螺旋埋弧焊管生產(chǎn)線電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新

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摘　要:介紹了?2 540mm大直徑可移動(dòng)式螺旋埋弧焊管機(jī)組電氣控制系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。根據(jù)機(jī)組移動(dòng)的特點(diǎn),采用了Profibus-DP總線的分布I/O控制框架,建立前橋、成型、調(diào)型盒、操作臺(tái)、導(dǎo)管架、后橋、主控制柜、遞送機(jī)柜8個(gè)I/O分站,通過PLC程序完成相應(yīng)的功能。該系統(tǒng)減少了控制電纜數(shù)量,抗干擾能力明顯提高,故障率低,維護(hù)方便。通過生產(chǎn)實(shí)踐又指出了該控制系統(tǒng)的改進(jìn)方向。

關(guān)鍵詞:螺旋埋弧焊管;電氣控制; Profibus-DP總線;分布I/O控制; PLC 1　概　述? 2 540mm大直徑可移動(dòng)式螺旋埋弧焊管機(jī)組的建設(shè)是三冶鋼管公司2006年擴(kuò)大產(chǎn)能,提高產(chǎn)品規(guī)格,鍛煉專業(yè)隊(duì)伍,節(jié)約資金,自主研發(fā)和科技創(chuàng)新的新舉措。項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試全部由該公司獨(dú)立完成。歷經(jīng)1年時(shí)間,于2006年12月27日試車投產(chǎn)成功。機(jī)組由前橋、成型機(jī)、后橋組成。前橋上有開卷機(jī)、粗平機(jī)、剪切對(duì)焊機(jī)、精平機(jī)、遞送機(jī)、銑邊機(jī)、預(yù)彎?rùn)C(jī)、垂直導(dǎo)向和水平導(dǎo)向;后橋上有導(dǎo)管架、切管車、落管機(jī)構(gòu)。前橋上的設(shè)備是將鋼帶連續(xù)送入成型機(jī),在成型機(jī)處將帶鋼軋制成鋼管后焊接成型,后橋上的設(shè)備將鋼管定尺切斷,從制管線上下線進(jìn)入臺(tái)架進(jìn)行后續(xù)工序的處理。? 2 540mm大直徑可移動(dòng)式螺旋埋弧焊管機(jī)組的電控系統(tǒng)依靠三冶鋼管公司技術(shù)力量,首次采用Profibus-DP總線控制系統(tǒng),共有13項(xiàng)創(chuàng)新。下面筆者對(duì)該機(jī)組的電控系統(tǒng)作重點(diǎn)介紹。 2　電控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2. 1　設(shè)計(jì)原則?2 540mm大直徑可移動(dòng)式螺旋埋弧焊管機(jī)組電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則:注重成本,優(yōu)化設(shè)計(jì),功能豐富,操作簡(jiǎn)便。 2. 2　設(shè)計(jì)框架根據(jù)機(jī)組移動(dòng)的特點(diǎn),確定采用Profibus-DP總線的分布I/O控制框架,可以減少控制電纜數(shù)量。優(yōu)化設(shè)計(jì)電纜走向、接線盒、操作盒的布線。主控制柜采用緊密設(shè)計(jì)、密閉防塵、強(qiáng)制風(fēng)冷散熱等。根據(jù)機(jī)械部分和工藝部分分成前橋、成型、調(diào)型盒、操作臺(tái)、導(dǎo)管架、后橋、主控制柜、遞送機(jī)柜8個(gè)I/O分站,預(yù)留一個(gè)焊機(jī)的分站,以便擴(kuò)充。這樣設(shè)計(jì)便于機(jī)械分體拆卸。為便于理解分布I/O技術(shù)的特點(diǎn),以銑邊機(jī)控制系統(tǒng)為例,在硬件上系統(tǒng)屬于不同區(qū)域。電機(jī)交流控制在銑邊機(jī)控制柜,由主站的I/O控制,本地操作和極限在前橋I/O分站,銑邊機(jī)工作方式和啟?？刂圃谥鞑僮髋_(tái)分站。這些硬件通過Profibus-DP總線在邏輯上進(jìn)行連接,通過PLC程序完成相應(yīng)的功能。 2. 