某司鍛軋車間軌道交通車輪軋機閉環控制系統

杜國坤，鐘捷，張超

（北京機械工業自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

近年隨著國家鐵路網的建設，國內城市軌道交通的建設，以及一帶一路中歐班列加大貨運列車等因素的影響，市場對軌道車輪的需求逐步增加，對車輪的質量要求也更加嚴格。隨之而來的技術、產能等不確定因素給中國軌道交通制造企業帶來一定的挑戰，企業需要迎接挑戰并發現機遇，為市場提供足量產品的同時進一步提升產品質量。

在此背景下，某軌道交通公司對鍛軋車間一現有陳舊軌道車輪臥式軋機進行控制系統現代化升級。

1 軋機現狀及問題

該生產線于1997年從加拿大CSW輾鋼整體引進的軌道車輪專用生產設備，后經過系統設計和技術創新，建成了中國第二條輾鋼整體軌道車輪生產線，設計目標年產車輪20萬片。

但設備現狀已經老舊，設備運行狀態檢測多為指針式儀表，控制方式多為手動，精度控制無法滿足需求，軋制外徑差異化比較大，無法完成年產目標，造成產能低能耗高的情況。軋機傳動結構如圖1所示。

圖1 軋機傳動結構圖

1.1 調速設備現狀

原傳動調速電機為直流電機，先已故障頻發且維護成本較大。直流調速裝置多次發生可控硅損壞情況，嚴重影響生產使用。

1.2 定位設備現狀

原位置微調機構為定速或手搖方式，有些機構已經喪失調節能力，無法快速對軋制位置進行調節，且不具備位置記憶功能。原位置微調機構參數如表1所示。

表1 原位置微調機構參數

1.3 液壓系統現狀

原液壓系統為分散式油站模式，分布在現場，不易維護，多種閥門已經損壞，現有儀表不具備信號遠傳功能。

1.4 外徑測量現狀

原車輪外徑測量裝置為鋼絲繩連接主軋輥移動機架，帶動指針式轉盤進行位置顯示，完全靠人工判斷是否軋制到位，導致外徑大小差異較大。

1.5 設備聯鎖

上下料系統為獨立系統，與軋機都不具備信號交互能力，設備間容易出現互相干涉的情況，存在安全生產問題。

2 控制需求

2.1 總體框架

需要配套PLC控制系統，做到軋制過程自動控制且可人為干預。設置上位畫面控制系統，具備重要參數可更改、查看、記錄等功能。

2.2 傳動能力

主軋輥、上、下邊輥傳動電機改為交流變頻電機并具備過載能力[2]。電機可以承載2.5倍過載為5秒，1.5倍過載為20秒。

2.3 軋制時序

車輪軋制時間為45秒，一個循環節拍為72秒。傳動調速控制需具備按設定斜率加速、減速的功能，并根據工藝軋制需求調節傳動速度。速度控制時序圖如圖2所示。

圖2 傳動速度控制時序圖

2.4 定位功能

位置微調機構需具備快速調節功能，并具備位置記憶功能。每次更換車輪品種后都要根據車輪輞寬、輞厚等數據對微調機構進行快速調節，當某一品種車輪調節成型后需將位置數據按該品種型號記錄保存下來，方便后續快速更換車輪品種。

2.5 液壓軋制

重新設計液壓系統，將原有的多個油站模式，更改為共用一個油站的模式。并設置在線監測傳感器，實現軋制壓力自動控制的功能[4]。壓力控制時序圖如圖3所示。

圖3 液壓軋制壓力時序圖

2.6 節能需求

控制過程中考慮節約能源的環節，為生產的節能減排做好基礎。

2.7 安全聯鎖

與上下車輪機械手進行信號交互，并對設備動作進行安全聯鎖。

3 實施方案

3.1 控制系統

PLC信號采集及驅動系統通過PROFINET總線與CPU通訊控制。變頻驅動系統及伺服驅動系統放置在控制室，CPU控制柜放置在操作室，在通訊端口比較集中的地方使用交換機通訊。

3.2 位置檢測

增設上輥壓下機構等位置的檢測元件[1]，選用柔性連接的磁位移傳感器，代替原有的機械限位開關，固定方式具有自適應功能，受到外力振動時能安全可靠運行。

3.3 傳動電機

軋機主軋輥電機選用額定功率為160KW，額定轉速600轉/分的交流電機，上、下軋邊輥傳動電機選用額定功率為450KW，額定轉速750轉/分的交流電機，在電機后端安裝編碼器來檢測電機的轉速。上下輥電機電機選用水冷方式。

