直縫焊管水沖洗設備的電氣設計概要

黃國華 劉尚 王曉璐

摘 要本文簡述了中冶遼寧德龍鋼管有限公司水沖洗設備的電氣構成和工藝流程。重點闡述系統(tǒng)電氣設計和系統(tǒng)控制編程的要點。

【關鍵詞】水沖洗 恒壓供水 一拖二控制 變頻器 PLC

1 引言

我廠是大口徑直縫鋼管生產企業(yè)，年產量30萬噸ERW直縫鋼管。鋼管生產中，內毛刺伴隨著鋼管的產出而出現的。國內直縫鋼管企業(yè)多采用傳統(tǒng)的內毛刺清理---靠人工拉拽。通常連續(xù)作業(yè)在二十分鐘左右拉拽一次，每次大概拉出百余米的內毛刺。我廠投產初期，也采用上述方法，四個月里出現三起內毛刺劃傷事故。為解決該問題，設計一套處理內毛刺方案。增加一臺斬斷機和一套水沖洗設備，斬斷機安裝在高頻焊機后，用來斬斷鋼管中的內毛刺，使其成10CM長的短毛刺。在鋼管下線處安裝一個水沖洗設備，用來沖洗管內的內毛刺和雜物。通過兩年多的運行證明，效果非常的完好。其中水沖洗設備是自行設計，這里重點論述電氣部分。

2 系統(tǒng)的組成及電氣控制概要

2.1 硬件配置

系統(tǒng)采用1臺西門子S7-216型PLC做為主站和1臺S7-214分站、4塊西門子EM223I/O擴展模塊、1塊西門子EM235模塊、1臺西門子MM430變頻器、1臺西門子MM440變頻器、2個電控氣動閥、12個電磁閥、2個壓力變送器。

2.2 系統(tǒng)組成

水沖洗設備主要有四部分組成：鋼管傳送裝置、水路系統(tǒng)、油路系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。鋼管傳送裝置負責鋼管的進出傳送，水路系統(tǒng)負責產生高壓水流清洗管內雜物，油路系統(tǒng)負責鋼管的攔截和升降，控制系統(tǒng)以PLC為核心負責整個設備的運行。供電包括一個PLC柜、兩個變頻交流柜和一個操作臺，供電概況如圖1所示。

2.3 電氣控制概要

2.3.1 鏈臺電機控制

電機功率為37.5KW。為滿足主機線的不同速度，采用變頻控制。速度可調、電機行走的步長可調。步長的實現是通過減速機的轉軸上安裝等弧度葉輪，靠近葉片安裝接近傳感器，通過PLC編程就可以控制電機移動的位移。這樣每接收一個鋼管信號，鏈臺移動一定的步長。

2.3.2 沖水小車控制

主要是沖水小車上的高壓水槍對準鋼管的調節(jié)。沖水小車的前進后退電機和上升下降電機的控制，滿足了不同管徑及不同長度的調節(jié)。

2.3.3 起升機構控制

主要是油路的控制，液壓系統(tǒng)主要來源于車間平頭輥道的液壓站。采用無觸點繼電器控制。起升機構主要由六個相同液壓的升降旋轉輥組成，由傳感器限定起升高度，起升后沿水流方向成一定的角度，有利于沖洗效果。液壓馬達左右可旋轉。

2.3.4 恒壓供水控制

為保證恒壓供水采用獨立的供水系統(tǒng)，水罐的容積3.5立方米，水氣混合充有2/3的氣和1/3的工業(yè)水（或鹵化液）。氣由廠房集中提供0.5～0.6Mpa，兩臺水泵的控制是一拖二變頻控制。水的雜質多，對泵的選擇原則是按介質，揚程，流量選擇。根據設計要求，選擇7.5KW水泵電機。

3 簡述控制流程要點及運行方式

3.1 控制流程

PLC每次接收到下線鋼管信息后，驅動鏈臺電機以一定的步長運行。當水沖洗設備滿足沖洗條件時，鏈條臺上的鋼管被檢測到后，由擋料器攔截再由升降旋轉輥以一定角度托起鋼管，到位后旋轉輥轉動的同時高壓水槍打開，沖洗開始。沖洗的同時擋料器下降，當沖洗結束升降旋轉輥下降，鏈條運走鋼管。此時等待下一個循環(huán)的開始。程序控制如圖2所示。

水沖洗運行的條件是系統(tǒng)的液壓站，空壓站，恒壓供水首先正常運行。

3.2 運行方式

有手動、半自動和自動三種方式。

（1）手動運行用于系統(tǒng)檢修或調試時測試系統(tǒng)各部分是否正常。

（2）半自動運行用于對一根鋼管的沖洗。當需要沖洗的鋼管由鏈條托運到水沖洗工位，按半自動按扭，系統(tǒng)完成對鋼管的一次水沖洗循環(huán)。無論手動還是半自動，供水環(huán)節(jié)1#、2#泵在變頻器的控制下分別運行，同時PID控制發(fā)揮作用，水罐壓力不會超過設定壓力。