3　電控系統(tǒng)的組成電控系統(tǒng)分為開卷控制、接板控制、精平控制、銑邊機(jī)控制、遞送機(jī)控制、成型器控制、導(dǎo)管架控制、內(nèi)外焊接及槍架調(diào)整控制、切管車控制、下管橋架控制、自動(dòng)定尺控制等部分。 2. 4　焊接系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)2032線接板經(jīng)驗(yàn),決定接板焊接采用獨(dú)立焊接系統(tǒng),以便減少故障和轉(zhuǎn)換接觸器功率消耗。內(nèi)外焊接采用直流在前、交流在后的雙絲焊接,直流采用反極性方式以改善焊接質(zhì)量。在焊機(jī)配電柜加裝補(bǔ)償電容來(lái)改善功率因數(shù)。焊接送絲系統(tǒng)采用三冶鋼管公司消化吸收研制的NA3/4焊接送絲系統(tǒng),減少投資。 2. 5　安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)為降低成本,安全系統(tǒng)沒有采用專用的安全繼電器方式,但不等于不重視安全,為此采取以下措施:銑邊機(jī)和電焊機(jī)沒有采用急停斷電方式,其他系統(tǒng)均可由急停鈕斷電。銑邊機(jī)突然斷電會(huì)造成打刀;電焊機(jī)電流太大,不經(jīng)濟(jì)。急停系統(tǒng)接到指令后先停機(jī)后斷電,全線共設(shè)4處硬接線急停鈕。CPU系統(tǒng)常供電,以維持程序正常運(yùn)行?？刂齐娫词褂脦П３中o操作,為保證全線電控系統(tǒng)上電和急停鈕被按下后,控制電源處于關(guān)閉狀態(tài),程序上設(shè)有記憶功能,需要重新操作一次控制電源鈕。此外調(diào)型盒上設(shè)有調(diào)型鎖,避免誤操作。 2. 6　人機(jī)接口設(shè)計(jì)人機(jī)接口設(shè)計(jì)力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、功能豐富。如成型器操作采用1個(gè)BCD編碼開關(guān)配合4個(gè)方向鍵控制8個(gè)電機(jī)和位置顯示切換,操作簡(jiǎn)單明了,形象生動(dòng)。 3　電控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 3. 1　PLC系統(tǒng)關(guān)鍵部件的選擇系統(tǒng)核心采用功能豐富的西門子s7-314c-2dp,內(nèi)置多種功能,包括5路AI和2路DI,均為12位快速轉(zhuǎn)換器。集成24DI/16DO, CPU集成MPI和Profibus-DP通訊接口,用于上位機(jī)及Profibus組網(wǎng),集成4個(gè)60 kHz編碼器接口,軟件上可以完成計(jì)數(shù), PWM脈寬輸出5 kHz,測(cè)頻、中斷等方式,更為重要的是系統(tǒng)CPU成本極低,僅6 000元左右。?2 540mm機(jī)組生產(chǎn)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用4個(gè)編碼器,用于成型器1#, 2#, 3#輥和后橋位置測(cè)量, 2個(gè)模擬量輸入用于測(cè)量鋼板寬度及計(jì)算鋼板中心偏差,另一路模擬輸出用于顯示, 2D接口用于Profibus組網(wǎng)中心站。I/O分站接口采用IM153加SM321/SM322模塊。 3. 2　成型器分站首先采用西門子440變頻器,獨(dú)特設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)變頻器共用技術(shù),解決1#~8#成型輥高速行走低速逼近。實(shí)現(xiàn)高速高精度調(diào)整輥的位置,徹底改變以往速度和精度不可兼得的矛盾。由于沒有采用變速機(jī)構(gòu),節(jié)約了成本。其次, 1#, 2#和3#輥的位置顯示采用Profibu接口6位數(shù)字顯示DDM6A5L[1]儀表,接線容易,顯示穩(wěn)定不漂移,成本約500元/臺(tái),是成型系統(tǒng)的核心。1#~8#輥的操作采用BCD編碼開關(guān)做功能切換,使用上、下、前、后4個(gè)功能鍵操作,空間效果明顯,示意清晰,簡(jiǎn)便易行,配線減為最少并且儀表上有相應(yīng)的極限指示,便于操作者掌握情況。