基于西门子S7-300T型CPU和S120变频器对锯钻床系统的改造

摘  要：本文用西门子新一代SIMATIC S7-300T型CPU+SINAMICS S120对已经停产的西门子SINUMERIK840D+611系统控制的重轨加工线锯钻床设备进行升级改造，构建了相应技术改造方案。方案使用了通用型CPU，产品与其他在线设备重合，备件通用性较强，同时技术人员不用再参加培训就能对改造后的设备进行维护，改造后的设备通讯功能完全兼容原系统，驱动采用新一代S120系统，同时具备多种控制模型及定位功能，很好地实现了设备工艺要求，改造后的锯钻床设备不仅能提高工作的可靠性、减少故障、降低成本，还可提高工作效率。

关键词：锯钻床;PLC;变频器;定位控制

中图分类号：TM921.5      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）18-0155-02

Abstract：In this paper，Siemens new generation SIMATIC S7-300T CPU+SINAMICS S120 is used to upgrade the heavy rail processing wire saw drilling machine controlled by SINUMERIK840D+611 system，and the corresponding technical transformation scheme is constructed. The scheme uses general CPU，the product coincides with other on-line equipment，and the spare parts are more versatile. At the same time，technicians can maintain the improved equipment without any training. The communication function of the improved equipment is fully compatible with the original system，driving the new generation of S120 system，and possessing a variety of control models and positioning. The function of the sawing and drilling machine can well meet the technical requirements of the equipment. The improved sawing and drilling machine can not only improve the reliability of the work，reduce the failure，reduce the cost，but also improve the work efficiency.

Keywords：sawing and drilling machine;PLC;converter;position control

0  引  言

攀鋼轨梁厂钢轨锯钻床原系统采用的是西门子公司的SINUMERIK840D+611驱动系统，由于产品停产，部分备件已经无法购买，且相关技术人员流失，导致维护故障频发，生产压力加重，维护难度加大。结合市场应用产品及与西门子公司的技术交流，多方面考证后决定采用西门子SIMATIC S7-300T型CPU和新一代驱动器SINAMICS S120对原系统进行升级改造。本文对整个改造方案进行了介绍。

1  锯钻床的结构和系统要求

锯钻床机械系统由9根轴、7个液压夹紧装置组成。此设备用于钢轨锯切、钻孔加工。105m长钢轨通过用户辊道被运送至买方现有的锯钻床进行定尺长度锯切及钻孔，该过程为全自动或手动操作。定尺长度为9～50m±0.02m，定尺钢轨的长度要求要能在操作员站上选择或输入，启动长度测量进行自动控制。要求实现自动和手动控制、锯切和同时一侧钻或两侧钻，或仅锯切的功能。

2  改造方案的组成

本方案选择西门子SIMATIC S7-300T型CPU和新一代驱动器SINAMICS S120（DC-AC）模式来实现钻锯床的功能。同时配置操作员站HMI，实际自动手动等逻辑控制、定位锯钻等工艺控制、信息归档存储与相关设备通讯等功能。本方案配置的结构图如图1所示。

2.1  控制系统的选择

控制系统选用西门子SIMATIC S7-315T技术型CPU。

SIMATIC S7-300T型属于S7-300系列技术型CPU，不仅具有普通300CPU的功能，同时可以借助编程库中的S7-Tech Library的现成指令库来实现复杂的非常人工控制功能，具由于都是直接调用，大大减少了CPU的占用率。所有的程序编制和开发，都是借助西门子STEP7软件环境，编程语言是用户所熟悉的LAD、STL、FBD、SCL、Graph、CFC、SFC、HiGraph，现场有大量使用西门子S7-300系列PLC，技术人员熟悉STEP7软件环境，无需再进行相关的培训即可进行后期维护。

SIMATIC S7-315T技术型CPU，总计可带32个工艺组件，其中包括8根轴，集成工作存储器256KB，可通过MMC卡扩展装置存储器到8M，执行指令时间浮点数运算约为3μs，有256个可组态计数器，256个定时器，同时激活的作业的运动控制指令功能块可达210个，具有两个集成的PROFIBUS接口，可参数化DP的主站或从站，可用于连接驱动组件，同时具有DP时钟同步特性。通过DP网络组态驱动器及远程I/0站、操作员站，以实现系统的功能控制。

