螺旋埋弧焊管生產線電控系統(tǒng)設計與創(chuàng)新

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摘　要:介紹了?2 540mm大直徑可移動式螺旋埋弧焊管機組電氣控制系統(tǒng)的創(chuàng)新設計與實現。根據機組移動的特點,采用了Profibus-DP總線的分布I/O控制框架,建立前橋、成型、調型盒、操作臺、導管架、后橋、主控制柜、遞送機柜8個I/O分站,通過PLC程序完成相應的功能。該系統(tǒng)減少了控制電纜數量,抗干擾能力明顯提高,故障率低,維護方便。通過生產實踐又指出了該控制系統(tǒng)的改進方向。

關鍵詞: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大直徑可移動式螺旋埋弧焊管機組的建設是三冶鋼管公司2006年擴大產能,提高產品規(guī)格,鍛煉專業(yè)隊伍,節(jié)約資金,自主研發(fā)和科技創(chuàng)新的新舉措。項目的設計、安裝、調試全部由該公司獨立完成。歷經1年時間,于2006年12月27日試車投產成功。機組由前橋、成型機、后橋組成。前橋上有開卷機、粗平機、剪切對焊機、精平機、遞送機、銑邊機、預彎機、垂直導向和水平導向;后橋上有導管架、切管車、落管機構。前橋上的設備是將鋼帶連續(xù)送入成型機,在成型機處將帶鋼軋制成鋼管后焊接成型,后橋上的設備將鋼管定尺切斷,從制管線上下線進入臺架進行后續(xù)工序的處理。? 2 540mm大直徑可移動式螺旋埋弧焊管機組的電控系統(tǒng)依靠三冶鋼管公司技術力量,首次采用Profibus-DP總線控制系統(tǒng),共有13項創(chuàng)新。下面筆者對該機組的電控系統(tǒng)作重點介紹。 2　電控系統(tǒng)設計 2. 1　設計原則?2 540mm大直徑可移動式螺旋埋弧焊管機組電控系統(tǒng)的設計原則:注重成本,優(yōu)化設計,功能豐富,操作簡便。 2. 2　設計框架根據機組移動的特點,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量。優(yōu)化設計電纜走向、接線盒、操作盒的布線。主控制柜采用緊密設計、密閉防塵、強制風冷散熱等。根據機械部分和工藝部分分成前橋、成型、調型盒、操作臺、導管架、后橋、主控制柜、遞送機柜8個I/O分站,預留一個焊機的分站,以便擴充。這樣設計便于機械分體拆卸。為便于理解分布I/O技術的特點,以銑邊機控制系統(tǒng)為例,在硬件上系統(tǒng)屬于不同區(qū)域。電機交流控制在銑邊機控制柜,由主站的I/O控制,本地操作和極限在前橋I/O分站,銑邊機工作方式和啟?？刂圃谥鞑僮髋_分站。這些硬件通過Profibus-DP總線在邏輯上進行連接,通過PLC程序完成相應的功能。 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、銑邊機控制、遞送機控制、成型器控制、導管架控制、內外焊接及槍架調整控制、切管車控制、下管橋架控制、自動定尺控制等部分。 2. 4　焊接系統(tǒng)設計根據2032線接板經驗,決定接板焊接采用獨立焊接系統(tǒng),以便減少故障和轉換接觸器功率消耗。內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量。在焊機配電柜加裝補償電容來改善功率因數。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)設計為降低成本,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:銑邊機和電焊機沒有采用急停斷電方式,其他系統(tǒng)均可由急停鈕斷電。銑邊機突然斷電會造成打刀;電焊機電流太大,不經濟。急停系統(tǒng)接到指令后先停機后斷電,全線共設4處硬接線急停鈕。CPU系統(tǒng)常供電,以維持程序正常運行?？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,控制電源處于關閉狀態(tài),程序上設有記憶功能,需要重新操作一次控制電源鈕。此外調型盒上設有調型鎖,避免誤操作。 2. 6　人機接口設計人機接口設計力求結構簡單、操作方便、功能豐富。如成型器操作采用1個BCD編碼開關配合4個方向鍵控制8個電機和位置顯示切換,操作簡單明了,形象生動。 3　電控系統(tǒng)的實現 3. 1　PLC系統(tǒng)關鍵部件的選擇系統(tǒng)核心采用功能豐富的西門子s7-314c-2dp,內置多種功能,包括5路AI和2路DI,均為12位快速轉換器。