顯示精度達(dá)到500. 00mm,完全符合調(diào)型工藝要求。,為此配上100P/R的脈沖編碼器,加之6位數(shù)字儀表,使整個(gè)測(cè)量、計(jì)算、顯示全部為數(shù)字化,準(zhǔn)確度達(dá)0. 01mm,設(shè)計(jì)顯示范圍0~500. 00mm,配合PLC數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能實(shí)現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)的記憶。同時(shí)采用先進(jìn)的雙極限置100. 00技術(shù),調(diào)試校準(zhǔn)十分容易,操作者可方便校準(zhǔn)。后橋位置顯示功能。在正常生產(chǎn)狀態(tài),這個(gè)高精度儀表用來(lái)指示后橋位置是否偏移數(shù)據(jù),以此指導(dǎo)操作者微調(diào)后橋位置,解決管徑、出管中心線、焊縫間隙之間的平衡關(guān)系。 3. 3　遞送機(jī)控制系統(tǒng)選用西門子6RA70直流調(diào)速器,驅(qū)動(dòng)2臺(tái)45 kW直流電機(jī)作上下遞送輥的拖動(dòng),配合600P/R的脈沖編碼器,實(shí)現(xiàn)高精度的速度控制,主從驅(qū)動(dòng)采用串口通訊,實(shí)現(xiàn)速度、力矩、電流、狀態(tài)、指令信號(hào)的雙向傳送。PLC控制方面去掉中間繼電器,PLC的輸出點(diǎn)直接驅(qū)動(dòng)6RA70調(diào)速器,反之亦然,大大減少繼電器的數(shù)量,增加可靠性。設(shè)計(jì)時(shí)首次引入力矩通道和Droop速度軟化功能,實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的力矩平衡,有利于遞送系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。首創(chuàng)把從驅(qū)動(dòng)電流傳給主驅(qū)動(dòng),并由硬件實(shí)現(xiàn)加法操作,使操作臺(tái)的電流指示儀表顯示2臺(tái)驅(qū)動(dòng)器的電流之和,從物理意義更為明確,顯示波動(dòng)更小,代表性強(qiáng)。該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為先進(jìn)、巧妙,靈活運(yùn)用了6RA70的軟硬件功能。詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參閱文獻(xiàn)[2]。在主驅(qū)動(dòng)器上還設(shè)計(jì)了Profibus接口與PLC相連,用以顯示操作遞送系統(tǒng)參數(shù),為生產(chǎn)線的信息化做準(zhǔn)備。圖3　遞送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖遞送系統(tǒng)作為整線的核心之一,與焊接系統(tǒng)關(guān)系密切。為此專門設(shè)計(jì)了遞送速度與焊接聯(lián)動(dòng)功能,做到精確、準(zhǔn)時(shí)控制焊接系統(tǒng)啟停,從而有效減少啟動(dòng)停車時(shí)的焊接缺陷和燒穿的可能。 3. 4　銑邊機(jī)控制系統(tǒng)?2 540mm機(jī)組銑邊機(jī)采用非常獨(dú)特的雙銑工藝,以便適應(yīng)X70高鋼級(jí)材質(zhì)的需求,單邊銑屑達(dá)20mm。4套銑邊裝置,主軸功率45 kW,為增加可靠性,減少PLC的I/O的數(shù)量,采用德國(guó)生產(chǎn)線的經(jīng)典設(shè)計(jì),用時(shí)間繼電器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的Y-△減壓焊　管　　　　　　　　　　　　　　　　　2010年8月　啟動(dòng)延時(shí),電路設(shè)計(jì)十分經(jīng)典。PLC發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)控制Y-△變換電路,啟動(dòng)完畢發(fā)出正常信號(hào),PLC收到返回的啟動(dòng)完畢信號(hào)標(biāo)志本臺(tái)銑邊啟動(dòng)完成。