کیس استادی : سیستم تغذیه‌ی ورق (pinch rolls) در یک خط نورد سرد با درایو G120 زیمنس

1) توصیف پروژه (شرح دستگاه)

دستگاه Pinch Rolls چیست؟

Pinch rolls یا "غلتک‌های نگهدارنده و تغذیه"، مجموعه‌ای از دو یا چند غلتک فشاری هستند که در خطوط نورد و فرآیندهای فلزی به‌کار می‌روند. این غلتک‌ها وظیفه دارند ورق یا تختال (slab) داغ را گرفته، هدایت کرده و با نیروی فشاری و کنترل سرعت، آن را به مراحل بعدی خط تولید منتقل کنند.

 وظایف اصلی Pinch Rolls

1. گرفتن ورق یا تختال داغ و جلوگیری از سرخوردن آن هنگام ورود یا خروج از استند نورد.

2. کنترل تنش (tension control) بین واحدهای مختلف خط (مثلاً بین دی‌کوئیلر و استند نورد).

3. راهنمایی و هدایت قطعه به سمت رول‌های اصلی یا قیچی‌های برش (shear).

4. ایجاد کشش یکنواخت در ورق تا سطح کیفیت محصول بهتر شود (مثلاً در نورد سرد فولاد).

5. کمک به توقف یا کنترل سرعت ناگهانی (با درگیر کردن و ترمز گرفتن غلتک‌ها).

 اجزای اصلی دستگاه

• غلتک‌ها (Rolls): معمولاً دو غلتک افقی که از جنس فولاد سخت یا پوشش مقاوم در برابر سایش ساخته می‌شوند.

• موتور و درایو (Drive System): موتورهای القایی یا سنکرون (معمولاً سه‌فاز) که توسط اینورترهایی مثل SINAMICS G120 / S120 کنترل می‌شوند.

• سیستم هیدرولیک یا مکانیکی تنظیم فشار: برای نزدیک یا دور کردن غلتک‌ها به قطعه (فشار مناسب).

• سنسورها: سنسور موقعیت، سرعت، دنسِر یا حتی لودسل برای کنترل تنش.

• تابلوی کنترل: شامل PLC (مثلاً S7-1500)، HMI و درایو کنترل موتور.

محل کاربرد در خط تولید

• قبل از قیچی پرسرعت (flying shear): برای ثابت نگه داشتن ورق و هدایت آن هنگام برش.

• قبل و بعد از استندهای نورد (rolling stands): کنترل کشش و جلوگیری از چروک یا شکستگی ورق.

• در خطوط کلاف‌پیچی (coiler/uncoiler): برای تنظیم سرعت و کشش ورق هنگام پیچش یا باز شدن.

ویژگی‌های کنترلی (از نگاه اتوماسیون)

• نیاز به کنترل دقیق سرعت و گشتاور (بیشتر مواقع Vector Control یا حتی Direct Torque Control).

• هماهنگی (synchronization) با دیگر درایوهای خط (Master-Slave Control).

• وجود STOP ایمن (STO) و پاسخ سریع به دستور توقف.

• قابلیت تحمل شرایط سخت (حرارت، گرد و غبار فلزی، شوک مکانیکی).

 خلاصه: Pinch rolls دستگاهی کلیدی در خطوط نورد فولاد و ورق است که به کمک موتور + درایو کنترل می‌شود تا ورق داغ یا سرد را به‌طور دقیق و ایمن هدایت کند و کیفیت نهایی محصول حفظ شود.

پروژه: سیستم تغذیه‌ی ورق (pinch rolls) در یک خط نورد سرد
هدف: کنترل دقیق سرعت و گشتاور رولرهای تغذیه برای حفظ تنش (tension control) بین دی‌کوئیل (uncoiler) و رول‌های بعدی، امکان راه‌اندازی/توقف نرم و حفاظت ایمنی (STO) و بازخورد موقعیت/سرعت از انکودر.

1) اجزا:

• موتور آسنکرون سه‌فاز 30 kW، 400 V, 50 Hz، سرعت نامی 1450 rpm (مثال).

• SINAMICS G120 (Control Unit CU240B/E یا G120C بسته به مدل) به‌عنوان درایو فرکانس.

• انکودر افزایشی روی شافت رولر (برای کنترل دقیق سرعت و closed-loop vector اگر نیاز باشد).

• PLC (مثلاً S7-1200/1500) برای منطق تنش، تنظیم setpoint، شروع/توقف و رابط کاربری.

