螺旋埋弧焊管生产线电控系统设计与创新

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摘　要:介绍了?2 540mm大直径可移动式螺旋埋弧焊管机组电气控制系统的创新设计与实现。根据机组移动的特点,采用了Profibus-DP总线的分布I/O控制框架,建立前桥、成型、调型盒、操作台、导管架、后桥、主控制柜、递送机柜8个I/O分站,通过PLC程序完成相应的功能。该系统减少了控制电缆数量,抗干扰能力明显提高,故障率低,维护方便。通过生产实践又指出了该控制系统的改进方向。

关键词:螺旋埋弧焊管;电气控制; Profibus-DP总线;分布I/O控制; PLC 1　概　述? 2 540mm大直径可移动式螺旋埋弧焊管机组的建设是三冶钢管公司2006年扩大产能,提高产品规格,锻炼专业队伍,节约资金,自主研发和科技创新的新举措。项目的设计、安装、调试全部由该公司独立完成。历经1年时间,于2006年12月27日试车投产成功。机组由前桥、成型机、后桥组成。前桥上有开卷机、粗平机、剪切对焊机、精平机、递送机、铣边机、预弯机、垂直导向和水平导向;后桥上有导管架、切管车、落管机构。前桥上的设备是将钢带连续送入成型机,在成型机处将带钢轧制成钢管后焊接成型,后桥上的设备将钢管定尺切断,从制管线上下线进入台架进行后续工序的处理。? 2 540mm大直径可移动式螺旋埋弧焊管机组的电控系统依靠三冶钢管公司技术力量,首次采用Profibus-DP总线控制系统,共有13项创新。下面笔者对该机组的电控系统作重点介绍。 2　电控系统设计 2. 1　设计原则?2 540mm大直径可移动式螺旋埋弧焊管机组电控系统的设计原则:注重成本,优化设计,功能丰富,操作简便。 2. 2　设计框架根据机组移动的特点,确定采用Profibus-DP总线的分布I/O控制框架,可以减少控制电缆数量。优化设计电缆走向、接线盒、操作盒的布线。主控制柜采用紧密设计、密闭防尘、强制风冷散热等。根据机械部分和工艺部分分成前桥、成型、调型盒、操作台、导管架、后桥、主控制柜、递送机柜8个I/O分站,预留一个焊机的分站,以便扩充。这样设计便于机械分体拆卸。为便于理解分布I/O技术的特点,以铣边机控制系统为例,在硬件上系统属于不同区域。电机交流控制在铣边机控制柜,由主站的I/O控制,本地操作和极限在前桥I/O分站,铣边机工作方式和启停控制在主操作台分站。这些硬件通过Profibus-DP总线在逻辑上进行连接,通过PLC程序完成相应的功能。 2. 3　电控系统的组成电控系统分为开卷控制、接板控制、精平控制、铣边机控制、递送机控制、成型器控制、导管架控制、内外焊接及枪架调整控制、切管车控制、下管桥架控制、自动定尺控制等部分。 2. 4　焊接系统设计根据2032线接板经验,决定接板焊接采用独立焊接系统,以便减少故障和转换接触器功率消耗。内外焊接采用直流在前、交流在后的双丝焊接,直流采用反极性方式以改善焊接质量。在焊机配电柜加装补偿电容来改善功率因数。焊接送丝系统采用三冶钢管公司消化吸收研制的NA3/4焊接送丝系统,减少投资。 2. 5　安全系统设计为降低成本,安全系统没有采用专用的安全继电器方式,但不等于不重视安全,为此采取以下措施:铣边机和电焊机没有采用急停断电方式,其他系统均可由急停钮断电。铣边机突然断电会造成打刀;电焊机电流太大,不经济。急停系统接到指令后先停机后断电,全线共设4处硬接线急停钮。CPU系统常供电,以维持程序正常运行。控制电源使用带保持旋钮操作,为保证全线电控系统上电和急停钮被按下后,控制电源处于关闭状态,程序上设有记忆功能,需要重新操作一次控制电源钮。此外调型盒上设有调型锁,避免误操作。 2. 6　人机接口设计人机接口设计力求结构简单、操作方便、功能丰富。如成型器操作采用1个BCD编码开关配合4个方向键控制8个电机和位置显示切换,操作简单明了,形象生动。 3　电控系统的实现 3. 1　PLC系统关键部件的选择系统核心采用功能丰富的西门子s7-314c-2dp,内置多种功能,包括5路AI和2路DI,均为12位快速转换器。