如按最大4臺(tái)組態(tài)工藝, 4臺(tái)銑邊機(jī)按1#, 2#, 3#和4#順序分步延時(shí)啟動(dòng),這樣有利于減少啟動(dòng)沖擊電流。在出現(xiàn)故障時(shí),便于發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn),因?yàn)閱?dòng)程序停留的位置就是故障點(diǎn)。銑邊系統(tǒng)用一個(gè)信號(hào)燈指示系統(tǒng)4種運(yùn)行狀態(tài),它們是:①常亮表示使用銑邊機(jī)正常啟動(dòng)完畢;②慢速閃爍表示啟動(dòng)按鈕按下后的啟動(dòng)過程;③不亮表示銑邊系統(tǒng)無(wú)操作;④快速閃爍表示銑邊機(jī)系統(tǒng)故障,如空開跳閘、過流等。一般性過流時(shí)銑邊機(jī)系統(tǒng)不停機(jī),只報(bào)警提醒操作者注意,采取措施,這樣能避免銑邊突然停機(jī)損傷刀片等設(shè)備,空開跳閘立即全部停止運(yùn)行。銑邊機(jī)操作設(shè)置啟動(dòng)、停止、1#銑邊使用/鎖定、2#銑邊使用/鎖定4個(gè)按鈕。工藝組合方式4種:1#銑邊使用,2#銑邊使用, 1#和2#同時(shí)使用,全部停用。通過按鈕停用的銑邊機(jī)不參與程序啟動(dòng)過程,退到后極限時(shí)既報(bào)告本銑邊機(jī)準(zhǔn)備好,后續(xù)工作允許,否則要求啟動(dòng)正常。為保護(hù)銑邊刀片,刀盤下壓液壓缸設(shè)有壓力開關(guān),作為銑邊工作的條件,在操作臺(tái)上有燈指示,每個(gè)開關(guān)占燈亮周期的1/4,指示清晰明了。設(shè)計(jì)原則盡量減少操作,在系統(tǒng)上電后液壓系統(tǒng)啟動(dòng)完畢,自動(dòng)壓下4個(gè)刀盤,以免操作者遺忘。 4　PLC程序設(shè)計(jì) 4. 1　信號(hào)指示設(shè)計(jì)信號(hào)指示時(shí),如果一個(gè)電機(jī)對(duì)應(yīng)啟動(dòng)、停止、運(yùn)轉(zhuǎn)等多個(gè)指示按鈕,那么操作臺(tái)會(huì)因按鈕過多不便于操作。再者,操作者平時(shí)不會(huì)關(guān)心直流調(diào)速器的純電氣數(shù)據(jù),如直流電機(jī)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)是主電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的條件等,操作者只關(guān)心遞送是否能運(yùn)轉(zhuǎn),但設(shè)計(jì)關(guān)鍵指示信息是必要的。仍以銑邊機(jī)為例, 2套4臺(tái)銑邊機(jī)只設(shè)計(jì)1個(gè)指示燈,通過PLC邏輯得出多種易于理解的狀態(tài):①熄滅,表示銑邊機(jī)無(wú)操作;②快速閃爍,表示空氣開關(guān)等故障;③慢速閃爍,表示啟動(dòng)程序運(yùn)行,根據(jù)要求順次啟動(dòng);④常亮,表示啟動(dòng)結(jié)束,狀態(tài)好,下個(gè)工藝過程可以進(jìn)行。再如調(diào)型操作盒上的DDM6A5L數(shù)字顯示儀表,BCD的編碼開關(guān)選擇的輥號(hào)直接由第一位數(shù)字顯示,決不會(huì)造成操作混亂現(xiàn)象儀表的前面有2個(gè)LED顯示燈,設(shè)計(jì)功能是選擇對(duì)應(yīng)的輥操作運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)常亮,碰到極限時(shí)快速閃爍。 4. 2　參數(shù)記憶對(duì)于一個(gè)PLC控制系統(tǒng),如何在斷電或突然斷電時(shí)保存設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)信息,是很棘手的問題。出于造價(jià)因素2540線成型器的1#, 2#和3#輥的位置記數(shù)采用增量型編碼器,配合314C-2DP的內(nèi)置編碼器接口完成位置計(jì)數(shù)。