西門子S7-200 PLC在焊縫滾壓設(shè)備中的應(yīng)用*

李天真，童嘉陽，慎建民

(1.湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 湖州 313000;2.諾丁漢大學(xué)，英國 諾丁漢 ng72rd;3.久立集團(tuán)股份有限公司，浙江 湖州 313000)

不銹鋼焊管在材質(zhì)和力學(xué)性能方面都要優(yōu)于不銹鋼無縫管，但不銹鋼焊管內(nèi)、外焊縫余高，特別是內(nèi)焊縫余高的去除問題一直困擾著不銹鋼焊管生產(chǎn)企業(yè)。根據(jù)ASTM-A249標(biāo)準(zhǔn)須對(duì)整管或僅對(duì)焊縫進(jìn)行余高去除處理，雖然有內(nèi)置刮刀或內(nèi)磨裝置等去除辦法，但實(shí)際使用效果并不理想，特別是對(duì)一些薄壁管，去除效果更是無法達(dá)到企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量控制要求［1-2］，而在化工或電站換熱器用焊管的生產(chǎn)過程中，需對(duì)管子端部進(jìn)行脹管，如果脹管過程中內(nèi)焊縫有余高過大就無法進(jìn)行?，F(xiàn)在焊縫冷軋?zhí)幚硪殉蔀槊绹腹苤圃焐痰臉?biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)方式。

本公司擁有10多條生產(chǎn)大型電站、鍋爐換熱器用焊管的自動(dòng)化生產(chǎn)線，其中三條配備進(jìn)口的焊縫滾壓設(shè)備，對(duì)管材的縱向焊縫進(jìn)行處理，但其調(diào)試?yán)щy，故障率高，維修難;而其它的生產(chǎn)線尚無配置此類設(shè)備。因此，為滿足生產(chǎn)需要，利用西門子S7-200 PLC和EasyView觸摸屏為主要控制核心研發(fā)適合本公司生產(chǎn)線的焊縫滾壓設(shè)備便成為當(dāng)務(wù)之急。

1 焊縫滾壓設(shè)備簡介

焊縫滾壓設(shè)備主要由軋輥、內(nèi)芯棒、液壓氣動(dòng)系統(tǒng)、電液氣控制系統(tǒng)和內(nèi)外焊縫整平機(jī)架等組成。其中，滾壓輥組成如圖1所示，在機(jī)架前裝有一對(duì)導(dǎo)向輥用于焊縫糾偏，保證焊接后的焊縫位于正上方。水平輥安裝于往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)架上，其上有一對(duì)上下方式安裝的軋輥，下軋輥固定，上軋輥由液壓缸拖動(dòng)可作上下運(yùn)動(dòng)。立輥裝于下機(jī)架上，位于水平輥后面，用于管子復(fù)圓。

圖1 滾壓輥組成簡圖

在管子中間有一個(gè)芯棒，利用氣缸通過鋼絲繩牽引可以將它往回拉，通過軋制小車的水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)和上軋輥的上下動(dòng)作，從而完成對(duì)焊縫的冷軋?zhí)幚怼?/p>

2 焊縫滾壓處理工作流程

帶有內(nèi)、外焊縫余高的不銹鋼焊管經(jīng)過導(dǎo)向輥糾偏后，使焊縫位于正上方;再經(jīng)由水平輥滾壓后，內(nèi)、外焊縫余高被去除，焊管截面成為一個(gè)橢圓，而芯棒在焊管內(nèi)被卡住跟隨焊管前行，經(jīng)后面的立輥擠壓后，變成正圓，芯棒與管子分離并在機(jī)架返回時(shí)被氣缸拉回到適當(dāng)位置，進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)［3］。其工作過程如圖2所示。

圖2 焊縫滾壓工作過程流程框圖

根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，在整個(gè)機(jī)架向前運(yùn)動(dòng)的行程內(nèi)，要求其中的一段作為有效的滾壓行程［4］，滾壓行程可根據(jù)滾壓效果調(diào)節(jié)，也就是圖2中下壓點(diǎn)和提輥點(diǎn)之間的行程;滾壓速度能夠根據(jù)不同的焊接速度進(jìn)行調(diào)節(jié);在滾壓行程的頭尾，均有加速、減速的過程，且其加速度大小可分別進(jìn)行調(diào)節(jié)。在滾壓行程結(jié)束后，滾壓機(jī)架回到起始點(diǎn)，在回程的頭尾，也有加、減速的過程，并且其加速度大小也可分別進(jìn)行調(diào)節(jié)。機(jī)架運(yùn)動(dòng)速度曲線如圖3所示。

圖3 機(jī)架運(yùn)動(dòng)速度曲線

圖中:軋制加、減速度是根據(jù)觸摸屏設(shè)置的加、減速時(shí)間值(由設(shè)置的死區(qū)值加速至滾壓速度或減速至比例閥閾值A(chǔ))進(jìn)行計(jì)算得到;同理，回程加速和回程減速也可用同樣方法得到。傳感器1、傳感器2和傳感器3的位置可以在一定的范圍內(nèi)調(diào)整，以期得到最佳的滾壓效果。

針對(duì)電磁閥的特性，設(shè)置兩個(gè)閾值，如圖3中閾值A(chǔ)和閾值B，其大小可根據(jù)不同的電磁閥分別設(shè)置，在電磁閥換向時(shí)，加速過程從正向閾值開始，減速過程在反向閾值結(jié)束［5］，以期得到電磁閥的快速響應(yīng)，克服電磁閥的死區(qū)。

