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摘 要：冷床是无缝钢管生产线的主要设备之一，冷床一般设计为步进梁式齿条冷床，主要用于钢管的运输和旋转冷却。它与其他的运输冷却设备相比较，步进式冷床的优点在于移送钢管时，由于冷床的结构是错层齿条型，所以在移送钢管的同时能使钢管均匀的翻滚，从而能够自行矫直、且表面不宜划伤、还能均匀的降温。
关键词：步进式冷床 西门子S120 控制 故障
1.冷床的运动方式
冷床长95米，宽25.75（上料辊道至卸料臂中心线），有前进、返回、上升、下降、原地踏步功能。两个电机同步带8个减速机带同步梁。冷床1.8°下坡，下降700mm左右。冷床由定齿条梁、动齿条梁及动齿条梁的传动装置三大部分组成，定齿条梁通过焊接钢结构的大支座固定，支座安装在标高不断降低的水泥基础墩上；动齿条梁通过安装在定梁支座上的升降拉杆支撑及驱动，升降拉杆在升降传动机构及横移传动机构的驱动下使动齿条梁上升下降运动及前进后退运动，从而实现钢管在定齿槽中不断传递输送。如图1。
图1 冷床结构简图
2.冷床的电气控制
2.1 变频系统的选择
冷床升降由两台160KW交流电机驱动，横移由两台55KW变频电机驱动，冷床在原位待料，卸料块布料完成后，冷床开始动作，四台电机两两同步运行，两台电机同时驱动八台减速机，带动整个冷床进行动作，一号电机为主电机，二号电机为从电机。
在传动装置的选择上，由于充分考虑到冷床的运动周期（每30秒需要运行一个周期，从而保证轧制节奏），且在冷床落下时会产生非常大的势能。所以，常规的变频装置加挂制动电阻的设计在这里完全不能胜任，不仅驱动效果不是很好，且不能满足工厂的降本节能的目标，所以选择西门子S120多传变频系统就成了最佳的选择方案，西门子S120多传变频系统采用公共直流母线的设计，及节省了空间，也节省了诸多整流单元的开销，并且该系统采用了回馈制动的方式，在电能的利用上大大降低了成本开支。
2.2 主从功能的实现
选择冷床升降电机1为主机，升降电机2为从机。在断轴的情况下独立对电机进行参数的设置和优化，保证动态优化时两台电机逆变单元的速度控制参数的一直，在优化完成后，在参数P1300中选择1号电机采用有编码器的速度控制，而2号从机的控制采用1号主机的实际转矩值作为2号从机的转矩设定值，及2号机选用有编码器的转矩控制。这样就可保证了两台电机的同步运行。
2.3 速度控制的优化
在冷床实际的运行中发现，冷床的一个周期需要将近50秒的时间，这样完全不能满足现场的生产需要，在对现场充分的分析后，我们发现每次启动条件满足后到冷床实际运行起来有5S多的时间，而在冷床运行的每个环节上都有明显的卡顿现象，这样就会严重影响设备运行的连续性。这是因为变频器有一个预充电的过程，时间因容量大小不等，这是变频器的固有属性，不能更改。我们通过分析S120的控制原理，频繁启动的设备对逆变器频繁预充电，不但不利于控制的快速性，对逆变器也会造成不利的影响；应采取以下控制方式：PLC给变频器发送的控制字第0位（ON/OFF命令）长置1，使逆变器在上电时即完成预充电过程；PLC给变频器发送的控制字第3位（Operation enable）通过逻辑编程控制逆变器启停。这样，我们通过对提升和横移电机的控制优化，保证了冷床一个周期动作的连续性，以及启动时的快速性，确保了正常的轧钢周期。
2.4 常用报警
F1901 PROFIBUS通讯故障。
F7900 驱动：电机锁定/挡块处的转速控制器检查电机是否堵转、电机的扭矩极限、检查速度编码器。
F7901 电机转速过快检查变频器的最大速度设定
F7902 电机停转检查速度编码器信号。
F7801 电机过流检查电机是否短接或接地、检查电机模块、检查电流限值。F31118 编码器，转速差值超出容差检查速度编码器线路和接地是否良好。
2.5 控制系统
冷床的控制系统采用西门子416-3DP CPU，采用绝对值型编码器对冷床升降，横移机构进行实际位置测量，增量型编码器实时检测横移和提升电机的实际速度，采用西门子S120变频器驱动冷床升降、横移电机，CPU通过PROFIBUS-DP总线向变频器发送控制命令，控制电机运行。
2.6 HMI人机界面
使用西门子WINCC制作的HMI人机界面，通过工业以太网与作为服务器的主机以及PLC主站相连接，在传送至操作台的上位机。可以观察冷床电机运行情况，以及冷床的实时位置、物料跟踪等信息，并且可以进行清零、暂停、上下电等互锁控制。
3.结语
冷床作为无缝钢管生产线的重要组成设备之一，选用西门子S120多传变频控制系统，其设备装置中采用了公共直流母线，用以实现回馈制动的能量使用效能最优化，保证了工作稳定的同时也降低了電能的消耗；采用了配套的PCS7进行控制，优化了控制的结构，合理的配置了网络，保证了工业生产效能的最大化；在对变频器进行了优化控制后，在不影响设备的稳定性的同时，大大提高了现场设备的工作状态，保证了正常的轧制节奏。
参考文献
[1]包钢159轧管工程冷床区设备电控要求说明书 中冶京城 2010
[2]陈碧楠，刘荣.步进式冷床优化设计[J]. 重庆工学院学报 2008.
[2]闫文秀.无缝钢管步进式冷床的控制系统. 电气传动 2012.
[4]廖常初.S7-300/400 PLC应用技术. 机械工业出版社 2004.
