西门子 PLC及 PROFIBUSDP网络在管棒材矫直机中的应用

王自伟

(福建三宝钢铁有限公司,福建 漳州 363000)

1 概述

用于提高管棒材成材率的管棒材矫直机已普遍的应用于管棒材生产线上。世界上工业发达国家的管棒材矫直机品种多,规格大,水平高。20世纪 80年代以前,我国管棒材矫直机与之相比较为落后,不仅品种单调,而且矫直精度一般为4‰～6‰,有的精度甚至更低,不能满足生产需要。80年代以后,开始引进一些先进的矫直机,如上海第五钢铁厂,湖北大冶钢厂从英国布朗克斯公司引进的二辊滚光矫直机;宝鸡钢管厂从原西德引进的用于 φ426直缝焊管矫直的多辊式矫直机等,这些先进矫直机的引进,推动了我国矫直机技术的发展。

本文介绍广泛应用于航空航天工业的钛及钛合金管棒材的七辊矫直机的电控系统设计。

2 电气设计

该七辊矫直机由上料系统、矫直机本体、下料系统和电气控制系统等组成。本体采用封闭框架,立式结构;主传动采用直流无级调速;辊缝及矫直角采用电动调整;上下料系统设有储料台、拨料、挡料等机构,管棒材输送采用交流变频传动。其电气系统单线图如图 1所示。

矫直机组的电气设计的难点主要集中在矫直机本体的直流传动设计上。主要涉及到机组速度同步性的可靠保证,其控制的好坏直接关系到矫直机的矫直精度。

七辊矫直机的矫直辊布置一般有:3-3-1或 2-2-2-1结构,上下分组,通过万向连接轴及变速箱采用两台功率相同的直流电机拖动。由矫直机的矫直原理可知,为了保证矫直精度及提高管棒材的成材率,除了机械部分的变速箱,辊型等设计至关重要外,两台直流电机的传动设计和调试也相当关键。如果矫直机上、下矫直辊线速度不同步将造成上下排辊间存在较大的扭曲力,这样不能平衡产品表面应力和有效消除残余应力,达不到矫直管棒材的目的,可能还会出现越矫越弯,越矫越扁的现象,甚至会因为长期扭曲力过大对设备造成损害,降低设备使用寿命。

图 1 管棒材矫直机电气系统单线图

该矫直机矫直辊布置为 2-2-2-1结构,矫直辊传动通过直流电机拖动减速机经分配箱(1入 3出型),3条万向连接轴带动矫直辊工作,最后一个辊为自由辊。矫直辊角度调整采用丝杠调节定位,压下机构采用定位复合螺母方式。因此在机械结构稳定的情况下,矫直速度完全取决于电机转速的控制,因此电机速度控制成为矫直精度和质量的重要保障,因而在电气设计时需重点考虑速度给定,以保证主传动电机速度的同步性。通常情况下采用公用一个速度给定的方式,其具体实现方式有两种:一是通过同一个电位计将速度给定直接给到两直流传动装置;二是利用功能强大,可靠性及同步性好的网络技术,将传动装置和 PLC同时挂到网络上,通过其可方便将给定送到装置上。对于前一种方式,无论是采用电位计直接将速度给到装置端子上,还是通过 PLC模块给到装置,都将受零点漂移,以及其他电气电磁干扰的影响,存在一些局限性;而随着网络技术的发展,西门子 profibus-DP网络总线循环时间 1 ms,波特率高达 12Mbit/s,其反应迅速快,传输精度高,抗干扰能力强,且调试方便,故被大量应用。

为了有效集成下位机、上位机及传动装置,并充分利用网络通讯的优势,在考虑可靠、实用、简便、经济等因素的前提下,本矫直机主要选用德国 siemens公司成熟的工控产品,下位控制器采用 S7-300 PLC,主传动直流调速装置为6RA70装置,上、下料辅助交流变频传动采用MM440变频器,上位机采用研华工控机。运用siemens公司 STEP7和W inCC软件进行上、下位机开发。其网络结构如图 2所示。

图 2 网络结构图

另外,为了提高生产效率,矫直辊辊缝及夹角的调整采用了电动调节,在每个调整方向上安装旋转编码器,通过运用西门子 FM350-2模块,实现并构成位置闭环控制系统,以快速、准确的控制各方向上的位置。关于矫直辊位置调整的控制和设计,本文不做详细描述。

为方便矫直辊位置控制及显示,以及主传动、辅助传动等的有效监控,一般配备上位监控系统,有利于报表生成、故障快速提示及解除等。

3 自动控制系统

矫直机控制主要分为上料,下料辅助系统控制,矫直机辅助调整控制 (即角度、辊缝调整控制)和矫直机本体主传动控制。

根据机械设计的不同,对于上、下料系统控制方式略有不同,但主要为开关量控制。与主机配合,通过 PLC可方便的实现工艺流程及逻辑连锁保护,其主要工艺流程如图 3所示。而对于辅助调整控制,根据调整及位置反馈方式的不同,也存在不同程度的差异,该矫直机辅助调整采用异步电动机作为动力,通过旋转编码器实现位置反馈,构成简单的位置闭环开关控制系统,控制精度不高但完全满足管棒材矫直工艺需要,本文不做详细介绍。