• سنسور دنسِر/دنسِر رول یا سلول بار (load cell) برای اندازه‌گیری تنش (اختیاری اما توصیه‌شده برای کنترلی دقیق).

• پنل اپراتور / HMI برای پارامتر ورودی و مانیتورینگ.

• مدار ایمنی شامل کلید اضطراری و مدار STO مطابق دستورالعمل ایمنی. Siemens Support

2) مشخصات نمونه 

• موتور: 30 kW, 400 V, 50 Hz, In = 58 A, n_nom = 1450 rpm, cosφ = 0.86

• درایو: SINAMICS G120 CU240B/E (مثال) با ماژول کنترل CU و کارت‌های ورودی/خروجی لازم.
  (اعداد بالا را با پلاک موتور و دیتاشیت درایوت خودت جایگزین کن.)

3) نقشهٔ سیم‌بندی 

A) قدرت اصلی:

• شبکه 3φ L1, L2, L3 -> قطع‌کن اصلی -> فیوز حرارتی -> ورودی توان درایو (R/S/T یا L1/L2/L3) -> داخل درایو -> خروجی موتور U, V, W -> کابل موتور شیلددار -> موتور.

• زمین (PE) به بدنهٔ درایو و موتور متصل شود (کابل زمین مناسب). Siemens Support

B) مقاومت ترمز (اگر نیاز به بازدارندگی بیشتر هنگام ترمز داریم):

• Braking resistor روی ترمینال +DC / -DC (مطابق دفترچه G120) یا از ماژول ترمز داخلی استفاده شود. مقدار مقاومت و توان طبق دستورالعمل محاسبه شود. Siemens Industry

C) مدار کنترل (PLC ↔ G120):

• Start/Stop: PLC digital output -> DI (مثلاً X10.0) در درایو (DI for Run/Stop)

• Forward/Reverse (در صورت نیاز): PLC DO -> DI (Reverse enable)

• Fault Reset: PLC DO -> DI (Reset)

• Analog setpoint (سرعت): PLC AO (0–10 V) یا شبکه دیجیتال (Profinet/Profibus) -> AI1 در درایو (0–10V یا 4–20mA)

• Speed feedback: Encoder incremental/TTL یا HTL -> مقا‌بر/درایو encoder inputs یا از طریق افزونه encoder option ROM (در صورت نیاز به closed-loop).

• Digital outputs از درایو -> PLC (Status: Ready, Running, Fault)

• Safety: مدار ایمنی با استفاده از ترمینال STO (Safe Torque Off) در G120: کلید اضطراری/گِیت ایمنی -> ورودی STO (طبق راهنمای ایمنی). هیچوقت STO را از طریق DI عادی شبیه‌سازی یا دور نزن. Siemens Support+1

4) پارامترهای حیاتی پیشنهادی (گام‌به‌گام) — قبل از اعمال حتماً با پلاک موتور و دفترچهٔ G120 تطبیق بده

(درایوها نسخه‌ها و شماره‌پارامتر متفاوت دارند؛ زیر پارامترها به صورت اسم/شرح آورده شده — دنبال همان نام پارامتری در دفترچه/لیست پارامتر G120 بگرد و مقدار نمونه را اعمال کن.)

A — تنظیمات پایه موتور

1. Motor rated voltage (نامی ولتاژ) — مقدار: 400 V (طبق پلاک موتور).

2. Motor rated current (I_nom) — مقدار: 58 A.

3. Motor rated frequency (f_nom) — مقدار: 50 Hz.

4. Motor rated speed (n_nom) — مقدار: 1450 rpm.

5. Number of poles / pole pairs — از روی پلاک یا n_sync محاسبه کن (مثلاً 2 poles -> 4 poles depending).

6. Motor thermal class / overload settings — طبق پلاک موتور (مثلاً 1.0 × In for continuous).
   (در منوهای G120 اینها معمولاً تحت گروه «Motor data / Base settings» قرار می‌گیرند.) Siemens Industry

B — کنترل پروفایل و مود کنترلی

7. Control mode:

   • برای کنترل تنش و پاسخ سریع در رول‌ها، Vector control (V/f closed-loop with encoder) یا Sensorless vector (if no encoder) انتخاب کن. اگر انکودر داری، از closed-loop vector استفاده کن.

