帶鋼廠液壓剪液壓站電氣控制設(shè)計①

余小勇

(南京鋼鐵股份有限公司帶鋼廠， 江蘇 南京　210035)

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帶鋼廠液壓剪液壓站電氣控制設(shè)計①

余小勇

(南京鋼鐵股份有限公司帶鋼廠， 江蘇 南京210035)

利用南京鋼鐵股份有限公司帶鋼廠現(xiàn)有4號液壓站西門子S7-200PLC為控制基礎(chǔ)，通過對電路和程序重新設(shè)計改造，實(shí)現(xiàn)用于控制液壓剪的新增液壓站電氣自動控制與故障報警功能，從而減少新增電氣控制柜投入，達(dá)到降本增效的目的。

液壓剪； 自動打壓與卸荷； 故障報警

引　言

南京鋼鐵股份有限公司帶鋼廠(以下簡稱“帶鋼廠”)4號液壓站原先主要用于給卷取區(qū)兩條生產(chǎn)線液壓剪、五輥張力機(jī)、助卷輥、卷取以及撥卷等液壓設(shè)備提供動力系統(tǒng)。隨著帶鋼廠品種鋼的開發(fā)和生產(chǎn)節(jié)奏的加快，兩臺液壓剪同時剪切所需流量為470 L/min；單臺液壓剪+卷取同時動作所需流量為355 L/min；2臺卷取同時動作所需流量為240 L/min等等，而系統(tǒng)可供總流量為362 L/min(泵170 L/min+蓄能器40×8×0.6 L/min)，且2條線共計13臺油缸，工作頻次較高，蓄能器無法充滿，可供油遠(yuǎn)低于(40×8×0.6 L/min)192 L/min，因此，系統(tǒng)可供流量低于362 L/min，泵站頻繁打壓，現(xiàn)場時常出現(xiàn)供油不足的情況，生產(chǎn)不能穩(wěn)定有序進(jìn)行，設(shè)備維護(hù)費(fèi)用高，故障頻發(fā)。

1　新建液壓站方案

經(jīng)過改造可行性方案分析可以看出，卷取區(qū)域液壓缸工作狀況使用流量較大的液壓設(shè)備主要集中于2臺液壓剪油缸，因此從投入成本角度考慮，異地新建獨(dú)立液壓泵站供2臺液壓剪使用方案較優(yōu)。在滿足系統(tǒng)需要的基礎(chǔ)上保持與原液壓站設(shè)備通用性，以達(dá)到盡量利用現(xiàn)有備件，節(jié)約成本，所以改造新建泵站參數(shù)為：液壓泵型號為PV2R3-116型葉片泵，電機(jī)型號為Y200L-4,30 kW,NXQ-40蓄能器8組，系統(tǒng)流量170 L/min，壓力5～8 MPa，油箱容積為2160 L。經(jīng)測算能滿足系統(tǒng)需求并且有較大的富余。

2　電氣系統(tǒng)設(shè)計實(shí)現(xiàn)

2．1電氣實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

利用對現(xiàn)有的西門子S7-200PLC硬件系統(tǒng)的擴(kuò)展和編程，實(shí)現(xiàn)可編程控制器對新增液壓站系統(tǒng)的電氣控制，要求如下：

(1)實(shí)現(xiàn)對液壓站系統(tǒng)自動打壓與卸荷功能，保證液壓系統(tǒng)壓力維持在5～8 MPa之間。新增液壓站系統(tǒng)采用的是“一用一備”兩個泵控制，由泵啟動按鈕啟動所選的工作泵后，通過壓力繼電器檢測系統(tǒng)壓力，如果系統(tǒng)壓力低于5 MPa，則工作泵對應(yīng)的電磁溢流閥得電打壓；當(dāng)壓力繼電器檢測到系統(tǒng)壓力高于8 MPa, 則工作泵對應(yīng)的電磁溢流閥失電卸荷。電磁溢流閥依照上述條件循環(huán)反復(fù)動作，從而保證液壓系統(tǒng)壓力維持在5～8 MPa之間。泵停止按鈕可以實(shí)現(xiàn)工作泵停止工作。