2.2  驱动器的选择

本方案选择西门子新一代SINAMICS S120系列变频器拖动原有变频及伺服电机。采用ALM+电机模块的结构，其中锯及夹送辊采用单轴电机模块，钻采用双轴电机模块。

SIEMENS最新一代的SINAMICS S120驱动系统，新的SINAMICS S120驱动系统带有PROFIBUS接口的CU320- 2DP型控制单元，整流部分采用带有回馈功能的整流回馈单元ALM，制动时候的能量能够回馈电网，ALM节省了制动单元和制动电阻等组件，同时节省了空间及发热单元。S120系统的通讯报文与原有一致，控制柜內安装DP通讯光纤模块与上位系统通讯接口对接。上位机PLC系统保持不变，通讯方式仍保持Profibus DP通讯。

使用STARTER调试软件，可快速，便捷地对驱动参数进行设置及对传动系统进行优化。包括对驱动控制模式的选择，锯和钻采用矢量控制，进料辊、进给轴采用伺服控制。通过E-POS定位功能及T-CPU的定位功能库来共同实现定长、定位的要求。

3  改造调试过程

3.1  拆除及安装

拆除原有840D操作台，安装新操作台，并安装一台操作员站，安装好HMI画面。原有柜体利旧，拆除柜内的611驱动器，安装好SINAMICS S120驱动器，并安装S7-300T型CPU。完成动力、控制接线，完成DP网、以太网、光纤搭建。

3.2  系统调试

通过PLC控制逻辑控制钢轨经进料辊道对准机器纵向进料，到达进料侧切头移出前的传感器信号及定位长度时停止，进行切头，切头后钢轨将被慢速输入锯钻床，在检测到钢轨头部后，输入侧压紧辊将向轨底提升，压力辊将下降到轨头。

钢轨由伺服控制进料侧压紧辊和变频控制辊道同步运行通过锯钻床，定位光栅检测到钢轨头部，测量轮编码器开始计数锯切长度，通过T-CPU及S120定位功能共同协调作用（定位精度达到±3mm），当钢轨运行到位置后停止运行。压紧辊夹紧关闭，水平夹紧关闭使钢轨固定。锯快速进给到接近钢轨，并将自动转换锯进给速度。钻快速进给到接近钢轨轨腰，钻进给自动转换为预先设定速度和进给行程。钻进给停止后快速退回到起始位置。当锯切循环结束时，出料侧钢轨将由主夹紧外摆8mm，锯片将外摆4mm，确保锯片无接触退回到起始位置。夹紧将释放，出料侧钢轨将被运输出锯钻床区域，经由辊道送往收集区。这些动作将被重复，直到预先选择的加工数量和加工长度完成。

在操作员站HMI画面上设置锯钻床手动、自动操作，设置加工模式及定尺长度选择;设置钢轨规格尺寸的设定、归档及调用，方便后期查询和维护。加工命令和锯切参数能够通过操作员在PC上发出指示，通过用户辊道台和运输-长度定位系统允许自动生产循环。

4  结  论

通过本次升级改造，系统使用通用化的PLC及变频设备，已有的技术能力完全能胜任后期的维护工作。同时西门子PLC模块及S120与厂里其他设备的备件通用，减少了备件库存。改造后的控制设备采用模块化设计，且控制柜利旧，改造周期短，且此系列产品在市场上被广泛应用，改造后的锯钻床设备不仅提高了设备工作的可靠性、减少了故障、降低了成本，还提高了工作效率。投用以后，很快达产，且加工精度、节奏完全满足工艺要求。

参考文献：

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[4] 王轶，卢杰，范立新.西门子840D数控系统在轨梁锯钻床的应用 [J].包钢科技，2012，38（1）：67-69.

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作者简介：冯杨东（1974.03-），男，汉族，四川西充人，工程师，研究生，研究方向：工业自动化。