Ф630穿孔机控制系统

2013-05-15王东

机械工程与自动化 2013年5期

王东

（太原重工工程技术有限公司，山西太原 030024）

0 引言

穿孔机的主要功能是将实心的管坯穿成空心的毛管。一个完善的穿孔机自动控制系统不仅能够使设备安全可靠运行，而且可以保证产品质量，提高轧制节奏，使钢厂经济效益最大化。本文介绍了Ф630穿孔机组的自动控制系统，其功能可以满足钢厂生产大口径无缝钢管的需求。

1 电气控制系统描述

1.1 控制系统架构的设计

穿孔机自动控制系统由基础自动化控制系统和计算机控制系统组成。基础自动化控制系统是基于Profibus－DP总线的CPU控制，主要用于实现快速控制及工艺的联锁，包括顶杆小车的位置控制、主机架轧辊辊型的调整、顶杆前伸量的位置控制等。计算机控制系统由工控机等一些外设组成，其主要作用是进行轧制工艺参数的管理、保存、下载，以及工艺参数的调整、故障的监控和物料的跟踪。

1.2 Profibus总线的应用

Profibus总线（Process Field Bus）是一种国际性的开放式现场总线标准。Profibus－DP（Decentralized Periphery）是一种经过优化的高速低成本通讯连接，专门用于自动控制系统与设备级分散I／O之间的通讯，使用Profibus－DP模块可取代价格昂贵的24 V或0 mA～20 mA并行信号线，用于分布式控制系统的高速数据传输。

穿孔机控制系统采用西门子S7－300PLC作为主PLC，以 CPU315－2DP 为主 CPU，远程I／O采用ET200 M为从站，主传动、直流装置、交流装置通过DP与主PLC通讯。

硬件以S7－300PLC为核心，结合数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输出模块、计数模块，组成了自动控制系统。从站包括主操作台、前台现场操作台、后台现场操作台、液压系统、稀油系统、左辊主传动、右辊主传动、横移小车、顶杆小车、前台OP27操作面板、后台OP27操作面板和辅助控制盘，从而构成整个控制系统。控制系统结构如图1所示。

图1 控制系统结构图

1.3 位置自动控制在穿孔机中的应用

穿孔机的轧辊辊缝位置调整是通过位置控制来实现的，具体通过电机和蜗轮蜗杆传动机构来完成。其控制原理框图如图2所示。

图2 轧辊辊缝控制框图

在OP27操作面板上输入所要调整的参数，启动自动调整按钮，电机开始转动，此时电机上的绝对值编码器将反馈值与标定值在PLC中比较，判定电机的正转和反转、高速和慢速，从而控制电机传动的精度，达到控制轧辊的精度。采用该方案后，辊缝的控制精度可达到±0.01 mm。轧辊辊缝自动调整工艺流程如图3所示。其中，A为目标值－标定值，A1为死区值，B1为缓冲值。

图3 轧辊辊缝调整工艺流程图

在控制系统中采用绝对值编码器作为反馈信号，绝对值编码器采用SSI型，以保证精度和增加抗干扰能力。反馈的SSI信号由SM338模块采集，在主CPU中计算，根据反馈的值控制电机的行程，从而形成所需大小的孔型。

1.4 逻辑控制系统

逻辑控制系统主要根据穿孔机的工艺要求进行控制，分为前台控制、主机架控制、主传动控制、后台一段控制和顶杆小车控制。它们之间相互独立又密切联系。

穿孔机工艺动作复杂，整个系统大约有800个点。在逻辑控制时，采用FBD来编写整个系统的功能图，通过它对穿孔机的工艺有一个正确、完整的认识，是编写LAD的基础。

逻辑控制系统功能图如图4所示。

图4 逻辑控制系统功能图

结构化编程是将复杂的自动化任务分解为能够反映过程的工艺、功能且可以反复使用的小任务，这些任务由相应的程序块（或逻辑块）来表示，程序运行时所需的大量数据和变量存储在数据块中。某些程序块可用来实现相同或相似的功能，这些程序块是相对独立的，被OB1（组织块）或别的程序块调用。

调用者可以调用各种逻辑块，包括用户编写的组织块、FB（功能块）、FC（功能）和系统提供的SFB与系统功能（SFC），被调用的块是OB之外的逻辑块。调用功能块时需要为它指定一个背景数据块，后者随功能块的调用而打开，调用结束时自动关闭，块调用的系统结构如图5所示。

功能块编程时使用的是“形参”，调用它时需要将“实参”赋值给“形参”。在一个项目中，可以多次调用同一块。块调用即子程序调用，块可以嵌套调用，即被调用的块又可以调用别的块。允许嵌套调用的层次与CPU的型号有关。

在穿孔机的程序编制过程中，采用结构化编程。其功能（FC）包括现场操作台与主操作台之间的切换、前台的控制、主机座调整的控制、出口台一段的控制、顶杆小车的控制、液压站的控制和稀油站的控制；功能块（FB）有轧辊辊缝的调整、三辊导向装置的调整和辊道升降的调整。此外还有PLC与上位机之间的数据交换。功能（FC）和功能块（FB）都在组织块（OB1）中调用，这样编程既简单又方便。我们先独立地编写每个区域的程序，分为自动、半自动和手动3部分，然后再根据工艺连锁关系将每个区域串起来，这样穿孔机的程序就编写完毕。其优点为当发生故障时，可根据现场分析判断，确定是哪部分发生错误，直接到相应的区域去监控程序，从而很快地找到错误所在，节省了时间，降低了劳动强度。

图5 块调用的系统结构

2 计算机控制系统

计算机监控系统主要用于工业生产过程中，对电气控制部分进行实时监控，并具有实时数据、工艺参数、报警等信息的记录功能。无缝钢管生产线各设备在生产过程中都有大量的变量需要实时监控，以方便维护人员迅速地对现场突发事件做出应急处理；轧制不同的管径时，各调整机构的位置都要发生相应的变化，这些变化可以根据工艺要求提前在计算机系统中录入，建立一个完整的数据库，需要时直接将其下载到PLC中进行全自动化的调整；报警记录和变量记录是把生产过程中的技术数据都记录在计算机中，为今后设备检修、排除故障提供重要依据。

对于无缝钢管生产线，目前主要使用 Win CC、Intouch、i FIX、RSVIEW等工业组态软件。本系统采用Win CC编程。

根据Ф630穿孔机组工艺的要求，在上位机上应具有轧辊速度的设定、轧辊辊缝的调整、三辊导向装置开口度的设定和检测元件的监控等功能。