8. Maximum frequency (f_max): مثال 50 Hz (یا تا 60/75 در صورت نیاز)

9. Nominal torque / Torque limit: set to 100% (برای حفاظت می‌توان محدودیت را 120%/30s گذاشت)

10. Acceleration time (ramp up): مثال 5 s (بسته به خط و نیاز نرم/سخت تغییر بده).

11. Deceleration time (ramp down): مثال 5 s یا سریع‌تر در مواقع اضطراری (اما در فیزیک خط باید هماهنگ باشه).

12. Current limit (I_max): مثال 1.2 × In یا بر اساس انتخاب حرارتی موتور.

13. DC braking / dynamic brake settings: فعال کن اگر نیاز به کمک در کوتاه کردن توقف داری، و مقدار braking torque/time را مثال 30%/1s تنظیم کن (یا از مقاومت ترمز استفاده کن). Siemens Industry

C — ورودی/خروجی‌های کنترل و نگاشت (مثالی)

14. DI0 = Run command (پذیرش 24V PLC -> DI)

15. DI1 = Forward/Reverse enable (در نیاز)

16. DI2 = Fault reset

17. AI1 (0–10V) = Speed setpoint (scale 0..10V → 0..f_max) — پارامتر scale یا انتخاب range را روی 0–10V بگذار.

18. DO0 = Drive running status (نِگِه دار)

19. DO1 = Fault signal
    (مقادیر پین/ترمینال دقیق را در نقشهٔ ترمینال در دفترچهٔ مدل CU بررسی کن.) Siemens Support

D — پارامترهای خاص برای کنترل تنش (Tension control) — مثال با PID

20. انتخاب منبع setpoint: AI1 یا telegram (Fieldbus) یا Master (PLC) — در این پروژه معمولاً PLC محاسبهٔ setpoint از سلول بار/دنسِر انجام می‌دهد و آن را به درایو می‌فرستد (AI یا شبکه).

21. فعال‌سازی PID کنترلی داخلی در درایو:

• Enable internal PID (Parameter group Technology/PID)

• P gain: شروع با 0.5–2.0 (بسته به پاسخ سیستم)

• I time: 1–10 s

• D: معمولاً 0 برای شروع

• Output limit: map to speed command range
  — بهتر است PID tuning را با آزمون و خطا (با small step) و ثبت‌نتایج انجام بده. دفترچه G120 بلوک‌های PID و ورودی‌های آن را شرح داده است. 

E — پارامترهای ایمنی و حفاظت

22. STO (Safe Torque Off): ترمینال STO را به مدارات ایمنی وصل کن؛ فعال و تست کن. هرگز bypass نشود. تست عملکرد ایمنی را مطابق manual انجام بده. Siemens Support+1

23. Overcurrent/overvoltage/undervoltage protection: از تنظیمات پیش‌فرض استفاده کن و در صورت نیاز thresholds را با توجه به شبکه و موتور اصلاح کن.

24. Thermal protection: مطابق پلاک موتور یا از PT100/thermistor motor thermals map استفاده کن.

5) قدم‌های راه‌اندازی (commissioning checklist — ترتیب انجام)

1. بررسی فیزیکی و اتصالات زمین، کنترل، قدرت.

2. تایید پلاک موتور و وارد کردن دقیق مقادیر موتور (U, I, f, n).

3. تنظیم حداقل/حداکثر فرکانس و ramp times.

4. بررسی و تنظیم I_max, torque limit.

5. پیکربندی I/O: map کردن DI/DO/AI مطابق نقشه PLC.

6. اگر انکودر داری: پیکربندی انکودر (type, resolution, direction) و تست feedback (Read actual speed, check phase).

7. فعال‌سازی و تست STO با قطع‌کردن مدار ایمنی و بررسی قطع گشتاور.

8. اجرای تست بدون بار (no-load): راه‌اندازی ملایم و مانیتورینگ جریان و ولتاژ.

9. تست بار جزئی و tuning PID (برای کنترل تنش): اعمال setpoint های مختلف، مشاهده پاسخ، کاهش overshoot.

10. ثبت پارامتر نهایی و گرفتن پشتیبان (save parameters / export). Siemens Support+1

6) نکات عملی و توصیه‌های تجربه‌شده

• اگر قرار است درایو در محیط گرد و غبار/گرم کار کند، از نسخه‌ای با کلاس حفاظتی مناسب و خنک‌کن (یا تابلو تهویه) استفاده کن.

• برای خطوط نورد و رول‌فرمینگ، انکودرِ روی شافت و closed-loop vector تقریباً همیشه کیفیت و پاسخ‌پذیری بهتری می‌دهد نسبت به sensorless.

• همیشه قبل از تغییر پارامترهای حفاظت، از یک backup پارامتری تهیه کن.

• لاگ‌های Fault را بعد از هر تست بررسی و برای هر خطا علت را ریشه‌یابی کن (manual error code mapping). Siemens Support