西門子 PLC及 PROFIBUSDP網(wǎng)絡(luò)在管棒材矯直機(jī)中的應(yīng)用

王自偉

(福建三寶鋼鐵有限公司,福建 漳州 363000)

1 概述

用于提高管棒材成材率的管棒材矯直機(jī)已普遍的應(yīng)用于管棒材生產(chǎn)線上。世界上工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的管棒材矯直機(jī)品種多,規(guī)格大,水平高。20世紀(jì) 80年代以前,我國(guó)管棒材矯直機(jī)與之相比較為落后,不僅品種單調(diào),而且矯直精度一般為4‰～6‰,有的精度甚至更低,不能滿足生產(chǎn)需要。80年代以后,開始引進(jìn)一些先進(jìn)的矯直機(jī),如上海第五鋼鐵廠,湖北大冶鋼廠從英國(guó)布朗克斯公司引進(jìn)的二輥滾光矯直機(jī);寶雞鋼管廠從原西德引進(jìn)的用于 φ426直縫焊管矯直的多輥式矯直機(jī)等,這些先進(jìn)矯直機(jī)的引進(jìn),推動(dòng)了我國(guó)矯直機(jī)技術(shù)的發(fā)展。

本文介紹廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)的鈦及鈦合金管棒材的七輥矯直機(jī)的電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 電氣設(shè)計(jì)

該七輥矯直機(jī)由上料系統(tǒng)、矯直機(jī)本體、下料系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等組成。本體采用封閉框架,立式結(jié)構(gòu);主傳動(dòng)采用直流無級(jí)調(diào)速;輥縫及矯直角采用電動(dòng)調(diào)整;上下料系統(tǒng)設(shè)有儲(chǔ)料臺(tái)、撥料、擋料等機(jī)構(gòu),管棒材輸送采用交流變頻傳動(dòng)。其電氣系統(tǒng)單線圖如圖 1所示。

矯直機(jī)組的電氣設(shè)計(jì)的難點(diǎn)主要集中在矯直機(jī)本體的直流傳動(dòng)設(shè)計(jì)上。主要涉及到機(jī)組速度同步性的可靠保證,其控制的好壞直接關(guān)系到矯直機(jī)的矯直精度。

七輥矯直機(jī)的矯直輥布置一般有:3-3-1或 2-2-2-1結(jié)構(gòu),上下分組,通過萬向連接軸及變速箱采用兩臺(tái)功率相同的直流電機(jī)拖動(dòng)。由矯直機(jī)的矯直原理可知,為了保證矯直精度及提高管棒材的成材率,除了機(jī)械部分的變速箱,輥型等設(shè)計(jì)至關(guān)重要外,兩臺(tái)直流電機(jī)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)和調(diào)試也相當(dāng)關(guān)鍵。如果矯直機(jī)上、下矯直輥線速度不同步將造成上下排輥間存在較大的扭曲力,這樣不能平衡產(chǎn)品表面應(yīng)力和有效消除殘余應(yīng)力,達(dá)不到矯直管棒材的目的,可能還會(huì)出現(xiàn)越矯越彎,越矯越扁的現(xiàn)象,甚至?xí)驗(yàn)殚L(zhǎng)期扭曲力過大對(duì)設(shè)備造成損害,降低設(shè)備使用壽命。

圖 1 管棒材矯直機(jī)電氣系統(tǒng)單線圖

該矯直機(jī)矯直輥布置為 2-2-2-1結(jié)構(gòu),矯直輥傳動(dòng)通過直流電機(jī)拖動(dòng)減速機(jī)經(jīng)分配箱(1入 3出型),3條萬向連接軸帶動(dòng)矯直輥工作,最后一個(gè)輥為自由輥。矯直輥角度調(diào)整采用絲杠調(diào)節(jié)定位,壓下機(jī)構(gòu)采用定位復(fù)合螺母方式。因此在機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的情況下,矯直速度完全取決于電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制,因此電機(jī)速度控制成為矯直精度和質(zhì)量的重要保障,因而在電氣設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)考慮速度給定,以保證主傳動(dòng)電機(jī)速度的同步性。通常情況下采用公用一個(gè)速度給定的方式,其具體實(shí)現(xiàn)方式有兩種:一是通過同一個(gè)電位計(jì)將速度給定直接給到兩直流傳動(dòng)裝置;二是利用功能強(qiáng)大,可靠性及同步性好的網(wǎng)絡(luò)技術(shù),將傳動(dòng)裝置和 PLC同時(shí)掛到網(wǎng)絡(luò)上,通過其可方便將給定送到裝置上。對(duì)于前一種方式,無論是采用電位計(jì)直接將速度給到裝置端子上,還是通過 PLC模塊給到裝置,都將受零點(diǎn)漂移,以及其他電氣電磁干擾的影響,存在一些局限性;而隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,西門子 profibus-DP網(wǎng)絡(luò)總線循環(huán)時(shí)間 1 ms,波特率高達(dá) 12Mbit/s,其反應(yīng)迅速快,傳輸精度高,抗干擾能力強(qiáng),且調(diào)試方便,故被大量應(yīng)用。

