直縫焊管水沖洗設(shè)備的電氣設(shè)計(jì)概要

黃國(guó)華 劉尚 王曉璐

摘 要本文簡(jiǎn)述了中冶遼寧德龍鋼管有限公司水沖洗設(shè)備的電氣構(gòu)成和工藝流程。重點(diǎn)闡述系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)和系統(tǒng)控制編程的要點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】水沖洗 恒壓供水 一拖二控制 變頻器 PLC

1 引言

我廠是大口徑直縫鋼管生產(chǎn)企業(yè)，年產(chǎn)量30萬噸ERW直縫鋼管。鋼管生產(chǎn)中，內(nèi)毛刺伴隨著鋼管的產(chǎn)出而出現(xiàn)的。國(guó)內(nèi)直縫鋼管企業(yè)多采用傳統(tǒng)的內(nèi)毛刺清理---靠人工拉拽。通常連續(xù)作業(yè)在二十分鐘左右拉拽一次，每次大概拉出百余米的內(nèi)毛刺。我廠投產(chǎn)初期，也采用上述方法，四個(gè)月里出現(xiàn)三起內(nèi)毛刺劃傷事故。為解決該問題，設(shè)計(jì)一套處理內(nèi)毛刺方案。增加一臺(tái)斬?cái)鄼C(jī)和一套水沖洗設(shè)備，斬?cái)鄼C(jī)安裝在高頻焊機(jī)后，用來斬?cái)噤摴苤械膬?nèi)毛刺，使其成10CM長(zhǎng)的短毛刺。在鋼管下線處安裝一個(gè)水沖洗設(shè)備，用來沖洗管內(nèi)的內(nèi)毛刺和雜物。通過兩年多的運(yùn)行證明，效果非常的完好。其中水沖洗設(shè)備是自行設(shè)計(jì)，這里重點(diǎn)論述電氣部分。

2 系統(tǒng)的組成及電氣控制概要

2.1 硬件配置

系統(tǒng)采用1臺(tái)西門子S7-216型PLC做為主站和1臺(tái)S7-214分站、4塊西門子EM223I/O擴(kuò)展模塊、1塊西門子EM235模塊、1臺(tái)西門子MM430變頻器、1臺(tái)西門子MM440變頻器、2個(gè)電控氣動(dòng)閥、12個(gè)電磁閥、2個(gè)壓力變送器。

2.2 系統(tǒng)組成

水沖洗設(shè)備主要有四部分組成：鋼管傳送裝置、水路系統(tǒng)、油路系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。鋼管傳送裝置負(fù)責(zé)鋼管的進(jìn)出傳送，水路系統(tǒng)負(fù)責(zé)產(chǎn)生高壓水流清洗管內(nèi)雜物，油路系統(tǒng)負(fù)責(zé)鋼管的攔截和升降，控制系統(tǒng)以PLC為核心負(fù)責(zé)整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行。供電包括一個(gè)PLC柜、兩個(gè)變頻交流柜和一個(gè)操作臺(tái)，供電概況如圖1所示。

2.3 電氣控制概要

2.3.1 鏈臺(tái)電機(jī)控制

電機(jī)功率為37.5KW。為滿足主機(jī)線的不同速度，采用變頻控制。速度可調(diào)、電機(jī)行走的步長(zhǎng)可調(diào)。步長(zhǎng)的實(shí)現(xiàn)是通過減速機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝等弧度葉輪，靠近葉片安裝接近傳感器，通過PLC編程就可以控制電機(jī)移動(dòng)的位移。這樣每接收一個(gè)鋼管信號(hào)，鏈臺(tái)移動(dòng)一定的步長(zhǎng)。

2.3.2 沖水小車控制

主要是沖水小車上的高壓水槍對(duì)準(zhǔn)鋼管的調(diào)節(jié)。沖水小車的前進(jìn)后退電機(jī)和上升下降電機(jī)的控制，滿足了不同管徑及不同長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)。

2.3.3 起升機(jī)構(gòu)控制

主要是油路的控制，液壓系統(tǒng)主要來源于車間平頭輥道的液壓站。采用無觸點(diǎn)繼電器控制。起升機(jī)構(gòu)主要由六個(gè)相同液壓的升降旋轉(zhuǎn)輥組成，由傳感器限定起升高度，起升后沿水流方向成一定的角度，有利于沖洗效果。液壓馬達(dá)左右可旋轉(zhuǎn)。

