大型臥式拔伸水壓機(jī)電氣控制系統(tǒng)分析

郝秀峰

(太原通澤重工有限公司電氣傳動(dòng)二部，山西 太原 030032)

1 前言

除了在傳統(tǒng)的石油、化工行業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用外，隨著核電行業(yè)的迅速發(fā)展，由大型拔伸水壓機(jī)生產(chǎn)的高壓厚壁管需求量日益增加，同時(shí)也對大型拔伸水壓機(jī)電控系統(tǒng)提出了更高的要求。太原通澤重工有限公司為某鋼管廠制造的20MN臥式拔伸水壓機(jī)電氣控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，同時(shí)還大大減少了單位產(chǎn)品的能耗，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到了目前國際同類型產(chǎn)品的先進(jìn)水平。

2 臥式拔伸水壓機(jī)的設(shè)備構(gòu)成

臥式拔伸水壓機(jī)分為本體和輔機(jī)兩部，設(shè)備本體部分如圖1所示。

圖1 臥式拔伸水壓機(jī)本體Fig.1 Horizontal type drawing hydraulic press

本體部分包括前1#梁、前梁、活動(dòng)梁、支撐梁、后梁及上下拉桿組成的預(yù)應(yīng)力組合機(jī)架，主缸體及回程缸缸體，芯棒支撐托輥裝置，快速裝卸模具裝置，升降輥道裝置等。輔機(jī)部分為高低壓水部分和液壓部分。其中主缸、回程缸組合使用用于選擇壓力分級，工作時(shí)如果對回程缸施加一定的背壓，便可以實(shí)現(xiàn)二級壓力分級，確保拔伸小規(guī)格產(chǎn)品時(shí)對工模具的安全保護(hù)。上料、受料、芯棒支撐托輥裝置均采用電液比例位置閥閉環(huán)控制，保證在坯料不同位置時(shí)的正確支托。快速裝卸模具裝置用于快速準(zhǔn)確的更換模圈。卸料和運(yùn)輸升降輥道用于壓機(jī)卸料和輸送毛管。高、低壓水部分提供設(shè)備的工作動(dòng)力，液壓部分則為高低壓水系統(tǒng)各管路上控制閥提供動(dòng)力。

3 控制系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)和基本構(gòu)架

3.1 控制系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)

臥式拔伸水壓機(jī)有空程、套料、加壓、回程、推料五個(gè)基本動(dòng)作，這些動(dòng)作都是由多個(gè)控制閥的組合動(dòng)作來完成，如何避免多個(gè)閥開啟或關(guān)閉時(shí)引起設(shè)備震動(dòng)是電氣控制的關(guān)鍵點(diǎn)之一;此外，由于大型拔伸水壓機(jī)主要能量來源是高壓水，如何在不影響其工藝要求和生產(chǎn)效率的情況下，通過優(yōu)化控制方法，盡量減少高壓水的使用時(shí)間是電氣控制的第二個(gè)關(guān)鍵點(diǎn);另外，由于設(shè)備工作時(shí)需要的壓力很高，如何控制好高低壓水系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換和保證操作人員及設(shè)備安全也是電氣控制的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

3.2 控制系統(tǒng)的基本構(gòu)架

(1)設(shè)備電氣控制系統(tǒng)采用西門子S7－300系列PLC，用于分析處理數(shù)字量、模擬量的信號。主站和各子站的通訊采用PROFIBUS－DP工業(yè)總線，設(shè)備區(qū)域間的通訊選擇DP/DP Couple網(wǎng)絡(luò)通信模塊。PLC的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)圖Fig.2 Network configuration

(2)選用CP342－5通信模塊單獨(dú)構(gòu)建一條DP網(wǎng)作為CPU和上位機(jī)的數(shù)據(jù)連接通道，有效的避免了因網(wǎng)絡(luò)故障引起的停機(jī)現(xiàn)象。上位機(jī)采用西門子WINCC軟件創(chuàng)建人機(jī)界面，具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障排除和生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理的功能。圖3為人機(jī)界面中有代表性的狀態(tài)監(jiān)控畫面。

(3)在壓機(jī)后梁和活動(dòng)梁之間安裝有拉線式絕對值編碼器，通過SM338模塊將最終轉(zhuǎn)換的活動(dòng)梁實(shí)際位置值用于系統(tǒng)聯(lián)鎖控制，并以數(shù)字形式在上位機(jī)界面做出直觀的顯示。

(4)在壓機(jī)各關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件安裝壓力傳感器、接近式感應(yīng)開關(guān)、光電開關(guān)等檢測元件，參與控制系統(tǒng)聯(lián)鎖保護(hù)和位置檢測。

圖3 狀態(tài)監(jiān)控畫面Fig.3 Picture of state monitoring

4 控制效果

4.1 減小設(shè)備震動(dòng)