集成24DI/16DO, CPU集成MPI和Profibus-DP通訊接口,用于上位機及Profibus組網,集成4個60 kHz編碼器接口,軟件上可以完成計數, PWM脈寬輸出5 kHz,測頻、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機組生產線系統(tǒng)設計使用4個編碼器,用于成型器1#, 2#, 3#輥和后橋位置測量, 2個模擬量輸入用于測量鋼板寬度及計算鋼板中心偏差,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,獨特設計實現變頻器共用技術,解決1#~8#成型輥高速行走低速逼近。實現高速高精度調整輥的位置,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構,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,是成型系統(tǒng)的核心。1#~8#輥的操作采用BCD編碼開關做功能切換,使用上、下、前、后4個功能鍵操作,空間效果明顯,示意清晰,簡便易行,配線減為最少并且儀表上有相應的極限指示,便于操作者掌握情況。顯示精度達到500. 00mm,完全符合調型工藝要求。,為此配上100P/R的脈沖編碼器,加之6位數字儀表,使整個測量、計算、顯示全部為數字化,準確度達0. 01mm,設計顯示范圍0~500. 00mm,配合PLC數據存儲功能實現工藝數據的記憶。同時采用先進的雙極限置100. 00技術,調試校準十分容易,操作者可方便校準。后橋位置顯示功能。在正常生產狀態(tài),這個高精度儀表用來指示后橋位置是否偏移數據,以此指導操作者微調后橋位置,解決管徑、出管中心線、焊縫間隙之間的平衡關系。 3. 3　遞送機控制系統(tǒng)選用西門子6RA70直流調速器,驅動2臺45 kW直流電機作上下遞送輥的拖動,配合600P/R的脈沖編碼器,實現高精度的速度控制,主從驅動采用串口通訊,實現速度、力矩、電流、狀態(tài)、指令信號的雙向傳送。PLC控制方面去掉中間繼電器,PLC的輸出點直接驅動6RA70調速器,反之亦然,大大減少繼電器的數量,增加可靠性。設計時首次引入力矩通道和Droop速度軟化功能,實現驅動器的力矩平衡,有利于遞送系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行。首創(chuàng)把從驅動電流傳給主驅動,并由硬件實現加法操作,使操作臺的電流指示儀表顯示2臺驅動器的電流之和,從物理意義更為明確,顯示波動更小,代表性強。該控制系統(tǒng)設計較為先進、巧妙,靈活運用了6RA70的軟硬件功能。詳細內容請參閱文獻[2]。在主驅動器上還設計了Profibus接口與PLC相連,用以顯示操作遞送系統(tǒng)參數,為生產線的信息化做準備。圖3　遞送系統(tǒng)結構圖遞送系統(tǒng)作為整線的核心之一,與焊接系統(tǒng)關系密切。為此專門設計了遞送速度與焊接聯動功能,做到精確、準時控制焊接系統(tǒng)啟停,從而有效減少啟動停車時的焊接缺陷和燒穿的可能。 3. 4　銑邊機控制系統(tǒng)?2 540mm機組銑邊機采用非常獨特的雙銑工藝,以便適應X70高鋼級材質的需求,單邊銑屑達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的數量,采用德國生產線的經典設計,用時間繼電器實現電機的Y-△減壓焊　管　　　　　　　　　　　　　　　　　2010年8月　啟動延時,電路設計十分經典。PLC發(fā)出啟動信號控制Y-△變換電路,啟動完畢發(fā)出正常信號,PLC收到返回的啟動完畢信號標志本臺銑邊啟動完成。如按最大4臺組態(tài)工藝, 4臺銑邊機按1#, 2#, 3#和4#順序分步延時啟動,這樣有利于減少啟動沖擊電流。在出現故障時,便于發(fā)現故障點,因為啟動程序停留的位置就是故障點。銑邊系統(tǒng)用一個信號燈指示系統(tǒng)4種運行狀態(tài),它們是:①常亮表示使用銑邊機正常啟動完畢;②慢速閃爍表示啟動按鈕按下后的啟動過程;③不亮表示銑邊系統(tǒng)無操作;④快速閃爍表示銑邊機系統(tǒng)故障,如空開跳閘、過流等。一般性過流時銑邊機系統(tǒng)不停機,只報警提醒操作者注意,采取措施,這樣能避免銑邊突然停機損傷刀片等設備,空開跳閘立即全部停止運行。銑邊機操作設置啟動、停止、1#銑邊使用/鎖定、2#銑邊使用/鎖定4個按鈕。工藝組合方式4種:1#銑邊使用,2#銑邊使用, 1#和2#同時使用,全部停用。