huán)掃描，其中包括了邏輯控制、IO處理、變量計算、人機界面通信和任務(wù)管理;

(3)motion tasks(運動控制)。當任務(wù)管理模塊判斷需要做運動控制時，調(diào)用各個伺服電機控制程序。當運動控制完成之后，motion tasks中的程序立即交還系統(tǒng)，從而不影響主程序的掃描;

(4)technical fault task(錯誤應(yīng)答)。當檢測到急停/故障等中斷信號時，系統(tǒng)立刻進入該任務(wù)處理相應(yīng)的緊急情況以避免安全事故。

4 結(jié)論

順磁鐵芯生產(chǎn)線控制系統(tǒng)采用SIMOTION作為新一代的運動控制平臺，融合了多種功能模塊，為控制系統(tǒng)設(shè)計提供便利。在動作復(fù)雜、運動伺服軸多的設(shè)備上更能體現(xiàn)優(yōu)點。以SIMOTION為核心的順磁鐵芯生產(chǎn)線控制系統(tǒng)目前使用近6年，由于集成度高、布線簡易、維護保養(yǎng)方便的特點滿足了用戶的需要。同時本系統(tǒng)也適合用于其他輕型帶材類的剪切設(shè)備。

［1］于良中．樹脂絕緣干式鐵心與空心電抗器的性能比較 ［J］．高電壓技術(shù)，2004，30(8):63－64．

［2］SIMOTION D在銅箔后處理生產(chǎn)線上的應(yīng)用 ［J］．制造業(yè)自動化，30(6):47-49．

Application of SIMOTIOND in production line of paramagnetism iron core reactors

FU Xiao-hui，LIXi-ning，YANG Shi-fang
(Xi'an Qiyuan Mechanical and Electrical Equipment Co．，Ltd．，Xi'an 710021，China)

The paramagnetism iron core reactor is an irreplaceable component in power system，and ismainly responsible for reactive power compensation，filtering of high-order harmonic，suppression of peak current functions in the power grid．The paramagnetism core reactor has the advantages of low loss，low electromagnetic interference，and high reliability．Therefore，Xi'an Qiyuan Mechanical and Electrical Equipment Co．，Ltd．designed the first production line of paramagnetism iron core reactors．The production line adopted the new generation motion control platform made by SIMITION SIEMENSCompany to achieve the integration of the logic control，motion control and technical control．The hardware arrangement，software design and application of the control system in the production line of paramagnetism core reactors are introduced．

reactor;iron core;paramagnetism;motion control

TG334.9

A

1001－196X(2012)04－0038－04

2012－03－10;

2012－04－02

符曉輝(1980－)，男，西安啟源機電裝備有限公司，工程師。