3.4 變頻控制

傳動變頻器采用共直流母線供電，選型與電機過載能力匹配。控制方式采用閉環矢量變頻控制。

3.5 稀油潤滑

軋機稀油潤滑泵遠程控制，對各稀油潤滑點進行監測，監測狀態接入PLC并與系統進行連鎖控制。監測的主要潤滑采集點有：

1）三個稀油站泵前壓力，

2）三個過濾器后油流，

3）主軋輥末端油流，

4）上輥和減速箱末端油流，

5）下輥末端油流。

3.6 干油潤滑

增加干油潤滑控制系統。具備一鍵遠程潤滑，其中4塊雙線分配器，8塊遞進式分配器，46個潤滑點，轉動部位24°/分鐘。

3.7 定位伺服控制

位置微調機構采用伺服電機驅動，配置多圈絕對值編碼器。根據現場環境將裝置電機防護等級配置為IP65。采用直流-交流伺服驅動器進行位置控制，具備快速調節、位置信息讀取記錄的功能。

3.8 液壓系統及配套

液壓系統采用共用油站的模式，安裝至集中的液壓泵站房。上扎邊充液方式改為充液箱和高壓油箱分離的方式，設備上配無壓充油箱，集中泵站配泵自動給充液箱補油。系統油站配溫度、液位等監測并接入PLC系統，各液壓支路配置開關量電磁閥完成設備的方向動作，配置伺服閥及壓力傳感器完成設備的壓力控制等。

3.9 數據通訊

軋機控制系統采用現場總線PROFINET與上下車輪機械手進行通訊，并互相傳遞交互區域安全聯鎖信號。

4 現場測試

4.1 具體軋制流程

1）選擇自動開始→2、軋機上軋邊輥、壓緊輥、主軋輥到起始位-→3、上料機械手到軋機上料位→4、軋機壓緊輥、主軋輥到上料位→5、上料機械手松開，毛坯放到接料架上-→6、上料機械手抬起，退回原位-→7、壓緊輥、坯料、主軋輥運行至軋制位-→8、上、下軋邊輥、導向輥夾緊毛坯-→9、上、下軋邊輥、主軋輥以1檔速度運轉-→10、壓緊輥、上邊輥、主軋輥開始加壓-→11、上、下軋邊輥由1檔速度提升至2檔速度，上軋邊輥以一定斜率加壓到設定壓力，主軋輥保持壓力，壓緊輥以一定斜率加壓至設定壓力-→12、根據車輪尺寸的要求，壓緊輥、主軋輥裝置上配置的位移傳感器經計算處理數據，精確確定車輪終軋位置-→13、車輪終軋到位，壓力輥快速卸壓、傳動輥停止轉動-→14、打開上、下軋邊輥-→15、導向輥退回到后限位-→16、壓緊輥、毛坯、主軋輥運行至軋機下料位-→17、軋機下料手抓緊車輪-→18、主軋輥、壓緊輥退回到起始位-→19、軋機下料手夾緊車輪完成下料，至此整個車輪的軋制過程結束[3]。自動軋制流程如圖4所示。

圖4 自動軋制流程圖

4.2 控制網絡及方式

根據方案將現場控制設備通過Profinet網絡進行高速連接，提高信號交互速率。生產線采用觸摸屏、工控機操作為主，選擇開關、按鈕為輔的操作方式。通過觸摸屏和工控機的界面，顯示生產過程的設定值和實際值，顯示和控制各傳動裝置，顯示輔助設施的運行狀態。同時，系統又擁有完善的故障診斷功能，對機組控制系統進行在線診斷和事故報警監視。控制網絡如圖5所示。

圖5 控制網絡圖

4.3 軟件計算邏輯

在軋制過程中，車輪直徑不斷擴展，壓緊輥逐漸向前推進，主軋輥不斷退回，外徑測量數據隨著軋制過程不斷變化，最終在軋制到位后停機。PLC通過接收外徑測量系統測回的數據，對車輪是否軋制到位做出判斷，做出是否停機的指令。PLC控制邏輯如圖6所示。

圖6 PLC計算邏輯圖

4.4 變頻矢量調速

傳動設備采用交流電機傳動，變頻調速設備的傳動均采用直-交矢量調速，控制調節系統全部采用全數字式控制系統。傳動系統實現速度控制、張力控制、緊急停車控制、故障診斷和顯示報警、與上位機網絡通訊等功能。軋制過程采用速度環飽和轉矩限幅的控制方式。在設備調試期進行速度閉環優化，記錄并優化傳動轉動數據，做到軋制的快速精度反應。速度閉環優化如圖7所示。

圖7 傳動速度閉環優化圖

4.5 外徑測量及計算

車輪外徑測量采用磁致伸縮傳感器，安裝于密閉無桿油缸內，滿足在線實時測量并顯示，傳感器控制分辨率為0.1mm，車輪最終軋制精度達到±1.0mm。車輪軋制過程外徑數據曲線如圖8所示。

圖8 車輪軋制外徑曲線圖

4.6 軋制壓力

上軋邊輥、壓緊輥、主軋輥、導向輥在無桿腔液壓油路裝有壓力傳感器，實時采集軋制過程中的壓力數據并反饋至PLC，根據軋制壓力需求控制伺服閥開度，做到軋制壓力閉環控制。在系統各壓力泵出口液壓管路上配置壓力傳感器，對各系統壓力進行實時監測，增強壓力監測報警功能。壓力閉環調節如圖9所示。

