钢管铣边机右侧主铣头报警和异常后退液电分析

徐根涛，孙凤龙，黄 杰

（宝山钢铁股份有限公司钢管条钢事业部，上海 201900）

铣边机一般布置在引弧板焊接之后、弯边机之前，是UOE、JCOE 直缝焊管生产线钢板成型前的一道重要工序设备［1］。宝山钢铁股份有限公司（简称宝钢股份）UOE 生产线铣边机可铣削钢板的长度10 000～18 500 mm，宽度1 502～4 524 mm，厚度6～40 mm，单边最大铣削量20 mm，设计产能50万t/年，2008 年初正式投产。该铣边机有4 个主铣头装置，分别将钢板左右两个侧边铣削到精确板宽，并铣削出上下坡口；因此，也被看作是多铣头的大铣床。

宝钢股份UOE 铣边机主铣头装置按设备布置分列为左侧1 号、2 号主铣头，右侧1 号、2 号主铣头［2］。其中，左右1 号主铣头铣削钢板的左右钝边，加工钢板的两个4°直边，保证钢板的精确宽度；左右2 号主铣头铣削钢板的左右坡口，加工形成上下坡口，满足后续焊接要求。2018 年7 月，该铣边机右侧2 号刀盘铣边时出现自动停止、机架润滑装置报警、主铣头机架频繁后退跑位等异常现象，造成Φ914 mm×17.5 mm 规格钢管生产时频繁停机，生产无法正常进行。因此，有必要对该异常现象进行分析，并找出解决方案。

1 主铣头系统和故障现象介绍

1.1 机械液压系统概况

UOE 铣边机每个主铣头装置主要由底座、移动主油缸、主电机、主变速箱体、切削刀盘、导轨及锁紧装置等组成，每套铣头均是独立控制。其中，主铣头装置安装在4 个独立底座上；主电机、主变速箱体、切削刀盘等连接在一起，通过底座上的移动主油缸在底座导轨上前后移动，满足不同宽度钢板铣边要求；移动主油缸自带Ratio-Clamp 活塞杆位置锁紧装置，同时底座导轨也设计了锁紧油缸装置，以保证钢板铣边时主铣头位置锁定，满足铣边工艺需要。主铣头机架结构如图1 所示。

图1 主铣头机架结构示意

每个主铣头的液压控制一致，主铣头移动控制及锁紧原理如图2 所示［3-5］。动作如下：电磁换向阀1 右位失电，液压油打开移动主油缸自带的活塞杆锁紧装置，比例换向阀3、切断阀4 得电，液压油进入移动主油缸，控制主油缸前后移动，双向溢流阀5 起过载保护作用；蓄能器装置2 在主油缸前后动作时，一方面为活塞杆锁紧装置提供恒定动力源，另一方面在系统断电时为打开锁紧装置提供应急动力源。电磁换向阀6（在主油缸前后动作及主铣头铣边时均得电，处于左位）、液控单向阀7（液压锁）、电磁换向阀8（常失电位）和蓄能器装置9组成应急回路，在系统断电时控制移动主油缸回退到最大开档位置，保护主铣头刀盘及刀片。移动主油缸在导轨上前后动作时，比例减压阀10、电磁换向阀11 不得电，每根导轨上的锁紧油缸13 处于打开状态，主油缸到位后，比例减压阀10、电磁换向阀11 得电，锁紧油缸处于锁紧状态，压力传感器12 设定锁紧压力，压力低于设定值时发出报警信号，停止主铣头转动。