臥式拔伸水壓機(jī)在工作過程中常常伴有劇烈的震動(dòng)，不但會(huì)降低設(shè)備本體的使用壽命，同時(shí)也會(huì)增加停產(chǎn)維護(hù)的時(shí)間，還會(huì)干擾并導(dǎo)致安裝在壓機(jī)本體上檢測元件的信號紊亂，引發(fā)安全事故。在生產(chǎn)過程中，引起震動(dòng)的因素主要有兩個(gè)方面，一是能量的突變階段，比如從較慢的速度直接跨越到較快的速度，或者由較快的速度突然停止;二是活動(dòng)梁所連接的芯棒前端在坯料拔伸長度增加時(shí)所受的下垂力矩逐漸增大，造成芯棒的中心線和模圈的中心線偏移量增加，從而導(dǎo)致拔伸加壓時(shí)產(chǎn)生很大的震動(dòng)。

(1)臥式拔伸水壓機(jī)的基本動(dòng)作都是靠不同控制閥的組合使用來實(shí)現(xiàn)動(dòng)作，壓機(jī)工作時(shí)的速度切換是提高生產(chǎn)效率的主要保證，但切換速度較快，必然引起設(shè)備劇烈震動(dòng)。傳統(tǒng)的控制方式都是以數(shù)字量的信號去控制相應(yīng)閥組合的動(dòng)作，而數(shù)字量信號是建立在0和1狀態(tài)的離散信號，本身就會(huì)造成速度給定信號的斷點(diǎn)，并且無法在操作上避免速度等級的跨越，這是引起震動(dòng)的根本原因。因此考慮將壓機(jī)的動(dòng)作給定信號和速度給定信號分離開來，動(dòng)作給定信號依舊采用數(shù)字量信號，以保證其唯一性;速度給定的信號則采用模擬量信號，保證其連續(xù)性。這樣從硬件上避免了由于操作導(dǎo)致的較大的速度等級間的直接跨越，極大地減小了設(shè)備的震動(dòng)。

同時(shí)通過安裝在壓機(jī)活動(dòng)梁減速位置的感應(yīng)開關(guān)和拉線式編碼器的雙重保護(hù)，可以在生產(chǎn)過程中消除緊急停止的情況，進(jìn)一步減少能量突變的發(fā)生。

(2)臥式拔伸水壓機(jī)的芯棒工作時(shí)由于重力導(dǎo)致前端下垂是產(chǎn)生震動(dòng)的另一個(gè)原因，較為直接有效的解決方法就是采用托輥裝置將芯棒托起，托起的高度與芯棒和模圈中心線偏移量相同。該控制的難點(diǎn)在于穿料前芯棒前端高度與待穿坯料頭部高度時(shí)刻在變化，且穿料后拔伸階段管坯外徑逐次減小，以及在管坯末端進(jìn)入模圈時(shí)，托輥輥?zhàn)优c管坯和芯棒有一次轉(zhuǎn)換，整個(gè)過程如何準(zhǔn)確地開啟升降托輥數(shù)量和控制托輥裝置的高度是控制的核心。①升降托輥開啟的數(shù)量。采用拉線式編碼器顯示芯棒移動(dòng)的實(shí)際位置值，同時(shí)根據(jù)上位機(jī)畫面上選擇的工藝參數(shù)，由PLC計(jì)算出實(shí)時(shí)的坯料軸向變形量，通過比較這兩個(gè)參數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算出需要開啟的托輥數(shù)量。②托輥裝置的高度。根據(jù)上位機(jī)畫面上選擇的工藝參數(shù)，由PLC計(jì)算出實(shí)時(shí)的坯料徑向變形量，進(jìn)而決定被開啟的托輥裝置上升和下降的高度。此外所有的升降托輥均采用電液比例位置閥閉環(huán)控制，保證其控制精度。

4.2 減少單位產(chǎn)品的生產(chǎn)能耗

節(jié)能減排一直是國家提倡的主題，設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)考慮節(jié)能不僅僅是響應(yīng)國家號召，同時(shí)也可以降低生產(chǎn)成本，擴(kuò)大產(chǎn)品的利潤空間。減少臥式拔伸水壓機(jī)單位產(chǎn)品生產(chǎn)能耗的關(guān)鍵就在于合理地控制和應(yīng)用高、低壓水系統(tǒng)。

(1)做好高、低壓水循環(huán)控制。壓機(jī)加壓動(dòng)作完成后，需要回程再重復(fù)上一動(dòng)作。因此可以在回程時(shí)先將主工作缸內(nèi)的高壓水泄壓，利用壓力傳感器檢測泄壓完成之后將主工作缸中的水通過充液閥儲(chǔ)存到低壓蓄勢罐中，等待下一個(gè)工作循環(huán)。

(2)利用低壓水的能量。在循環(huán)中低壓罐內(nèi)的水位上升，此時(shí)低壓罐內(nèi)的水擁有了一定的重力勢能，在壓機(jī)空程前進(jìn)時(shí)就可以利用這部分能量。同時(shí)在控制方面也可以從上位機(jī)上監(jiān)視到壓機(jī)活動(dòng)梁實(shí)際的位移和速度，判斷其何時(shí)需要投入高壓水系統(tǒng)，進(jìn)一步縮短生產(chǎn)周期。

5 結(jié)束語

目前，采用該電氣控制方法的20 MN臥式拔伸水壓機(jī)已經(jīng)順利投入生產(chǎn)，運(yùn)行情況良好，并且大大地提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，得到了用戶的肯定。

［1］ 崔堅(jiān)，李佳．西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004．

［2］ 俞新陸．液壓機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007．