集成24DI/16DO, CPU集成MPI和Profibus-DP通讯接口,用于上位机及Profibus组网,集成4个60 kHz编码器接口,软件上可以完成计数, PWM脉宽输出5 kHz,测频、中断等方式,更为重要的是系统CPU成本极低,仅6 000元左右。?2 540mm机组生产线系统设计使用4个编码器,用于成型器1#, 2#, 3#辊和后桥位置测量, 2个模拟量输入用于测量钢板宽度及计算钢板中心偏差,另一路模拟输出用于显示, 2D接口用于Profibus组网中心站。I/O分站接口采用IM153加SM321/SM322模块。 3. 2　成型器分站首先采用西门子440变频器,独特设计实现变频器共用技术,解决1#~8#成型辊高速行走低速逼近。实现高速高精度调整辊的位置,彻底改变以往速度和精度不可兼得的矛盾。由于没有采用变速机构,节约了成本。其次, 1#, 2#和3#辊的位置显示采用Profibu接口6位数字显示DDM6A5L[1]仪表,接线容易,显示稳定不漂移,成本约500元/台,是成型系统的核心。1#~8#辊的操作采用BCD编码开关做功能切换,使用上、下、前、后4个功能键操作,空间效果明显,示意清晰,简便易行,配线减为最少并且仪表上有相应的极限指示,便于操作者掌握情况。显示精度达到500. 00mm,完全符合调型工艺要求。,为此配上100P/R的脉冲编码器,加之6位数字仪表,使整个测量、计算、显示全部为数字化,准确度达0. 01mm,设计显示范围0~500. 00mm,配合PLC数据存储功能实现工艺数据的记忆。同时采用先进的双极限置100. 00技术,调试校准十分容易,操作者可方便校准。后桥位置显示功能。在正常生产状态,这个高精度仪表用来指示后桥位置是否偏移数据,以此指导操作者微调后桥位置,解决管径、出管中心线、焊缝间隙之间的平衡关系。 3. 3　递送机控制系统选用西门子6RA70直流调速器,驱动2台45 kW直流电机作上下递送辊的拖动,配合600P/R的脉冲编码器,实现高精度的速度控制,主从驱动采用串口通讯,实现速度、力矩、电流、状态、指令信号的双向传送。PLC控制方面去掉中间继电器,PLC的输出点直接驱动6RA70调速器,反之亦然,大大减少继电器的数量,增加可靠性。设计时首次引入力矩通道和Droop速度软化功能,实现驱动器的力矩平衡,有利于递送系统长期稳定运行。首创把从驱动电流传给主驱动,并由硬件实现加法操作,使操作台的电流指示仪表显示2台驱动器的电流之和,从物理意义更为明确,显示波动更小,代表性强。该控制系统设计较为先进、巧妙,灵活运用了6RA70的软硬件功能。详细内容请参阅文献[2]。在主驱动器上还设计了Profibus接口与PLC相连,用以显示操作递送系统参数,为生产线的信息化做准备。图3　递送系统结构图递送系统作为整线的核心之一,与焊接系统关系密切。为此专门设计了递送速度与焊接联动功能,做到精确、准时控制焊接系统启停,从而有效减少启动停车时的焊接缺陷和烧穿的可能。 3. 4　铣边机控制系统?2 540mm机组铣边机采用非常独特的双铣工艺,以便适应X70高钢级材质的需求,单边铣屑达20mm。4套铣边装置,主轴功率45 kW,为增加可靠性,减少PLC的I/O的数量,采用德国生产线的经典设计,用时间继电器实现电机的Y-△减压焊　管　　　　　　　　　　　　　　　　　2010年8月　启动延时,电路设计十分经典。PLC发出启动信号控制Y-△变换电路,启动完毕发出正常信号,PLC收到返回的启动完毕信号标志本台铣边启动完成。如按最大4台组态工艺, 4台铣边机按1#, 2#, 3#和4#顺序分步延时启动,这样有利于减少启动冲击电流。在出现故障时,便于发现故障点,因为启动程序停留的位置就是故障点。铣边系统用一个信号灯指示系统4种运行状态,它们是:①常亮表示使用铣边机正常启动完毕;②慢速闪烁表示启动按钮按下后的启动过程;③不亮表示铣边系统无操作;④快速闪烁表示铣边机系统故障,如空开跳闸、过流等。一般性过流时铣边机系统不停机,只报警提醒操作者注意,采取措施,这样能避免铣边突然停机损伤刀片等设备,空开跳闸立即全部停止运行。铣边机操作设置启动、停止、1#铣边使用/锁定、2#铣边使用/锁定4个按钮。工艺组合方式4种:1#铣边使用,2#铣边使用, 1#和2#同时使用,全部停用。通过按钮停用的铣边机不参与程序启动过程,退到后极限时既报告本铣边机准备好,后续工作允许,否则要求启动正常。为保护铣边刀片,刀盘下压液压缸设有压力开关,作为铣边工作的条件,在操作台上有灯指示,每个开关占灯亮周期的1/4,指示清晰明了。