(2)在液壓站系統(tǒng)自動控制功能無法實(shí)現(xiàn)的情況下，系統(tǒng)可通過手動功能實(shí)現(xiàn)短時間持續(xù)打壓狀態(tài)，保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行。 當(dāng)壓力繼電器出現(xiàn)故障時系統(tǒng)將無法實(shí)現(xiàn)自動打壓與卸荷功能，為了臨時維持生產(chǎn)的順利進(jìn)行，可以通過人工調(diào)整電磁溢流閥的溢流值約在6 MPa左右，并用手動功能實(shí)現(xiàn)電磁溢流閥一直處于得電打壓狀態(tài)。但不能長時間工作，以防止電機(jī)一直處于過載狀態(tài)而燒毀。

(3)具有故障檢測、報警、查詢功能。

該系統(tǒng)具有液壓油溫高于60 ℃、液位高于-150 mm、液位低于-650 mm、吸油過濾器阻塞等故障的指示燈閃爍報警功能，如果發(fā)生液位低、開關(guān)跳閘等會直接影響到生產(chǎn)的故障信號，將通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程送到主控樓進(jìn)行聲響報警和WINCC報警查詢，以便維修人員及時處理故障。

2．2控制需求分析與硬件設(shè)計

PLC新增程序需實(shí)現(xiàn)新增液壓站自動狀態(tài)下打壓與卸荷功能，手動強(qiáng)制打壓以及故障報警功能，設(shè)計中對以上控制功能必需的信號進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)液壓站控制功能的特點(diǎn)，主要完成對PLC輸入、輸出點(diǎn)數(shù)的確定，如表1所示。

表1　PLC輸入、輸出信號

2.2.1輸入部分

(1)泵與電磁溢流閥控制開關(guān)按鈕輸入信號。 用于泵控制的信號有：泵選擇開關(guān)I2.4選3#泵、I2.5選4#泵，泵啟動按鈕信號I2.6, 泵停止按鈕信號I2.7。用于手動狀態(tài)下強(qiáng)制電磁溢流閥打壓的動作信號有：3#泵對應(yīng)的3#電磁溢流閥3DT手動開關(guān)信號I1.3，4#泵對應(yīng)的4#電磁溢流閥4DT手動開關(guān)信號I1.4。

(2)液壓系統(tǒng)運(yùn)行與故障報警信號檢測。用于控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動打壓與卸荷動作的檢測元件壓力繼電器信號：油壓高于8 MPa動作信號I2.0, 油壓低于5 MPa動作信號I2.1。通過主回路交流接觸器是否吸合來判斷液壓泵已運(yùn)行的信號有：3#泵已工作I3.2，4#泵已工作I3.3。用于液壓系統(tǒng)的故障報警檢測的信號有：電源開關(guān)聯(lián)鎖I1.5，液位高I2.2, 液位低I2.3，油溫高I3.0，過濾器阻塞I3.1。

2.2.2輸出部分

(1)泵與電磁溢流閥輸出控制，3#泵、4#泵的輸出控制是由PLC輸出點(diǎn)Q5.0、Q5.1驅(qū)動繼電器控制主回路交流接觸器的吸合完成電機(jī)運(yùn)行。3#、4#電磁溢流閥的輸出控制由PLC輸出點(diǎn)Q5.2、Q5.3驅(qū)動繼電器控制電磁溢流閥線圈得電動作。

(2)液壓系統(tǒng)運(yùn)行及故障報警指示燈顯示：油溫高燈顯Q4.2、油位低燈顯Q4.3、油位高燈顯Q4.4、過濾器阻塞燈顯Q4.5、3#泵燈顯Q4.6、4#泵燈顯Q4.7。

