淺談球磨鑄鐵管水泥內襯機布料小車的定位控制

董鐵成／本溪北營鋼鐵（集團）設計研究有限公司

淺談球磨鑄鐵管水泥內襯機布料小車的定位控制

董鐵成／本溪北營鋼鐵（集團）設計研究有限公司

球磨鑄鐵管水泥內襯機布料小車的定位控制是球磨鑄鐵管生產的關鍵技術。本文提出控制系統，其中包括硬件結構和軟件設計，并進行了論述。

球磨鑄鐵管；水泥內襯；布料小車；控制系統

一、序論

水泥內襯工藝是球磨鑄鐵管總體工藝流程中的一個重要環節，該工藝是對已經澆注完的管子內壁進行水泥襯層。對于直徑在100～1000mm的球磨鑄鐵管，襯層厚度為3～6mm。目前，據筆者所知：我國國內幾家球墨鑄鐵管廠自行設計制造的水泥內襯機還十分落后，不能充分滿足產品質量的要求。筆者依據長期從事球磨鑄鐵管水泥內襯機設備的維護與保養的理論知識和實踐經驗，擬對球磨鑄鐵管水泥內襯機布料小車的定位控制，撰寫本文進行探討和研究。

本溪北營鋼鐵（集團）股份有限公司球墨鑄鐵管廠于1994年從德國布拉格公司引進了具有世界90年代水平的水泥內襯機。共引進大、小兩臺機組，分別對直徑在350～1000mm和100～300mm的管子進行水泥襯層。按照國際產品質量標準的要求，對于直徑在100～1000mm的球墨鑄鐵管，其長度可以分為四種：4.5m、5m、5.5m、6m。因此，在使用水泥內襯機對管子進行水泥襯層時，對不同直徑、不同長度規格的管子，布料（即把水泥填充在管子內）的多少是不同的，布料小車的位移（相對于起始位）及速度也不同，如圖1所示。

圖1 布料小車的行進過程示意圖

當管子傳送到布料工位后，布料小車從0位開始快速向前。到位1時，布料小車慢速向前。到位2時，布料小車停止，同時邊返回邊布料。到位3時，布料小車慢速返回，繼續布料。到位4時，布料小車停止布料并快速返回。到位5時，布料小車慢速返回，至位0停止。對于不同直徑、不同長度規格的管子，圖1中位1、2、3、4、5相對于位0的距離是不同的，如果該距離控制不好，布料小車就會把料步在管子的外面，造成浪費；或不能進行充分布料，影響襯層質量。根據工藝提出的這一要求，控制系統必須能夠實現對布料小車進行定位控制，這是水泥內襯機在設計上需要解決的關鍵性技術問題。

二、布料小車電氣控制系統

1.硬件結構。布料小車的定位控制系統的硬件結構如圖2所示。

圖2 控制系統的硬件結構

硬件采用了西門子S5－115U PLC控制系統。布料小車的行走速度通過三相交流電機及變頻調速器控制。當布料小車行走經過位1、2、3、4、5時，S5－115U分別向變頻調速器設定不同的頻率基準值，以改變電機的轉速，從而獲得工藝上要求的布料小車行走速度。為了實現對布料小車進行定位控制，該控制系統采用了西門子數字位置譯碼器IP241，并采用了增量位置編碼器匹配模板（匹配模板安裝在IP241上）。相應的編碼器采用增量位置編碼器。編碼器的輪盤通過皮帶和布料小車驅動電機的驅動軸相聯。當電機轉動時，編碼器的轉盤跟隨轉動，從而在編碼器內部的電子電路中形成脈沖。這些脈沖通過傳輸導線傳送給IP241。IP241由兩個通道；通道1和通道2。每個通道有16個軌道。就其功能而言，IP241與凸輪控制器的功能相似，每個軌道相當于一個電子凸輪。用戶可以根據工藝要求確定使用軌道的數量，并位這些軌道建立不同的起始與終止設定值。當布料小車行走時，編碼器不斷向IP241發送脈沖，IP241的匹配模板對這些脈沖計數，以確定布料小車的實際位置。當計數脈沖的數值在一條軌道的起始與終止設定值之間時，IP241即對該軌道的標識符置位。S5－115U根據軌道標識符位的信號狀態，實現對布料小車進行定位控制。圖2中，管子長度及管徑選擇開關用于選擇不同規格的管子。S5－115U根據管子的規格分別處理由用戶所設定的數據，從而控制布料小車的行走速度計位移。操作面板OP396用于設定數字位置譯碼器IP241所用軌道的起始與終止設定值。

2.軟件設計。S5－115U是通過集成在CPU內部的標準功能塊FB156及FB157來尋址IP241的。功能塊FB156用于對IP241進行初始化，以便在S5－115U啟動時將各軌道的起始與終止設定值傳送至IP241的匹配模板。IP241匹配模板上的數據在初始化之前被刪除掉。因此，在S5－115U啟動程序中要調用功能塊FB156。功能塊FB157用于控制IP241，它所完成的功能根據其參數的設置情況決定。本設計中，功能塊FB157用于以下兩個方面：（1）進行軟件級同步化 因為IP241采用了增量位置編碼器匹配模板，所以S5－115U在啟動以后，首先要對用戶所使用的通道建立零位移參考點，即進行同步化。只有在進行了同步化以后，IP241匹配模板才能對布料小車的行走位移計數。同步化可以在硬件上進行，也可以在軟件上進行。本設計中，同步化是在軟件上進行的，即布料小車在起始位時，S5－115U調用功能塊FB157，并將其功能設置成軟件級同步化。（2）修改軌道設定值 當管子規格變化時，相應IP241各軌道（即被用戶所使用的軌道）的起始與終止設定值也必須跟著變化。為此，S5－115U必須通過調用功能塊FB157，并將其參數設置成修改軌道設定值才能實現這一功能。由于布料小車在行走過程中根據速度的變化需要確定5個位置，因此設計上使用IP241通道1的軌道0、1、2、3、4對應布料小車的5個位置，即位1、2、3、4、5。各軌道的起始與終止設定值以及標識符位的信號狀態如圖3所示。

圖3 軌道設定值與標識符信號狀態

圖3中，軌道標識符位的信號狀態在搞電壓時位“1，”在底電壓時為“0”。不同規格的管子所對應的各軌道起始與終止設定值存儲在不同的數據塊中，當選定某一種規格的管子后，打開相應的數據塊，其數據塊被傳送到由功能塊FB156指定的數據塊中。S5－115U再通過調用功能塊FB157將更新后的數據傳送至IP241，即可對模板上軌道0、1、2、3、4的起始與終止設定值進行修改。采用上述控制方式所實現的布料小車定位控制，會使布料小車在位1、2、3、4、5產生小于20mm的行走誤差。造成這一誤差的主要原因是由于變頻調速器在響應S5－115U的指令后需要有一個短的加速、減速過程和小車的慣性作用。但由于工藝上要求上的誤差范圍是0～30mm，上述誤差是能夠滿足工藝要求的。

三、結束語

該系統在實際生產中自動化程度高、故障率低、控制準確、布料適量，能充分保證產品的質量。目前，本溪北營鋼鐵（集團）股份有限公司球墨鑄鐵管廠水泥內襯機襯層合格率接近于100%，成效顯著。