西門子 PLC及 PROFIBUSDP網絡在管棒材矯直機中的應用

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已普遍的應用于管棒材生產線上。世界上工業發達國家的管棒材矯直機品種多,規格大,水平高。20世紀 80年代以前,我國管棒材矯直機與之相比較為落后,不僅品種單調,而且矯直精度一般為4‰～6‰,有的精度甚至更低,不能滿足生產需要。80年代以后,開始引進一些先進的矯直機,如上海第五鋼鐵廠,湖北大冶鋼廠從英國布朗克斯公司引進的二輥滾光矯直機;寶雞鋼管廠從原西德引進的用于 φ426直縫焊管矯直的多輥式矯直機等,這些先進矯直機的引進,推動了我國矯直機技術的發展。

本文介紹廣泛應用于航空航天工業的鈦及鈦合金管棒材的七輥矯直機的電控系統設計。

2 電氣設計

該七輥矯直機由上料系統、矯直機本體、下料系統和電氣控制系統等組成。本體采用封閉框架,立式結構;主傳動采用直流無級調速;輥縫及矯直角采用電動調整;上下料系統設有儲料臺、撥料、擋料等機構,管棒材輸送采用交流變頻傳動。其電氣系統單線圖如圖 1所示。

矯直機組的電氣設計的難點主要集中在矯直機本體的直流傳動設計上。主要涉及到機組速度同步性的可靠保證,其控制的好壞直接關系到矯直機的矯直精度。

七輥矯直機的矯直輥布置一般有:3-3-1或 2-2-2-1結構,上下分組,通過萬向連接軸及變速箱采用兩臺功率相同的直流電機拖動。由矯直機的矯直原理可知,為了保證矯直精度及提高管棒材的成材率,除了機械部分的變速箱,輥型等設計至關重要外,兩臺直流電機的傳動設計和調試也相當關鍵。如果矯直機上、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,這樣不能平衡產品表面應力和有效消除殘余應力,達不到矯直管棒材的目的,可能還會出現越矯越彎,越矯越扁的現象,甚至會因為長期扭曲力過大對設備造成損害,降低設備使用壽命。

圖 1 管棒材矯直機電氣系統單線圖

該矯直機矯直輥布置為 2-2-2-1結構,矯直輥傳動通過直流電機拖動減速機經分配箱(1入 3出型),3條萬向連接軸帶動矯直輥工作,最后一個輥為自由輥。矯直輥角度調整采用絲杠調節定位,壓下機構采用定位復合螺母方式。因此在機械結構穩定的情況下,矯直速度完全取決于電機轉速的控制,因此電機速度控制成為矯直精度和質量的重要保障,因而在電氣設計時需重點考慮速度給定,以保證主傳動電機速度的同步性。通常情況下采用公用一個速度給定的方式,其具體實現方式有兩種:一是通過同一個電位計將速度給定直接給到兩直流傳動裝置;二是利用功能強大,可靠性及同步性好的網絡技術,將傳動裝置和 PLC同時掛到網絡上,通過其可方便將給定送到裝置上。對于前一種方式,無論是采用電位計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;而隨著網絡技術的發展,西門子 profibus-DP網絡總線循環時間 1 ms,波特率高達 12Mbit/s,其反應迅速快,傳輸精度高,抗干擾能力強,且調試方便,故被大量應用。

為了有效集成下位機、上位機及傳動裝置,并充分利用網絡通訊的優勢,在考慮可靠、實用、簡便、經濟等因素的前提下,本矯直機主要選用德國 siemens公司成熟的工控產品,下位控制器采用 S7-300 PLC,主傳動直流調速裝置為6RA70裝置,上、下料輔助交流變頻傳動采用MM440變頻器,上位機采用研華工控機。運用siemens公司 STEP7和W inCC軟件進行上、下位機開發。其網絡結構如圖 2所示。

圖 2 網絡結構圖

另外,為了提高生產效率,矯直輥輥縫及夾角的調整采用了電動調節,在每個調整方向上安裝旋轉編碼器,通過運用西門子 FM350-2模塊,實現并構成位置閉環控制系統,以快速、準確的控制各方向上的位置。關于矯直輥位置調整的控制和設計,本文不做詳細描述。

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

3 自動控制系統

矯直機控制主要分為上料,下料輔助系統控制,矯直機輔助調整控制 (即角度、輥縫調整控制)和矯直機本體主傳動控制。

根據機械設計的不同,對于上、下料系統控制方式略有不同,但主要為開關量控制。與主機配合,通過 PLC可方便的實現工藝流程及邏輯連鎖保護,其主要工藝流程如圖 3所示。而對于輔助調整控制,根據調整及位置反饋方式的不同,也存在不同程度的差異,該矯直機輔助調整采用異步電動機作為動力,通過旋轉編碼器實現位置反饋,構成簡單的位置閉環開關控制系統,控制精度不高但完全滿足管棒材矯直工藝需要,本文不做詳細介紹。