通過分析，可以得出程序?qū)崿F(xiàn)需使用15個輸入和10個輸出，原液壓站使用的西門子S7-200PLC的PLC剩余3個輸入和8個輸出，所以現(xiàn)有PLC輸入、輸出點(diǎn)不能滿足需求。又查該P(yáng)LC類型是CPU224 1.22版可擴(kuò)展7個模塊，已經(jīng)使用了3個模塊，還可以再加輸入模塊EM221和輸入輸出模塊EM223，這樣輸入點(diǎn)增加到15個、輸出點(diǎn)增加到12個，可以滿足系統(tǒng)需求。系統(tǒng)的PLC配置示意圖如圖1～3所示。

圖1　舊圖基礎(chǔ)上新增部分1(虛線)

圖2　 舊圖基礎(chǔ)上新增部分2(虛線)

圖3　新增EM221和EM223配置圖

2．3邏輯分析與程序設(shè)計

確定系統(tǒng)的硬件設(shè)計后，根據(jù)液壓站系統(tǒng)的控制設(shè)計要求，對各個輸入、輸出的邏輯關(guān)系進(jìn)行分析，完成系統(tǒng)程序的編寫。

2.3.1液壓泵啟動與停止程序的邏輯分析

液壓泵啟動與停止程序如圖4所示，由泵選擇開關(guān)選擇3#泵或4#泵工作，然后通過泵啟動按鈕實(shí)現(xiàn)泵啟動運(yùn)行，泵停止按鈕實(shí)現(xiàn)泵停止運(yùn)行。

2.3.2液壓系統(tǒng)自動打壓與卸荷、手動打壓等功能實(shí)現(xiàn)邏輯分析

液壓系統(tǒng)自動打壓與卸荷、手動打壓程序如圖5所示，以3#泵工作分析液壓系統(tǒng)的邏輯控制，電磁溢流閥3DT得電實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的打壓控制。在手動I1.3狀態(tài)下可優(yōu)先使電磁溢流閥3DT動作，并可在3#泵停止時檢測電磁溢流閥3DT回路有無問題。在自動狀態(tài)下，3#泵必須運(yùn)行后由壓力繼電器的油壓高、低信號切換控制電磁溢流閥3DT循環(huán)動作，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的自動打壓與卸荷功能。為防止電源開關(guān)跳閘后，系統(tǒng)因檢測不到油壓高的信號一直處于打壓狀態(tài)， 在程序控制中加入了電源開關(guān)跳閘連鎖信號，保證系統(tǒng)在發(fā)生電源開關(guān)跳閘后一直處于卸荷狀態(tài)。

2.3.3液壓系統(tǒng)故障的遠(yuǎn)程聲響報警功能及WINCC人機(jī)界面的實(shí)現(xiàn)

帶鋼廠4號液壓站的S7-200PLC依靠EM277通訊模塊通過PROFIBUS網(wǎng)與遠(yuǎn)端主控樓S7-400PLC相連。這樣S7-200PLC的V變量與S7-400的組態(tài)輸入、輸出信號就建立了一一對應(yīng)關(guān)系如下：V4.0<->I128.0、V4.1<-> I128.1、V4.2<-> I128.1，在S7-400程序中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障聲響報警功能，然后S7-400通過以太網(wǎng)通訊將故障信號送入WINCC系統(tǒng)用于報警記錄和查詢，如圖6～8所示。

圖4　液壓泵啟動與停止程序

圖5　液壓系統(tǒng)自動打壓與卸荷、手動打壓程序

圖6　S7-200將故障信號傳送給S7-400

圖7　S7-400將故障信號傳送給WINCC

圖8　在 WINCC故障報警記錄中添加報警信號

2．4電氣主回路設(shè)備選型與設(shè)計

電氣主回路主要是為液壓泵的電機(jī)運(yùn)行提供供電系統(tǒng)，由空氣開關(guān)、交流接觸器組成；空氣開關(guān)實(shí)現(xiàn)主回路的短路保護(hù)和過流保護(hù)，交流接觸器用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。從設(shè)備的通用互換性考慮，新站與舊站使用了同一型號液壓泵電機(jī)，因此電氣設(shè)備選型可參考舊站。新增液壓站電氣主回路圖如圖9所示。