通過按鈕停用的銑邊機不參與程序啟動過程,退到后極限時既報告本銑邊機準備好,后續(xù)工作允許,否則要求啟動正常。為保護銑邊刀片,刀盤下壓液壓缸設有壓力開關,作為銑邊工作的條件,在操作臺上有燈指示,每個開關占燈亮周期的1/4,指示清晰明了。設計原則盡量減少操作,在系統(tǒng)上電后液壓系統(tǒng)啟動完畢,自動壓下4個刀盤,以免操作者遺忘。 4　PLC程序設計 4. 1　信號指示設計信號指示時,如果一個電機對應啟動、停止、運轉等多個指示按鈕,那么操作臺會因按鈕過多不便于操作。再者,操作者平時不會關心直流調速器的純電氣數據,如直流電機風機運轉是主電機運轉的條件等,操作者只關心遞送是否能運轉,但設計關鍵指示信息是必要的。仍以銑邊機為例, 2套4臺銑邊機只設計1個指示燈,通過PLC邏輯得出多種易于理解的狀態(tài):①熄滅,表示銑邊機無操作;②快速閃爍,表示空氣開關等故障;③慢速閃爍,表示啟動程序運行,根據要求順次啟動;④常亮,表示啟動結束,狀態(tài)好,下個工藝過程可以進行。再如調型操作盒上的DDM6A5L數字顯示儀表,BCD的編碼開關選擇的輥號直接由第一位數字顯示,決不會造成操作混亂現象儀表的前面有2個LED顯示燈,設計功能是選擇對應的輥操作運轉時常亮,碰到極限時快速閃爍。 4. 2　參數記憶對于一個PLC控制系統(tǒng),如何在斷電或突然斷電時保存設備運轉的狀態(tài)信息,是很棘手的問題。出于造價因素2540線成型器的1#, 2#和3#輥的位置記數采用增量型編碼器,配合314C-2DP的內置編碼器接口完成位置計數。這種設計存在工作中如果斷電編碼器的測量系統(tǒng)就清零的問題。同時對于一個精確的測量系統(tǒng),校準也是一個復雜的過程,設計時盡量不增加硬件和操作的難度。經過潛心研究,終于找出一套行之有效的方法。首先在機械上確定顯示的“0”點位置,它不一定是機械能夠到達的地方,然后選擇一個機械能到達的地方(如200mm)作機械永久標識,運轉輥到這個地方,手工同時搬動前后2個極限即達到清零的目的,此時表上顯示200. 0mm。以2#輥為例,記憶方式如下:①利用PLC系統(tǒng)的CPU內存區(qū)存儲功能存儲開始的MB0~MB16共4個雙字(MD0,MD4,MD8,MD12斷電記憶數據);②使用OB100啟動執(zhí)行程序執(zhí)行MD0MD104記憶恢復操作,MD104為上電時的2#輥位置實際值;③新的當前位置值MD4’=MD104+DB2. DBD14,這里MD4’就是新的記憶值,DB2.DBD14編碼器功能塊的當前輸出值,它隨時在更新;④MD4經過適當變換用于顯示,從而實現工藝和狀態(tài)參數的斷電存儲。 4. 3　數值計算技巧模擬運算是PLC的弱項,因為CPU的運算能力有限,如果PIW的數據全部轉化成浮點數運算,運算后再轉回PIQ輸出,是方便,但內存占用大,預算效率低。采用MD整數運算,容易造成數據丟失、不準確,需要技巧處理。筆者采用先乘后除的方法可避免數據丟失,數據運算一步到位這里仍然以2#輥為例加以說明。(1)基本參數2#輥機械行程: 500. 0mm;螺桿螺距: 28mm;2倍方式編碼器脈沖: 200 P;計算行程內脈沖數: 128 571. 4 P內部記數精度: 0. 003 6mm/P;期望外部精度: 0. 1mm。(2)當前值公式MD164=(MD4×5000)/128571(單位0.1mm)對應500•0mm脈沖數: 128 571 P;對應100. 0mm脈沖數: 25 714 P。(3)清零動作25 714MD104。(4)數字表顯示MD164MD193PQW52。 5　結論 經過3年多使用,電控系統(tǒng)運行穩(wěn)定,故障率低,維護方便。尤其是分布I/O技術大大減少了布線,抗干擾能力提高。調型盒的設計收到較好效果,數字儀表沒有漂移現象, BCD編碼開關切換操作簡單實用。1#輥和3#輥數據中心標定,調型工藝數據直接顯示。遞送機的力矩值顯示穩(wěn)定可靠,完全可以代表鋼板的驅動力。今后的改進方向是:①成型器變頻共用保護功能完善,利用西門子MM440變頻器電機數組切換電機數據,參數數組做保護值切換;②焊接系統(tǒng)與遞送機的協(xié)調控制,減少生產線起停時的焊接缺陷;③外焊槍高控制器的穩(wěn)定性有待提高。 參考文獻: [1]捷通科技有限公司. DDM6A5L技術資料[EB/OL].[2010 - 01 - 08]. http: //www. jtplc. com /DDMXX /Ddm6a5L. Pd.f [2]薛守剛. 6RA70直流調速器在螺旋焊管線遞送控制系統(tǒng)中的創(chuàng)新應用[C] //西門子自動化專家會議論文集(下冊).北京:機械工業(yè)出版社, 2008: 972-977.