SXP-130臥式精鍛機電控系統改造

李顯通

（寶雞鈦業股份有限公司，陜西寶雞 721014）

0 引言

寶雞股份鈦業有限公司SXP-130臥式精鍛機是用于鍛造鈦及鈦合金的精密鍛造設備，經過30多年的運行，設備的電控系統存在很多問題，主要表現在2個方面：一是電氣故障發生率逐漸升高，但設備采用較早的控制技術，系統控制軟件可視化程度較低，故障的查找和排除較為困難；二是由于長期運行，部分電氣元件老化損壞，特別是A/B夾頭多頻制動系統電子插件板元件老化，造成控制精度降低，導致產品鍛造性能下降，經濟效益下滑。

1 改造的總體思路

（1）以西門子S7-300作為主控單元，采用分布式控制系統。PLC（Programmable Logic Controller，可編程控制器）子站通過Profibus-DP通信網絡傳送至PLC主控單元系統，一方面減少故障點，提高了系統的可靠性，減少了檢修維護工作量；另一方面提高運算速率、系統控制效率，使現場各個單元的調整或功能擴展時具有更高的靈活性。

（2）系統采用西門子 MMI（Man Machine Interface，人機界面）系統，可將采集到的機組各設備狀態信息（機組各執行部件的位置、速度、壓力、溫度、電流、轉速等信息）傳輸于主操作臺上的MMI予以實時顯示，并可自動判斷系統各部分是否處于正常工作狀態，檢測到系統故障時，系統將根據檢測到的故障及機組目前的工作狀態進行相應的報警和保護。

（3）對系統A/B夾頭多頻制動系統電子插件板進行改進升級，實現制動壓力調節，同時多頻制動元件的自身狀態在控制屏幕上實時顯示（圖1）。

圖1 改造的網絡結構

圖2 多頻制動系統原理

2 改造的詳細內容

2.1 液壓傳動控制系統

由泵站電機起停控制、電磁閥控制、電磁閥控制電源等組成，系統原有系統泵站電機起停控制元件安裝現場控制柜。改造后通過人機接口系統操作，將指令輸入PLC系統CPU（Central Processing Unit，中央處理單元），同時根據現場遠程I/O采集到的信息等進行聯鎖控制。同時將各種信息，如泵的起停狀態、系統壓力、油箱液位、油液溫度等，集中反映在人機接口系統中，以便監控。控制系統將采集到的信號經PLC系統CPU運算處理產生控制信號，通過數字量輸出模塊進行輸出，再經中間繼電器隔離，連接到現場電磁閥線圈，從而控制電磁閥完成相應工作。

2.2 人機接口系統

在操作臺增加1套過程監控與鍛造工藝計算機，由操作元件、顯示元件等構成。具有以下功能：①可以設定機組控制參數、工藝參數。在鍛造工藝畫面，操作人員通過該計算機只需輸入鍛造來料規格及成品規格，鍛造工藝軟件根據該參數自動生成鍛造工藝數據，生成之后操作人員可進行少量干預（如道次、道次變形量等）。通過工業以太網將該數據傳輸至計算機數字化控制系統，計算機數字化控制系統根據數據進行自動鍛造。②可以顯示的機組狀態參數包括機組運行條件狀態，如機械條件、流體條件、電氣條件等。③可顯示故障報警信息，方便維修人員及時發現故障點并處理。

2.3 溫度測量系統

采用紅外測溫技術，在主機鍛造箱及齒輪箱兩側裝有測溫探頭，通過控制盒接入PLC。將鍛造時主機兩側鍛件的溫度實時顯示在MMI上。操作人員可在MMI系統中設定當前鍛件的鍛造溫度范圍，如果超出該范圍將聲光報警并顯示故障信息，以便操作人員及工藝人員調整鍛造過程及工藝參數。

2.4 多頻制動系統

（1）多頻制動系統工作過程。鍛造過程由A/B夾頭夾持鍛件：夾頭隨錘頭頻率進行間歇制動式旋轉，并可實現夾頭根據鍛件要求速度連續可調的縱向前后進給；由鍛造箱的4個錘頭兩兩一組以固定鍛打頻率進行往復鍛造，以達到所要求的鍛造尺寸。當主機錘頭鍛打上鍛件時，鍛件不能扭轉，所以A/B夾頭此時（在鍛錘和鍛件接觸過程中）不允許轉動，所以必須要有多頻制動系統控制A/B夾頭在錘頭鍛打鍛件期間停止旋轉，在錘頭脫開鍛件后快速旋轉（圖2）。

（2）多頻制動系統此次改進的措施主要有：A/B夾頭振蕩制動采用接近開關檢測，通過專用的振蕩制動信號發生器產生控制信號；再通過伺服放大器將信號放大為合適的電流，驅動伺服閥，伺服閥控制油缸，推動剎車片高速開合，形成振蕩制動過程。通過將主機錘頭動作的信號反饋至PLC系統，控制高頻缸的工作，進而控制夾頭按信號間斷旋轉。震蕩信號發生器改進為輸入信號經由振蕩信號發生電路，進行邏輯控制以及制動波形時序相位調制（圖3）。電路板上有2組振蕩信號發生電路，分別對應2個夾頭。邏輯控制固化在電路板上，工件不旋轉時，輸出靜制動壓力；工件旋轉但不制動時，輸出松開壓力；工件旋轉且制動時，跟隨旋轉相位信號輸出振蕩的制動波形，波峰為動制動壓力，波谷為松開壓力。電路中有兩級定時電路，每級對應1個電位計：第一級用于確定制動信號的開始相位；第二級用于確定制動信號的持續脈寬，制動發生在鍛打前死點前后約90°。壓力設定電路設定制動信號的高低：壓力設定分別有2組，每組有3個電位計進行設定，分別為松開壓力、靜制動壓力、動制動壓力。

3 改造后的效果

（1）改造前，由于控制線路復雜，設備控制系統集成化和可視化程度不高，老化的控制系統故障率非常高，維護修理難度很大，導致平均月停機時間＞120 h。改造后運行2年以來，除過日常機械檢修、維護保養外，設備運作正常，幾乎沒有故障發生。設備產能至少提高了30%。

圖3 震蕩發生器原理

（2）由于老設備沒有過程監控與鍛造工藝計算機，工藝程序不固化，存在人為因素影響下工藝執行跟工藝要求不一致現象，導致產品性能穩定性一致性不高。改造后，直接調用工藝程序自動執行，減少了人為因素影響，保證了產品性能的穩定性。

（3）由于之前設備多頻制動系統老舊，控制精度不高，鍛造件需要留有較大的加工余量。改造后設備可以將鍛造件的加工余量在直徑方向減少約6 mm，此項為公司節省了大量原料成本，大大提高了經濟效益。