圖9 壓力閉環調節圖

4.7 上位控制

控制系統上位機軟件，滿足軋機所需要的操作和監控，可以保存需要的生產參數和過程數據，具有設定、存儲、調取各產品工藝參數的功能。將參數設定按等級設置權限，防止出現誤操作的情況。將各報警進行集中顯示，對找到故障原因和故障歷史起到輔助作用。將過程數據生成趨勢，方便隨時分析軋制數據。

4.8 控制數據記錄

上下軋邊輥、主軋輥傳動電動機狀態數據和軋制過程數據等在上位機中顯示，并形成曲線以提供診斷依據，如電機轉速、電機電流、運轉時間、電機溫度、冷卻水時長和溫度、驅動器溫度等。在監視數據出現異常時，對故障狀態進行及時報警，并提供報警內容和處理建議，必要時停機。

4.9 設備保護

液壓站泵使用軟啟動方式控制電機啟停，并對大功率電機設置一鍵順序啟動功能，防止同時啟動對電網電壓的影響。

4.10 壓力曲線

壓緊輥、上軋邊輥、主軋輥、導向輥等液壓設備狀態數據和軋制過程數據等在上位機集中顯示，并可以形成曲線提供診斷依據。可通過上位機軟件或觸摸屏調整加壓壓力和加壓時間等參數，PLC根據加壓斜率自動調節軋制過程數據。軋制壓力數據曲線如圖10所示。

圖10 軋制壓力數據曲線圖

4.11 溫度檢測

紅外測溫儀實時監測、采集、反饋車輪軋前溫度并在上位機上顯示。溫度測量范圍在800℃--1200℃，軟件通過比較實時溫度進而記錄下來料的最高溫度。來料溫度低于950℃預警，以顏色區分。

4.12 節能控制

交流調速裝置是直流電源輸入、交流電源輸出的工作模式，所以采用一臺整流回饋單元統一提供直流電源，這種配置方式使得處于發電或電動狀態的控制單元之間可以通過中間回路進行能量交換、降低電力損耗，并能實現將過余電能回饋至電網，實現節約電力能源的作用。

軋制過程中實現對冷卻水和吹掃空氣的自動控制，對冷卻時長進行記錄、保存。并可以設定自動啟停時間，實現節約氣能和水能源的作用。

4.13 與二級系統交互

與生產線二級系統進行數據信號交互，現場總線采用PROFINET。數據內容主要為車輪軋制過程數據信息，并將數據已文件形式保存在本地3個月。軋制數據自動保存至文件如圖11所示。

圖11 軋制數據自動保存文件圖

4.14 控制模式介紹

軋機控制系統具有模式轉換功能，包括自動模式、手動模式、急停模式（3秒內停機，不斷電）等。當有新品種車輪需要上線時可以根據車輪數據對軋制參數進行初步設定，在實際軋制中對各參數進行修正。也可將軋機切換至手動模式，對新品種車輪進行數據線上標定，對軋制數據進行記錄，在后續軋制中直接自動調用記錄數據進行軋制。

4.15 定位數據配方功能

每次新尺寸車輪的位置調節成功后可以將位置微調伺服機構的位置按配方進行記錄，在以后再生產同品種車輪時，可按配方名稱調出進而實現位置快速的調整。微調伺服機構位置數據按車輪尺寸生成配方如圖12所示。

圖12 伺服位置數據配方圖

4.16 稀油自動潤滑

稀油潤滑采用油泵供油、重力回油的方式，供油管道設置壓力傳感器，檢測信號反饋至PLC做為傳動啟動的聯鎖條件。各潤滑之路進行油流檢測，并對壓力實際值和油流信號進行實時顯示和信號報警。

4.17 干油自動潤滑

干油潤滑配有油位檢測傳感器，可滿足箱體潤滑油的自動補給。控制箱具備遠程/本地切換功能，方便設備維護時進行現場潤滑。

4.18 數據聯鎖

由于上下車輪機械手為獨立控制系統，通過加裝硬件PN-PN Coupler進行PROFINET通訊，通過互相傳遞生命呼吸信號進行通訊正常的判定，確保交互信號的有效性，并將異常信號做出蜂鳴輸出提醒現場人員，并進行報警記錄。通過通訊將設備信號進行了無縫傳遞，完成了動作的連貫性，節省了軋制時間。

5 結語

本次升級完成了對車輪軋制的自動控制，各設備點具備了自動可控可調的能力，做到了數據的實時監控并能長期保存記錄。完成了與生產線其他設備的數據交互，并將車輪工藝數據上傳至工廠二級系統。對生產效率及車輪合格率等做到了極大的提升。

相繼完成了50件單小時設計產能，910件車輪單日設計產能，2730件連續72小時設計產能。成品外徑總體合格率達到了95%以上，較加入自動控制之前提高了近8個百分點。成品外徑分布數據如圖13所示。

圖13 成品外徑分布數據圖

該項目已全面達產達效，以實際行動推動了規模性產生的疊加效應，為全面推動降本增效邁出堅實一步。