（3）自動運行用于對大量鋼管沖洗需要。當水沖洗滿足自動條件下，選擇自動運行。各機構在PLC為核心互相連鎖，以實現全自動沖洗狀態(tài)。水罐里的水氣始終保持平衡狀態(tài)，保證連續(xù)高壓出水。

4 程序設計要點

4.1 沖水時間的設定

可由操作者根據不同的管長（6～18米）選擇不同的沖水時間6秒、8秒、10秒、12秒。硬件選擇上可用自鎖選扭。根據用戶需求也可選用西門子tp270觸屏，系統(tǒng)有“主界面”、“報警”、“參數設定”等界面。

4.2 恒壓供水控制的流程圖

如圖3，系統(tǒng)的實現是基于西門子PLC.S7-200和變頻器共同作用，實現一拖二控制兩臺水泵的恒壓供水。

4.3 通訊

通訊網絡是通過兩芯屏蔽雙絞電纜進行聯網的。S7-226型PLC有2組通訊口。一組P0通訊口與S7-224型PLC通訊，采用MODBUS 協議；另一組P1通訊口與兩臺變頻器通訊，采用西門子的USS協議。

4.3.1 PLC主從控制

S7-226為主S7-224為從的主從控制方式。對于MODBUS通訊， 主站側需要程序庫 "MBUS_CTRL" 和 "MBUS_MSG"， 從站側需要程序庫 "MBUS_INIT" and "MBUS_SLAVE"。

4.3.2 變頻器的控制

利用S7-200的USS通訊協議技術實現遠地控制，控制變頻器的啟動，停止，故障報警，故障復位等。不僅節(jié)省硬線連接，而且提高變頻器的可靠運行。通訊線采用屏蔽交質線，PLC和變頻器波特率設置都是19200 kbps ，變頻器主要參數設置如表1。

4.3.3 壓力信號采集和恒壓控制

系統(tǒng)由一只量程為0～1.0Mpa的壓力變送器檢測水罐的氣體壓力和一只量程為50Kpa的壓差變送器檢測水罐液位高度。壓力變送器將檢測到的氣體壓力信號轉換為4～20mA的電流信號，送到PLC的模擬量模塊（EM235），通過PLC內部的PID運算，對高壓水罐氣體的執(zhí)行機構進行控制進氣或排氣。氣體控制采用階躍控制方式。壓差變送器將檢測到的液位壓力信號轉換為4～20mA的電流信號，送到PLC的模擬量模塊（EM235），把檢測到的壓力信號作為反饋值與PID運算的壓力設定值進行比較，再經過PID運算得到調節(jié)后的修正值，通過模擬量輸出到變頻器的AIN1+，AIN1-（X3/X4引腳），作為變頻器的頻率控制信號，由于該信號是相對變頻器工作頻率上限的百分比，所以變頻器將輸入信號進行內部運算后轉為真實工作頻率。液位PID閉環(huán)反饋控制原理如圖4。

4.3.4 變頻和工頻切換電路的控制

變頻和工頻切換電路是通過PLC控制接觸器，來完成切換。應用變頻器一拖二技術，實現了由一臺變頻器控制兩臺電機的技術。變頻器一拖二供水的編程控制思路：系統(tǒng)運行時，1#泵在PID作用下變頻運行，當變頻已經達到50Hz，運行10秒后水罐水位反饋信號仍沒達到要求，此時通過接觸器1#泵由變頻供電迅速切換成工頻供電，完成由1#泵變頻轉換工頻過程，此時變頻器再啟動2#泵，當水位達到要求時，1#泵工頻停止，2#泵變頻低速運行維持水位高度；當水位又低于規(guī)定的水位時，2#泵在PID作用下變頻達到50Hz，運行10秒后水罐水位反饋信號仍沒達到要求，此時通過接觸器2#泵由變頻供電迅速切換成工頻供電，完成由2#泵變頻轉換工頻過程，變頻器再啟動1#泵，周而復始。

注意事項：系統(tǒng)中水泵電機的變頻到工頻切換時，為防止變頻器缺載產生報警錯誤，采取先停變頻再切換，后再啟動變頻的過程。為了系統(tǒng)的快速響應，切換時間越短越好。本系統(tǒng)要求切換時間差0.5秒，所以各個泵的變頻接觸器與工頻接觸器應選擇互鎖接觸器，電氣線路與PLC程序中也有互鎖功能，以免發(fā)生意外短路事故，也防止系統(tǒng)反向送電造成變頻器燒毀。

5 結束語

利用一拖二變頻技術，較好的解決了恒壓供水。使水沖洗設備獨立的運行，實現了對鋼管自動化的沖洗。現場衛(wèi)生環(huán)境也得到改善。內毛刺得到集中的回收，避免了內毛刺帶來的危害。沖水時間的優(yōu)化選擇，也一定程度減少了設備運行的時間。水沖洗設備經過一段時間的運行證明，完全符合生產要求，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，實現了無人值守的全自動沖洗，有推廣的價值。

參考文獻

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作者單位

中冶遼寧德龍鋼管有限公司 遼寧省鞍山市 114031