设计原则尽量减少操作,在系统上电后液压系统启动完毕,自动压下4个刀盘,以免操作者遗忘。 4　PLC程序设计 4. 1　信号指示设计信号指示时,如果一个电机对应启动、停止、运转等多个指示按钮,那么操作台会因按钮过多不便于操作。再者,操作者平时不会关心直流调速器的纯电气数据,如直流电机风机运转是主电机运转的条件等,操作者只关心递送是否能运转,但设计关键指示信息是必要的。仍以铣边机为例, 2套4台铣边机只设计1个指示灯,通过PLC逻辑得出多种易于理解的状态:①熄灭,表示铣边机无操作;②快速闪烁,表示空气开关等故障;③慢速闪烁,表示启动程序运行,根据要求顺次启动;④常亮,表示启动结束,状态好,下个工艺过程可以进行。再如调型操作盒上的DDM6A5L数字显示仪表,BCD的编码开关选择的辊号直接由第一位数字显示,决不会造成操作混乱现象仪表的前面有2个LED显示灯,设计功能是选择对应的辊操作运转时常亮,碰到极限时快速闪烁。 4. 2　参数记忆对于一个PLC控制系统,如何在断电或突然断电时保存设备运转的状态信息,是很棘手的问题。出于造价因素2540线成型器的1#, 2#和3#辊的位置记数采用增量型编码器,配合314C-2DP的内置编码器接口完成位置计数。这种设计存在工作中如果断电编码器的测量系统就清零的问题。同时对于一个精确的测量系统,校准也是一个复杂的过程,设计时尽量不增加硬件和操作的难度。经过潜心研究,终于找出一套行之有效的方法。首先在机械上确定显示的“0”点位置,它不一定是机械能够到达的地方,然后选择一个机械能到达的地方(如200mm)作机械永久标识,运转辊到这个地方,手工同时搬动前后2个极限即达到清零的目的,此时表上显示200. 0mm。以2#辊为例,记忆方式如下:①利用PLC系统的CPU内存区存储功能存储开始的MB0~MB16共4个双字(MD0,MD4,MD8,MD12断电记忆数据);②使用OB100启动执行程序执行MD0MD104记忆恢复操作,MD104为上电时的2#辊位置实际值;③新的当前位置值MD4’=MD104+DB2. DBD14,这里MD4’就是新的记忆值,DB2.DBD14编码器功能块的当前输出值,它随时在更新;④MD4经过适当变换用于显示,从而实现工艺和状态参数的断电存储。 4. 3　数值计算技巧模拟运算是PLC的弱项,因为CPU的运算能力有限,如果PIW的数据全部转化成浮点数运算,运算后再转回PIQ输出,是方便,但内存占用大,预算效率低。采用MD整数运算,容易造成数据丢失、不准确,需要技巧处理。笔者采用先乘后除的方法可避免数据丢失,数据运算一步到位这里仍然以2#辊为例加以说明。(1)基本参数2#辊机械行程: 500. 0mm;螺杆螺距: 28mm;2倍方式编码器脉冲: 200 P;计算行程内脉冲数: 128 571. 4 P内部记数精度: 0. 003 6mm/P;期望外部精度: 0. 1mm。(2)当前值公式MD164=(MD4×5000)/128571(单位0.1mm)对应500•0mm脉冲数: 128 571 P;对应100. 0mm脉冲数: 25 714 P。(3)清零动作25 714MD104。(4)数字表显示MD164MD193PQW52。 5　结论 经过3年多使用,电控系统运行稳定,故障率低,维护方便。尤其是分布I/O技术大大减少了布线,抗干扰能力提高。调型盒的设计收到较好效果,数字仪表没有漂移现象, BCD编码开关切换操作简单实用。1#辊和3#辊数据中心标定,调型工艺数据直接显示。递送机的力矩值显示稳定可靠,完全可以代表钢板的驱动力。今后的改进方向是:①成型器变频共用保护功能完善,利用西门子MM440变频器电机数组切换电机数据,参数数组做保护值切换;②焊接系统与递送机的协调控制,减少生产线起停时的焊接缺陷;③外焊枪高控制器的稳定性有待提高。 参考文献: [1]捷通科技有限公司. DDM6A5L技术资料[EB/OL].[2010 - 01 - 08]. http: //www. jtplc. com /DDMXX /Ddm6a5L. Pd.f [2]薛守刚. 6RA70直流调速器在螺旋焊管线递送控制系统中的创新应用[C] //西门子自动化专家会议论文集(下册).北京:机械工业出版社, 2008: 972-977.