為了有效集成下位機(jī)、上位機(jī)及傳動(dòng)裝置,并充分利用網(wǎng)絡(luò)通訊的優(yōu)勢(shì),在考慮可靠、實(shí)用、簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)等因素的前提下,本矯直機(jī)主要選用德國(guó) siemens公司成熟的工控產(chǎn)品,下位控制器采用 S7-300 PLC,主傳動(dòng)直流調(diào)速裝置為6RA70裝置,上、下料輔助交流變頻傳動(dòng)采用MM440變頻器,上位機(jī)采用研華工控機(jī)。運(yùn)用siemens公司 STEP7和W inCC軟件進(jìn)行上、下位機(jī)開發(fā)。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

圖 2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

另外,為了提高生產(chǎn)效率,矯直輥輥縫及夾角的調(diào)整采用了電動(dòng)調(diào)節(jié),在每個(gè)調(diào)整方向上安裝旋轉(zhuǎn)編碼器,通過運(yùn)用西門子 FM350-2模塊,實(shí)現(xiàn)并構(gòu)成位置閉環(huán)控制系統(tǒng),以快速、準(zhǔn)確的控制各方向上的位置。關(guān)于矯直輥位置調(diào)整的控制和設(shè)計(jì),本文不做詳細(xì)描述。

為方便矯直輥位置控制及顯示,以及主傳動(dòng)、輔助傳動(dòng)等的有效監(jiān)控,一般配備上位監(jiān)控系統(tǒng),有利于報(bào)表生成、故障快速提示及解除等。

3 自動(dòng)控制系統(tǒng)

矯直機(jī)控制主要分為上料,下料輔助系統(tǒng)控制,矯直機(jī)輔助調(diào)整控制 (即角度、輥縫調(diào)整控制)和矯直機(jī)本體主傳動(dòng)控制。

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)的不同,對(duì)于上、下料系統(tǒng)控制方式略有不同,但主要為開關(guān)量控制。與主機(jī)配合,通過 PLC可方便的實(shí)現(xiàn)工藝流程及邏輯連鎖保護(hù),其主要工藝流程如圖 3所示。而對(duì)于輔助調(diào)整控制,根據(jù)調(diào)整及位置反饋方式的不同,也存在不同程度的差異,該矯直機(jī)輔助調(diào)整采用異步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力,通過旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)現(xiàn)位置反饋,構(gòu)成簡(jiǎn)單的位置閉環(huán)開關(guān)控制系統(tǒng),控制精度不高但完全滿足管棒材矯直工藝需要,本文不做詳細(xì)介紹。

圖 3 矯直工藝流程

圖 4 主電機(jī)控制框圖

表 1 電機(jī)參數(shù)與控制器參數(shù)換算

對(duì)于矯直機(jī)本體直流傳動(dòng)的控制,其控制精度直接關(guān)系到矯直機(jī)組矯直產(chǎn)品的質(zhì)量。因此其控制方案至關(guān)重要。該項(xiàng)目中采用 siemens公司經(jīng)過大量工程項(xiàng)目驗(yàn)證的具有高可靠性的 Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),并充分利用其強(qiáng)大,方便的編程軟件 Step7編程,有效方便地實(shí)現(xiàn)機(jī)組主傳動(dòng)裝置(6RA70)的實(shí)時(shí)同步調(diào)整。其具體實(shí)現(xiàn)形式為:在 Step7硬件組態(tài)時(shí),6RA70裝置通過 CBP2通訊板掛到 PLC為主站的 Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)上 (如網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D 2所示),由于在該矯直機(jī)主要關(guān)注速度的設(shè)定和速度實(shí)際值,因此采用 PPO3即 2PZD(PZ D:過程數(shù)據(jù),包括速度、控制字、狀態(tài)字、電流等信息),通過西門子 DP網(wǎng)絡(luò)通訊程序塊,將矯直速度、啟動(dòng)/停止等控制方式等數(shù)據(jù)發(fā)送給主電機(jī)傳動(dòng)控制裝置 6RA70,并同時(shí)將電機(jī)實(shí)時(shí)速度、電流等采集到 PLC控制中,通過上位機(jī)或儀表顯示,方便操作及工藝人員監(jiān)控。網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用保證了對(duì)裝置速度設(shè)定的同步與準(zhǔn)確性。而在6RA70裝置中,通過電機(jī)碼盤反饋,經(jīng)濾波,限幅處理,速度及電流控制器的 PI D調(diào)節(jié),形成負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng),其控制框圖如圖 4所示。通過整定 PI D參數(shù),保證了電機(jī)速度控制的準(zhǔn)確性,速度響應(yīng)的快速性和可靠性。