图 3 矫直工艺流程

图 4 主电机控制框图

表 1 电机参数与控制器参数换算

对于矫直机本体直流传动的控制,其控制精度直接关系到矫直机组矫直产品的质量。因此其控制方案至关重要。该项目中采用 siemens公司经过大量工程项目验证的具有高可靠性的 Profibus-DP网络结构,并充分利用其强大,方便的编程软件 Step7编程,有效方便地实现机组主传动装置(6RA70)的实时同步调整。其具体实现形式为:在 Step7硬件组态时,6RA70装置通过 CBP2通讯板挂到 PLC为主站的 Profibus-DP网络上 (如网络拓扑图 2所示),由于在该矫直机主要关注速度的设定和速度实际值,因此采用 PPO3即 2PZD(PZ D:过程数据,包括速度、控制字、状态字、电流等信息),通过西门子 DP网络通讯程序块,将矫直速度、启动/停止等控制方式等数据发送给主电机传动控制装置 6RA70,并同时将电机实时速度、电流等采集到 PLC控制中,通过上位机或仪表显示,方便操作及工艺人员监控。网络的应用保证了对装置速度设定的同步与准确性。而在6RA70装置中,通过电机码盘反馈,经滤波,限幅处理,速度及电流控制器的 PI D调节,形成负反馈闭环控制系统,其控制框图如图 4所示。通过整定 PI D参数,保证了电机速度控制的准确性,速度响应的快速性和可靠性。

由于速度是通过 PLC换算,采用数字方式给到传动装置中,因此不存在采用模拟量速度控制模式中的零点漂移和易于受环境干扰等问题。在该数字换算过程如表 1所示。

具体计算过程如下:如电机最高转速设置为 1 500 r/min,则转速为 0时 6RA70装置对应数据为 0,PLC对应为 0;转速 1 500 r/min时6RA70装置对应数据为 16 384,PLC对应为27 648;转速 800 r/min时则 6RA70装置及PLC对应数据如下计算。

6RA70数据:(16 384-0) ÷1 500×800≈8 738

PLC数据: (27 648-0)÷1 500×800≈14 746

因此需要设定 800 r/min时,只需将 14 746给 PLC或将 8 738直接传送到 6RA70传动装置中,由此推断 6RA70传动装置数据每增加 1则电机转速百分比增量为 (1÷16 384)×100%=0.006 1%,电机转速增量为 1 500×(1÷16 384)×100%=0.09 r/min,因此可以近似为无极调速。对于 PLC而言相应的增加 1则百分比增量 =(1÷27 648)×100%=0.003 6%。类似的电流也存在这样的对应关系。综上可得出无论 PLC数据还是 6RA70传动控制装置数据,每增加 1其被控量均可近似为无极变化。

结合此特点,该矫直机除通过W inCC直接将矫直速度传送到装置外,还可通过开关量按钮,采用类似于高级语言中自增自减的编程,进行速度设定,以达到类似模拟无极调速的效果,具体实现方式主要程序段如图 5所示。

图 5 主电机速度设定程序段

该矫直机通过主操作台扳把开关,每个程序扫描周期速度给定 (变量名 DCSPEED)自增或自减固定步长的量 (本项目根据现场需要,步长选定为 3,即每个 PLC程序扫描周期速度增减量为0.018 3%,换算成转速为 0.27 r/min),如果程序段直接写在主程序 OB1中,则根据项目程序大小,PLC程序扫描周期有少许差别,但一般在ms级,因此完全能满足开关量控制实现无级调速快速,准确的需要。另外通过调整自增自减步长,可提升速度控制精度;在西门子 Step7编程软件中,通过调用周期性中断组织块 (OB30～OB38),可确定自增自减周期,如在 OB38中完成开关量控制速度给定,其自增自减周期默认为10 ms,也可方便的将该值设置成其他需要的时间周期,从而提高控制的快速性。

4 结束语

该控制方案在大小规格不同的两条钛合金管材矫直线中得到应用。矫直机组参数如下:材质:钛管、钛合金管;规格:管材 φ60～φ140 mm(另一套机组 φ8～φ30 mm),壁厚范围 1.5～8 mm;屈服极限:σS≤850 MPa;原始弯曲:≤20 mm/m;设计矫直线速度:10～30 m/min。据用户反映,两台矫直机组及辅助设备运行状况良好,工艺设置方便,故障率低,在 W inCC基础上开发的人性化工控机界面帮助下,故障排除快速、方便,工艺参数修改快捷,适应性强,产能稳定,矫直精度≤0.8‰,矫直圆度满足国标规定的公差要求,矫直产品质量稳定,为公司创造良好经济及社会效益。该两台设备的成功应用,说明西门子 Profibus-DP网络技术及开关量近似无级调速控制方式是成功的,具有很强的实用性和较大的经济效益。

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