2.3.4 恒壓供水控制

為保證恒壓供水采用獨(dú)立的供水系統(tǒng)，水罐的容積3.5立方米，水氣混合充有2/3的氣和1/3的工業(yè)水（或鹵化液）。氣由廠房集中提供0.5～0.6Mpa，兩臺(tái)水泵的控制是一拖二變頻控制。水的雜質(zhì)多，對(duì)泵的選擇原則是按介質(zhì)，揚(yáng)程，流量選擇。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇7.5KW水泵電機(jī)。

3 簡(jiǎn)述控制流程要點(diǎn)及運(yùn)行方式

3.1 控制流程

PLC每次接收到下線鋼管信息后，驅(qū)動(dòng)鏈臺(tái)電機(jī)以一定的步長(zhǎng)運(yùn)行。當(dāng)水沖洗設(shè)備滿足沖洗條件時(shí)，鏈條臺(tái)上的鋼管被檢測(cè)到后，由擋料器攔截再由升降旋轉(zhuǎn)輥以一定角度托起鋼管，到位后旋轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)高壓水槍打開，沖洗開始。沖洗的同時(shí)擋料器下降，當(dāng)沖洗結(jié)束升降旋轉(zhuǎn)輥下降，鏈條運(yùn)走鋼管。此時(shí)等待下一個(gè)循環(huán)的開始。程序控制如圖2所示。

水沖洗運(yùn)行的條件是系統(tǒng)的液壓站，空壓站，恒壓供水首先正常運(yùn)行。

3.2 運(yùn)行方式

有手動(dòng)、半自動(dòng)和自動(dòng)三種方式。

（1）手動(dòng)運(yùn)行用于系統(tǒng)檢修或調(diào)試時(shí)測(cè)試系統(tǒng)各部分是否正常。

（2）半自動(dòng)運(yùn)行用于對(duì)一根鋼管的沖洗。當(dāng)需要沖洗的鋼管由鏈條托運(yùn)到水沖洗工位，按半自動(dòng)按扭，系統(tǒng)完成對(duì)鋼管的一次水沖洗循環(huán)。無論手動(dòng)還是半自動(dòng)，供水環(huán)節(jié)1#、2#泵在變頻器的控制下分別運(yùn)行，同時(shí)PID控制發(fā)揮作用，水罐壓力不會(huì)超過設(shè)定壓力。

（3）自動(dòng)運(yùn)行用于對(duì)大量鋼管沖洗需要。當(dāng)水沖洗滿足自動(dòng)條件下，選擇自動(dòng)運(yùn)行。各機(jī)構(gòu)在PLC為核心互相連鎖，以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)沖洗狀態(tài)。水罐里的水氣始終保持平衡狀態(tài)，保證連續(xù)高壓出水。

4 程序設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 沖水時(shí)間的設(shè)定

可由操作者根據(jù)不同的管長(zhǎng)（6～18米）選擇不同的沖水時(shí)間6秒、8秒、10秒、12秒。硬件選擇上可用自鎖選扭。根據(jù)用戶需求也可選用西門子tp270觸屏，系統(tǒng)有“主界面”、“報(bào)警”、“參數(shù)設(shè)定”等界面。

4.2 恒壓供水控制的流程圖

如圖3，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是基于西門子PLC.S7-200和變頻器共同作用，實(shí)現(xiàn)一拖二控制兩臺(tái)水泵的恒壓供水。

4.3 通訊

通訊網(wǎng)絡(luò)是通過兩芯屏蔽雙絞電纜進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)的。S7-226型PLC有2組通訊口。一組P0通訊口與S7-224型PLC通訊，采用MODBUS 協(xié)議；另一組P1通訊口與兩臺(tái)變頻器通訊，采用西門子的USS協(xié)議。

4.3.1 PLC主從控制

S7-226為主S7-224為從的主從控制方式。對(duì)于MODBUS通訊， 主站側(cè)需要程序庫 "MBUS_CTRL" 和 "MBUS_MSG"， 從站側(cè)需要程序庫 "MBUS_INIT" and "MBUS_SLAVE"。

4.3.2 變頻器的控制

利用S7-200的USS通訊協(xié)議技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)地控制，控制變頻器的啟動(dòng)，停止，故障報(bào)警，故障復(fù)位等。不僅節(jié)省硬線連接，而且提高變頻器的可靠運(yùn)行。通訊線采用屏蔽交質(zhì)線，PLC和變頻器波特率設(shè)置都是19200 kbps ，變頻器主要參數(shù)設(shè)置如表1。