這種設(shè)計(jì)存在工作中如果斷電編碼器的測(cè)量系統(tǒng)就清零的問題。同時(shí)對(duì)于一個(gè)精確的測(cè)量系統(tǒng),校準(zhǔn)也是一個(gè)復(fù)雜的過程,設(shè)計(jì)時(shí)盡量不增加硬件和操作的難度。經(jīng)過潛心研究,終于找出一套行之有效的方法。首先在機(jī)械上確定顯示的“0”點(diǎn)位置,它不一定是機(jī)械能夠到達(dá)的地方,然后選擇一個(gè)機(jī)械能到達(dá)的地方(如200mm)作機(jī)械永久標(biāo)識(shí),運(yùn)轉(zhuǎn)輥到這個(gè)地方,手工同時(shí)搬動(dòng)前后2個(gè)極限即達(dá)到清零的目的,此時(shí)表上顯示200. 0mm。以2#輥為例,記憶方式如下:①利用PLC系統(tǒng)的CPU內(nèi)存區(qū)存儲(chǔ)功能存儲(chǔ)開始的MB0~MB16共4個(gè)雙字(MD0,MD4,MD8,MD12斷電記憶數(shù)據(jù));②使用OB100啟動(dòng)執(zhí)行程序執(zhí)行MD0MD104記憶恢復(fù)操作,MD104為上電時(shí)的2#輥位置實(shí)際值;③新的當(dāng)前位置值MD4’=MD104+DB2. DBD14,這里MD4’就是新的記憶值,DB2.DBD14編碼器功能塊的當(dāng)前輸出值,它隨時(shí)在更新;④MD4經(jīng)過適當(dāng)變換用于顯示,從而實(shí)現(xiàn)工藝和狀態(tài)參數(shù)的斷電存儲(chǔ)。 4. 3　數(shù)值計(jì)算技巧模擬運(yùn)算是PLC的弱項(xiàng),因?yàn)镃PU的運(yùn)算能力有限,如果PIW的數(shù)據(jù)全部轉(zhuǎn)化成浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算,運(yùn)算后再轉(zhuǎn)回PIQ輸出,是方便,但內(nèi)存占用大,預(yù)算效率低。采用MD整數(shù)運(yùn)算,容易造成數(shù)據(jù)丟失、不準(zhǔn)確,需要技巧處理。筆者采用先乘后除的方法可避免數(shù)據(jù)丟失,數(shù)據(jù)運(yùn)算一步到位這里仍然以2#輥為例加以說明。(1)基本參數(shù)2#輥機(jī)械行程: 500. 0mm;螺桿螺距: 28mm;2倍方式編碼器脈沖: 200 P;計(jì)算行程內(nèi)脈沖數(shù): 128 571. 4 P內(nèi)部記數(shù)精度: 0. 003 6mm/P;期望外部精度: 0. 1mm。(2)當(dāng)前值公式MD164=(MD4×5000)/128571(單位0.1mm)對(duì)應(yīng)500•0mm脈沖數(shù): 128 571 P;對(duì)應(yīng)100. 0mm脈沖數(shù): 25 714 P。(3)清零動(dòng)作25 714MD104。(4)數(shù)字表顯示MD164MD193PQW52。 5　結(jié)論 經(jīng)過3年多使用,電控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,故障率低,維護(hù)方便。尤其是分布I/O技術(shù)大大減少了布線,抗干擾能力提高。調(diào)型盒的設(shè)計(jì)收到較好效果,數(shù)字儀表沒有漂移現(xiàn)象, BCD編碼開關(guān)切換操作簡(jiǎn)單實(shí)用。1#輥和3#輥數(shù)據(jù)中心標(biāo)定,調(diào)型工藝數(shù)據(jù)直接顯示。遞送機(jī)的力矩值顯示穩(wěn)定可靠,完全可以代表鋼板的驅(qū)動(dòng)力。今后的改進(jìn)方向是:①成型器變頻共用保護(hù)功能完善,利用西門子MM440變頻器電機(jī)數(shù)組切換電機(jī)數(shù)據(jù),參數(shù)數(shù)組做保護(hù)值切換;②焊接系統(tǒng)與遞送機(jī)的協(xié)調(diào)控制,減少生產(chǎn)線起停時(shí)的焊接缺陷;③外焊槍高控制器的穩(wěn)定性有待提高。 參考文獻(xiàn): [1]捷通科技有限公司. 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