作者简介：
第一作者：杜艳彬，1984.1，内蒙古乌兰察布市，汉，女，工程师，本科，单位：包钢钢联无缝钢管厂
第二作者：方忠，男，汉族，正高级工程师，包钢集团设计研究院
关键词：步进式冷床 西门子S120 控制 故障
1.冷床的运动方式
冷床长95米，宽25.75（上料辊道至卸料臂中心线），有前进、返回、上升、下降、原地踏步功能。两个电机同步带8个减速机带同步梁。冷床1.8°下坡，下降700mm左右。冷床由定齿条梁、动齿条梁及动齿条梁的传动装置三大部分组成，定齿条梁通过焊接钢结构的大支座固定，支座安装在标高不断降低的水泥基础墩上；动齿条梁通过安装在定梁支座上的升降拉杆支撑及驱动，升降拉杆在升降传动机构及横移传动机构的驱动下使动齿条梁上升下降运动及前进后退运动，从而实现钢管在定齿槽中不断传递输送。如图1。
图1 冷床结构简图
2.冷床的电气控制
2.1 变频系统的选择
冷床升降由两台160KW交流电机驱动，横移由两台55KW变频电机驱动，冷床在原位待料，卸料块布料完成后，冷床开始动作，四台电机两两同步运行，两台电机同时驱动八台减速机，带动整个冷床进行动作，一号电机为主电机，二号电机为从电机。
在传动装置的选择上，由于充分考虑到冷床的运动周期（每30秒需要运行一个周期，从而保证轧制节奏），且在冷床落下时会产生非常大的势能。所以，常规的变频装置加挂制动电阻的设计在这里完全不能胜任，不仅驱动效果不是很好，且不能满足工厂的降本节能的目标，所以选择西门子S120多传变频系统就成了最佳的选择方案，西门子S120多传变频系统采用公共直流母线的设计，及节省了空间，也节省了诸多整流单元的开销，并且该系统采用了回馈制动的方式，在电能的利用上大大降低了成本开支。
2.2 主从功能的实现
选择冷床升降电机1为主机，升降电机2为从机。在断轴的情况下独立对电机进行参数的设置和优化，保证动态优化时两台电机逆变单元的速度控制参数的一直，在优化完成后，在参数P1300中选择1号电机采用有编码器的速度控制，而2号从机的控制采用1号主机的实际转矩值作为2号从机的转矩设定值，及2号机选用有编码器的转矩控制。这样就可保证了两台电机的同步运行。
2.3 速度控制的优化
在冷床实际的运行中发现，冷床的一个周期需要将近50秒的时间，这样完全不能满足现场的生产需要，在对现场充分的分析后，我们发现每次启动条件满足后到冷床实际运行起来有5S多的时间，而在冷床运行的每个环节上都有明显的卡顿现象，这样就会严重影响设备运行的连续性。这是因为变频器有一个预充电的过程，时间因容量大小不等，这是变频器的固有属性，不能更改。我们通过分析S120的控制原理，频繁启动的设备对逆变器频繁预充电，不但不利于控制的快速性，对逆变器也会造成不利的影响；应采取以下控制方式：PLC给变频器发送的控制字第0位（ON/OFF命令）长置1，使逆变器在上电时即完成预充电过程；PLC给变频器发送的控制字第3位（Operation enable）通过逻辑编程控制逆变器启停。这样，我们通过对提升和横移电机的控制优化，保证了冷床一个周期动作的连续性，以及启动时的快速性，确保了正常的轧钢周期。
2.4 常用报警
F1901 PROFIBUS通讯故障。
F7900 驱动：电机锁定/挡块处的转速控制器检查电机是否堵转、电机的扭矩极限、检查速度编码器。
F7901 电机转速过快检查变频器的最大速度设定
F7902 电机停转检查速度编码器信号。
F7801 电机过流检查电机是否短接或接地、检查电机模块、检查电流限值。F31118 编码器，转速差值超出容差检查速度编码器线路和接地是否良好。
2.5 控制系统
冷床的控制系统采用西门子416-3DP CPU，采用绝对值型编码器对冷床升降，横移机构进行实际位置测量，增量型编码器实时检测横移和提升电机的实际速度，采用西门子S120变频器驱动冷床升降、横移电机，CPU通过PROFIBUS-DP总线向变频器发送控制命令，控制电机运行。
2.6 HMI人机界面
使用西门子WINCC制作的HMI人机界面，通过工业以太网与作为服务器的主机以及PLC主站相连接，在传送至操作台的上位机。可以观察冷床电机运行情况，以及冷床的实时位置、物料跟踪等信息，并且可以进行清零、暂停、上下电等互锁控制。
3.结语
冷床作为无缝钢管生产线的重要组成设备之一，选用西门子S120多传变频控制系统，其设备装置中采用了公共直流母线，用以实现回馈制动的能量使用效能最优化，保证了工作稳定的同时也降低了電能的消耗；采用了配套的PCS7进行控制，优化了控制的结构，合理的配置了网络，保证了工业生产效能的最大化；在对变频器进行了优化控制后，在不影响设备的稳定性的同时，大大提高了现场设备的工作状态，保证了正常的轧制节奏。
参考文献
[1]包钢159轧管工程冷床区设备电控要求说明书 中冶京城 2010
[2]陈碧楠，刘荣.步进式冷床优化设计[J]. 重庆工学院学报 2008.
[2]闫文秀.无缝钢管步进式冷床的控制系统. 电气传动 2012.
[4]廖常初.S7-300/400 PLC应用技术. 机械工业出版社 2004.
作者简介：
第一作者：杜艳彬，1984.1，内蒙古乌兰察布市，汉，女，工程师，本科，单位：包钢钢联无缝钢管厂
第二作者：方忠，男，汉族，正高级工程师，包钢集团设计研究院