圖 3 矯直工藝流程

圖 4 主電機控制框圖

表 1 電機參數與控制器參數換算

對于矯直機本體直流傳動的控制,其控制精度直接關系到矯直機組矯直產品的質量。因此其控制方案至關重要。該項目中采用 siemens公司經過大量工程項目驗證的具有高可靠性的 Profibus-DP網絡結構,并充分利用其強大,方便的編程軟件 Step7編程,有效方便地實現機組主傳動裝置(6RA70)的實時同步調整。其具體實現形式為:在 Step7硬件組態時,6RA70裝置通過 CBP2通訊板掛到 PLC為主站的 Profibus-DP網絡上 (如網絡拓撲圖 2所示),由于在該矯直機主要關注速度的設定和速度實際值,因此采用 PPO3即 2PZD(PZ D:過程數據,包括速度、控制字、狀態字、電流等信息),通過西門子 DP網絡通訊程序塊,將矯直速度、啟動/停止等控制方式等數據發送給主電機傳動控制裝置 6RA70,并同時將電機實時速度、電流等采集到 PLC控制中,通過上位機或儀表顯示,方便操作及工藝人員監控。網絡的應用保證了對裝置速度設定的同步與準確性。而在6RA70裝置中,通過電機碼盤反饋,經濾波,限幅處理,速度及電流控制器的 PI D調節,形成負反饋閉環控制系統,其控制框圖如圖 4所示。通過整定 PI D參數,保證了電機速度控制的準確性,速度響應的快速性和可靠性。

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

具體計算過程如下:如電機最高轉速設置為 1 500 r/min,則轉速為 0時 6RA70裝置對應數據為 0,PLC對應為 0;轉速 1 500 r/min時6RA70裝置對應數據為 16 384,PLC對應為27 648;轉速 800 r/min時則 6RA70裝置及PLC對應數據如下計算。

6RA70數據:(16 384-0) ÷1 500×800≈8 738

PLC數據: (27 648-0)÷1 500×800≈14 746

因此需要設定 800 r/min時,只需將 14 746給 PLC或將 8 738直接傳送到 6RA70傳動裝置中,由此推斷 6RA70傳動裝置數據每增加 1則電機轉速百分比增量為 (1÷16 384)×100%=0.006 1%,電機轉速增量為 1 500×(1÷16 384)×100%=0.09 r/min,因此可以近似為無極調速。對于 PLC而言相應的增加 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應關系。綜上可得出無論 PLC數據還是 6RA70傳動控制裝置數據,每增加 1其被控量均可近似為無極變化。

結合此特點,該矯直機除通過W inCC直接將矯直速度傳送到裝置外,還可通過開關量按鈕,采用類似于高級語言中自增自減的編程,進行速度設定,以達到類似模擬無極調速的效果,具體實現方式主要程序段如圖 5所示。

圖 5 主電機速度設定程序段

該矯直機通過主操作臺扳把開關,每個程序掃描周期速度給定 (變量名 DCSPEED)自增或自減固定步長的量 (本項目根據現場需要,步長選定為 3,即每個 PLC程序掃描周期速度增減量為0.018 3%,換算成轉速為 0.27 r/min),如果程序段直接寫在主程序 OB1中,則根據項目程序大小,PLC程序掃描周期有少許差別,但一般在ms級,因此完全能滿足開關量控制實現無級調速快速,準確的需要。另外通過調整自增自減步長,可提升速度控制精度;在西門子 Step7編程軟件中,通過調用周期性中斷組織塊 (OB30～OB38),可確定自增自減周期,如在 OB38中完成開關量控制速度給定,其自增自減周期默認為10 ms,也可方便的將該值設置成其他需要的時間周期,從而提高控制的快速性。

4 結束語

該控制方案在大小規格不同的兩條鈦合金管材矯直線中得到應用。矯直機組參數如下:材質:鈦管、鈦合金管;規格:管材 φ60～φ140 mm(另一套機組 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;設計矯直線速度:10～30 m/min。據用戶反映,兩臺矯直機組及輔助設備運行狀況良好,工藝設置方便,故障率低,在 W inCC基礎上開發的人性化工控機界面幫助下,故障排除快速、方便,工藝參數修改快捷,適應性強,產能穩定,矯直精度≤0.8‰,矯直圓度滿足國標規定的公差要求,矯直產品質量穩定,為公司創造良好經濟及社會效益。該兩臺設備的成功應用,說明西門子 Profibus-DP網絡技術及開關量近似無級調速控制方式是成功的,具有很強的實用性和較大的經濟效益。

[1] 吳志軍.現場總線 Profibus及其應用 [J].鋼管,2005,34(4).

[2] SI MOREGDCMaster 6RA70系列裝置說明書[M].西門子公司,2004.

[3] SI MATI C S7-300和 M7-300可編程控制器模板規范參考手冊[M].西門子公司,2004.

[4] 張培慶.高精度管材矯直機原理及應用[J].鋼管,2002,31(2).

[5] 宜亞麗.矯直系統運動與力學研究分析[J].機械設計與制造,2005,(2).