由于速度是通過 PLC換算,采用數(shù)字方式給到傳動(dòng)裝置中,因此不存在采用模擬量速度控制模式中的零點(diǎn)漂移和易于受環(huán)境干擾等問題。在該數(shù)字換算過程如表 1所示。

具體計(jì)算過程如下:如電機(jī)最高轉(zhuǎn)速設(shè)置為 1 500 r/min,則轉(zhuǎn)速為 0時(shí) 6RA70裝置對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)為 0,PLC對(duì)應(yīng)為 0;轉(zhuǎn)速 1 500 r/min時(shí)6RA70裝置對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)為 16 384,PLC對(duì)應(yīng)為27 648;轉(zhuǎn)速 800 r/min時(shí)則 6RA70裝置及PLC對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)如下計(jì)算。

6RA70數(shù)據(jù):(16 384-0) ÷1 500×800≈8 738

PLC數(shù)據(jù): (27 648-0)÷1 500×800≈14 746

因此需要設(shè)定 800 r/min時(shí),只需將 14 746給 PLC或?qū)?8 738直接傳送到 6RA70傳動(dòng)裝置中,由此推斷 6RA70傳動(dòng)裝置數(shù)據(jù)每增加 1則電機(jī)轉(zhuǎn)速百分比增量為 (1÷16 384)×100%=0.006 1%,電機(jī)轉(zhuǎn)速增量為 1 500×(1÷16 384)×100%=0.09 r/min,因此可以近似為無極調(diào)速。對(duì)于 PLC而言相應(yīng)的增加 1則百分比增量 =(1÷27 648)×100%=0.003 6%。類似的電流也存在這樣的對(duì)應(yīng)關(guān)系。綜上可得出無論 PLC數(shù)據(jù)還是 6RA70傳動(dòng)控制裝置數(shù)據(jù),每增加 1其被控量均可近似為無極變化。

結(jié)合此特點(diǎn),該矯直機(jī)除通過W inCC直接將矯直速度傳送到裝置外,還可通過開關(guān)量按鈕,采用類似于高級(jí)語言中自增自減的編程,進(jìn)行速度設(shè)定,以達(dá)到類似模擬無極調(diào)速的效果,具體實(shí)現(xiàn)方式主要程序段如圖 5所示。

圖 5 主電機(jī)速度設(shè)定程序段

該矯直機(jī)通過主操作臺(tái)扳把開關(guān),每個(gè)程序掃描周期速度給定 (變量名 DCSPEED)自增或自減固定步長(zhǎng)的量 (本項(xiàng)目根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要,步長(zhǎng)選定為 3,即每個(gè) PLC程序掃描周期速度增減量為0.018 3%,換算成轉(zhuǎn)速為 0.27 r/min),如果程序段直接寫在主程序 OB1中,則根據(jù)項(xiàng)目程序大小,PLC程序掃描周期有少許差別,但一般在ms級(jí),因此完全能滿足開關(guān)量控制實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速快速,準(zhǔn)確的需要。另外通過調(diào)整自增自減步長(zhǎng),可提升速度控制精度;在西門子 Step7編程軟件中,通過調(diào)用周期性中斷組織塊 (OB30～OB38),可確定自增自減周期,如在 OB38中完成開關(guān)量控制速度給定,其自增自減周期默認(rèn)為10 ms,也可方便的將該值設(shè)置成其他需要的時(shí)間周期,從而提高控制的快速性。

4 結(jié)束語

該控制方案在大小規(guī)格不同的兩條鈦合金管材矯直線中得到應(yīng)用。矯直機(jī)組參數(shù)如下:材質(zhì):鈦管、鈦合金管;規(guī)格:管材 φ60～φ140 mm(另一套機(jī)組 φ8～φ30 mm),壁厚范圍 1.5～8 mm;屈服極限:σS≤850 MPa;原始彎曲:≤20 mm/m;設(shè)計(jì)矯直線速度:10～30 m/min。據(jù)用戶反映,兩臺(tái)矯直機(jī)組及輔助設(shè)備運(yùn)行狀況良好,工藝設(shè)置方便,故障率低,在 W inCC基礎(chǔ)上開發(fā)的人性化工控機(jī)界面幫助下,故障排除快速、方便,工藝參數(shù)修改快捷,適應(yīng)性強(qiáng),產(chǎn)能穩(wěn)定,矯直精度≤0.8‰,矯直圓度滿足國(guó)標(biāo)規(guī)定的公差要求,矯直產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,為公司創(chuàng)造良好經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。該兩臺(tái)設(shè)備的成功應(yīng)用,說明西門子 Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及開關(guān)量近似無級(jí)調(diào)速控制方式是成功的,具有很強(qiáng)的實(shí)用性和較大的經(jīng)濟(jì)效益。

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