3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

采用西門子S7-200CPU+EM235模擬量輸入輸出模塊和EasyView觸摸屏為控制核心設(shè)計(jì)焊縫滾壓設(shè)備的PLC控制系統(tǒng)。

S7－200CPU有二組通訊口Port0和Port1，Port0口作為與計(jì)算機(jī)的通訊口，編程和維護(hù)用，Port1口作為與人機(jī)界面的通訊口，同時(shí)其自帶的開關(guān)量I/O輸入輸出點(diǎn)正好滿足系統(tǒng)要求，不需要增加數(shù)字量擴(kuò)展模塊。

EM235模擬量輸入輸出模塊共有四組模擬量輸入和一組模擬量輸出。根據(jù)操作者的習(xí)慣，用兩個(gè)10kΩ線性電位器作為軋制速度和回程速度設(shè)定值的模擬量輸入，分別用來設(shè)置軋制速度和回程速度，并能夠在HMI界面中顯示;模擬量輸出作為液壓比例閥控制放大器的輸入，控制機(jī)架的運(yùn)行速度。

用歐姆龍接近開關(guān)作行程頭尾和軋制有效行程的傳感器，其位置可在一定范圍內(nèi)調(diào)整。

EsayView的觸摸屏內(nèi)置有與S7－200PLC的通訊驅(qū)動(dòng)程序，因此，可以很方便地實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面與PLC的通訊。人機(jī)界面用EasyBuilder500組態(tài)，在其上面設(shè)置各個(gè)加減速時(shí)間、電磁比例閥控制死區(qū)值等參數(shù)、各個(gè)信號(hào)的狀態(tài)顯示、報(bào)警信息等。在用EasyBuilder500組態(tài)時(shí)，只要將所需數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)即可。在組態(tài)時(shí)特別要注意數(shù)據(jù)格式的一致性，在數(shù)據(jù)通訊時(shí)，小數(shù)點(diǎn)需在PLC程序中處理。PLC與人機(jī)界面的通訊線可采用普通網(wǎng)線或普通4芯屏蔽線。

圖4 控制系統(tǒng)硬件框圖

其電氣硬件系統(tǒng)框圖如圖4所示。其中:PLC模擬量輸出-10V－+10V電壓信號(hào)給一個(gè)電磁閥比例放大器，利用該放大器驅(qū)動(dòng)一個(gè)比例換向電磁閥，而電磁閥控制液壓缸拖動(dòng)軋制小車作水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其速度可由設(shè)定電位器(10kΩ線性電位器)調(diào)節(jié)，在換向時(shí)設(shè)置一定的初始加、減速度。

3.2 PLC 算法實(shí)現(xiàn)

3.2.1 PLC的輸入輸出變量 EM235模擬量輸入輸出模塊有4路模擬量輸入和1路模擬量輸出。在西門子S7-200PLC中，單極性模擬量輸入/輸出的數(shù)據(jù)格式為0-32000，精度為12位;雙極性模擬量輸入/輸出數(shù)據(jù)格式為－32000－+32000(電壓輸出)，精度為11位［6］，能夠滿足焊縫滾壓設(shè)備的速度設(shè)定和運(yùn)行速度控制輸出的精度要求。相應(yīng)的模擬量輸入/輸出分配如表1所示。

表1 滾壓速度設(shè)定和控制輸出模擬量分配表

3.2.2 程序結(jié)構(gòu) S7-200PLC主程序主要完成系統(tǒng)上電初始化、系統(tǒng)自檢、觸摸屏通訊參數(shù)初始化、參數(shù)計(jì)算等主要功能。當(dāng)系統(tǒng)檢測到中斷信號(hào)時(shí)分別相應(yīng)的中斷子程序，包括:軋制加速中斷程序、軋制減速中斷程序、回程加速中斷程序和回程減速中斷程序，完成計(jì)算軋制加速、軋制減速、回程加速和回程減速的步進(jìn)量計(jì)算。主程序流程圖如圖5所示:

圖5 主程序流程框圖

4 PLC輸出控制時(shí)序圖

根據(jù)焊縫滾壓設(shè)備的工作流程，利用示波器測量控制系統(tǒng)邏輯控制輸出、模擬量輸出值與圖6是完全一致的。

①軋輥下壓閥在軋制速度加速到設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)，檢測到傳感器2信號(hào)時(shí)關(guān)閉;

②軋輥抬升閥在下壓閥結(jié)束后開始啟動(dòng)，定時(shí)一定時(shí)間后關(guān)閉;

③芯棒拉出閥在上升閥關(guān)閉后啟動(dòng)，在回程結(jié)束后關(guān)閉。

此時(shí)序圖為正常啟動(dòng)時(shí)的波形圖，即軋制小車停在原點(diǎn)位，如不在原點(diǎn)位置，小車在啟動(dòng)后將自動(dòng)尋找原點(diǎn)或手動(dòng)將小車停在原點(diǎn)后轉(zhuǎn)為自動(dòng)控制。

圖6 PLC控制輸出時(shí)序圖

5結(jié)語

該控制系統(tǒng)充分發(fā)揮了S7-200的優(yōu)異性能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，運(yùn)行可靠穩(wěn)定，操作維護(hù)簡單方便，且造價(jià)低廉。在生產(chǎn)線上運(yùn)用后，取得了良好的效果，目前已制作了10臺(tái)套，其中一臺(tái)用于進(jìn)口輥軋?jiān)O(shè)備的改造，完全能夠滿足生產(chǎn)工藝要求，節(jié)省了設(shè)備的購買成本，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。更為重要的是，由于是自己設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，在使用上更能適合本公司的生產(chǎn)工藝，在以后的維護(hù)上也更為方便。

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