主回路空氣開關(guān)：60 A×1.3=78 A(其中60 A為30 kW電機(jī)估算負(fù)載電流，舊液壓站30 kW電機(jī)實(shí)測啟動電流為60 A，工作電流為35 A)，選額定電流為80 A的空氣開關(guān)，型號為DZ20Y-100/3300 80 A，同時主回路交流接觸器也相應(yīng)的選取額定電流為80 A，型號為施耐德LC1D80M7C 線圈電壓220 V。

主回路電纜：80 A電流必須選取10 mm2以上的電纜，故主回路電纜選16 mm2銅芯電纜。

2．5電氣控制回路設(shè)計

新增液壓站電氣控制回路圖a(如圖10所示)包括液壓站各種檢測輸入信號和PLC輸出點(diǎn)驅(qū)動繼電器用于控制 3#泵、 4#泵工作的交流接觸器線圈。為了輸入檢測信號的穩(wěn)定可靠故柜外現(xiàn)場采用220V電源，進(jìn)入柜內(nèi)經(jīng)過220V繼電器線圈隔離，再采集繼電器觸點(diǎn)動作信號送入PLC輸入點(diǎn)，避免控制柜外線路接地引起控制柜內(nèi)PLC輸入端電源故障。新增液壓站電氣控制回路圖b(如圖10所示)是PLC輸出點(diǎn)驅(qū)動繼電器直接控制電磁溢流閥工作，其電磁溢流閥線圈由單獨(dú)24 V電源模塊供電。從方便故障處理的方面考慮，繼電器選用可插拔式，其繼電器底座型號為歐姆龍MY4IN-D2，繼電器型號為歐姆龍MY2NJ，220 V或24 V。

3　實(shí)際應(yīng)用與改進(jìn)方法

該設(shè)計電路實(shí)施應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)以后能滿足生產(chǎn)的控制需要，但也遇到了一些難題。由于液壓剪剪切時所需的流量大，常常使系統(tǒng)壓力瞬間降低到5 MPa以下，導(dǎo)致壓力繼電器的低壓點(diǎn)不動作、系統(tǒng)不打壓的故障發(fā)生。通過現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)壓力從油壓高點(diǎn)8MPa不打壓后如果液壓剪剪切3次， 系統(tǒng)的壓力將降低至4 MPa左右。為此在程序中增加了液壓剪從油壓高信號動作后剪切計數(shù)3次發(fā)一個自動打壓的脈沖信號，以防止壓力繼電器低另外，考慮到延長繼電器的使用壽命和提高電氣回路的可靠性，所有繼電器觸點(diǎn)由原來單獨(dú)使用改為雙并后使用。

圖9　新增液壓站電氣主回路圖

壓點(diǎn)失靈后引起系統(tǒng)不打壓故障的發(fā)生。經(jīng)過程序的改進(jìn)后未再發(fā)生系統(tǒng)自動控制中不打壓的故障，從而通過軟件控制解決了硬件故障的難題。程序如圖12所示。

圖10　新增液壓站電氣控制回路圖a

圖11　新增液壓站電氣控制回路圖b

圖12　新增液壓站自動控制改進(jìn)程序

4　結(jié)束語

經(jīng)過3年多的運(yùn)行情況表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了新增液壓站電氣自動控制的目標(biāo)，滿足了生產(chǎn)的實(shí)際需求，減少了新增電氣柜成本投入，達(dá)到降本增效的初衷。同時在電氣回路設(shè)計的可靠性、經(jīng)濟(jì)性以及出現(xiàn)故障時可以靈活處理問題等方面積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

[1]仲明振.電氣傳動自動化技術(shù)手冊(第3版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2]賈德勝.PLC應(yīng)用開發(fā)實(shí)用子程序[M].北京：人民郵電出版社，2006.

2016-05-21

余小勇(1977—)，男，工程師

TG333.2+1; TP273+.5