4.3.3 壓力信號(hào)采集和恒壓控制

系統(tǒng)由一只量程為0～1.0Mpa的壓力變送器檢測(cè)水罐的氣體壓力和一只量程為50Kpa的壓差變送器檢測(cè)水罐液位高度。壓力變送器將檢測(cè)到的氣體壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20mA的電流信號(hào)，送到PLC的模擬量模塊（EM235），通過PLC內(nèi)部的PID運(yùn)算，對(duì)高壓水罐氣體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制進(jìn)氣或排氣。氣體控制采用階躍控制方式。壓差變送器將檢測(cè)到的液位壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20mA的電流信號(hào)，送到PLC的模擬量模塊（EM235），把檢測(cè)到的壓力信號(hào)作為反饋值與PID運(yùn)算的壓力設(shè)定值進(jìn)行比較，再經(jīng)過PID運(yùn)算得到調(diào)節(jié)后的修正值，通過模擬量輸出到變頻器的AIN1+，AIN1-（X3/X4引腳），作為變頻器的頻率控制信號(hào)，由于該信號(hào)是相對(duì)變頻器工作頻率上限的百分比，所以變頻器將輸入信號(hào)進(jìn)行內(nèi)部運(yùn)算后轉(zhuǎn)為真實(shí)工作頻率。液位PID閉環(huán)反饋控制原理如圖4。

4.3.4 變頻和工頻切換電路的控制

變頻和工頻切換電路是通過PLC控制接觸器，來完成切換。應(yīng)用變頻器一拖二技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了由一臺(tái)變頻器控制兩臺(tái)電機(jī)的技術(shù)。變頻器一拖二供水的編程控制思路：系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，1#泵在PID作用下變頻運(yùn)行，當(dāng)變頻已經(jīng)達(dá)到50Hz，運(yùn)行10秒后水罐水位反饋信號(hào)仍沒達(dá)到要求，此時(shí)通過接觸器1#泵由變頻供電迅速切換成工頻供電，完成由1#泵變頻轉(zhuǎn)換工頻過程，此時(shí)變頻器再啟動(dòng)2#泵，當(dāng)水位達(dá)到要求時(shí)，1#泵工頻停止，2#泵變頻低速運(yùn)行維持水位高度；當(dāng)水位又低于規(guī)定的水位時(shí)，2#泵在PID作用下變頻達(dá)到50Hz，運(yùn)行10秒后水罐水位反饋信號(hào)仍沒達(dá)到要求，此時(shí)通過接觸器2#泵由變頻供電迅速切換成工頻供電，完成由2#泵變頻轉(zhuǎn)換工頻過程，變頻器再啟動(dòng)1#泵，周而復(fù)始。

注意事項(xiàng)：系統(tǒng)中水泵電機(jī)的變頻到工頻切換時(shí)，為防止變頻器缺載產(chǎn)生報(bào)警錯(cuò)誤，采取先停變頻再切換，后再啟動(dòng)變頻的過程。為了系統(tǒng)的快速響應(yīng)，切換時(shí)間越短越好。本系統(tǒng)要求切換時(shí)間差0.5秒，所以各個(gè)泵的變頻接觸器與工頻接觸器應(yīng)選擇互鎖接觸器，電氣線路與PLC程序中也有互鎖功能，以免發(fā)生意外短路事故，也防止系統(tǒng)反向送電造成變頻器燒毀。

5 結(jié)束語

利用一拖二變頻技術(shù)，較好的解決了恒壓供水。使水沖洗設(shè)備獨(dú)立的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼管自動(dòng)化的沖洗?，F(xiàn)場(chǎng)衛(wèi)生環(huán)境也得到改善。內(nèi)毛刺得到集中的回收，避免了內(nèi)毛刺帶來的危害。沖水時(shí)間的優(yōu)化選擇，也一定程度減少了設(shè)備運(yùn)行的時(shí)間。水沖洗設(shè)備經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行證明，完全符合生產(chǎn)要求，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了無人值守的全自動(dòng)沖洗，有推廣的價(jià)值。

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作者單位

中冶遼寧德龍鋼管有限公司 遼寧省鞍山市 114031