图2 主铣头移动控制及锁紧原理示意

1.2 电控系统概况

铣边机电气控制采用总线技术［6-7］；电控系统采用西门子公司的可编程控制器（PLC）和全数字变频传动装置；基础自动化系统与传动系统之间完全通过Profibus-DP 网络交换信息，构成全数字化的控制系统。控制信息和系统状态信息，通过监控网（Ethernet）和分布式I/O 网（Profibus-DP）进行交换。铣边机电气主PLC 为西门子S7-400，通过DP 网络与现场传感器和远程站进行通信连接，铣边机设备网络物理走线如图3 所示。铣边机DP 网络分为两个：Profibus（1）负责电气室内部设备的通信；Profibus（2）负责现场设备的通信，通信速率为3 Mbit/s，Profibus（2）共带有52 个站点，其中48、50、62、64、66、32 号站点在右侧1 号铣边机机床上，52、54、68、70、72 号站点在右侧2 号铣边机机床上。

1.3 故障现象及处理过程

2018 年7 月6 日13：00，铣边机右侧2 号刀盘在自动铣削过程中突然停止，电机停转；现场检查发现HMI 操作画面上右侧2 号刀盘的主变速箱润滑报警，且右侧2 号刀盘的主变速箱六路润滑流量计全部报警，初步怀疑铣边机机床震动大，导致机床上的L104.1 远程站点板卡间松动，造成该远程站系统报警［8-9］，而远程站的输入信号丢失，引起右侧2 号刀盘的主变速箱润滑全部报警。分析故障现象后的处理过程如下。

（1） 对L104.1 远程站点内的模块进行紧固，并增加防护垫抗震后试车正常，但是生产几张钢板后又出现类似故障，检查发现2 号主变速箱润滑系统油位、压力、泄漏等均无异常。

（2） 更换该站点IM151 模块，试铣削一张钢板时正常，第二张自动铣削时又出现上述情况。

（3） 更换站点内IM151 连接的电源模块，试铣削一张钢板又出现该故障。

（4） 在L104.1 远程站点增加1 根24 V 电源线，用于排除电源问题引起的上述故障，随后再试车，结果故障现象仍然存在。

（5） 将程序上导致该刀盘停机的信号过滤，试车时虽然有时仍有100 ms 闪断情况，但由于将部分输入信号进行了过滤，所以不会造成停机。

（6） 7 月7 日下午出现右侧2 号机架后退跑位现象，无法维持生产。更换该处移动主油缸控制系统中切断阀4、双向溢流阀5、液控单向阀7，故障仍存在，将右侧1 号液压阀组和右侧2 号整体对换，故障依然在2 号机架存在，排除液压阀组的原因；检查电磁换向阀1、比例换向阀3、切断阀4、电磁换向阀6，线圈得电时序正常；压力传感器12正常；初步怀疑移动主油缸锁紧装置失效、主油缸内泄，准备更换该油缸，同时使用压力测试仪对主油缸应急回路有杆腔压力及锁紧回路压力进行持续监控。在54 号站点临时增加1 根24 V 电源线，机床后退跑位现象未出现。

（7） 7 月8 日凌晨3 点铣边机右侧2 号机架又频繁出现后退跑位情况，查看压力测试仪实时监测曲线，发现主油缸应急回路有杆腔压力、锁紧回路压力均异常，判断认为2 号主铣头控制系统异常失电导致机架后退跑位。

（8） 检查PLC 诊断，发现32 号站点发生过站点丢失情况，而32 号站点是54 号站点物理上级，停机检查32 号站点上的传感器DP 插头［10-11］，发现插头内电缆线裸露，重新制作、安装传感器DP 电缆插头，试车后站点丢失情况消除，生产恢复。

图3 铣边机设备网络物理走线示意

2 原因分析

2.1 机械液压原因分析

（1） 从主铣头移动液压原理图分析原因［3-4］。根据不同规格钢板的要求，4 个主铣头通过液压系统的比例换向阀3 控制移动主油缸到设定位置后，移动主油缸回路的比例换向阀3、切断阀4 失电，移动主油缸自锁紧回路的电磁换向阀1 得电，移动主油缸锁紧［5］；同时，导轨锁紧回路的电磁换向阀11得电，压力传感器12 监控锁紧压力值，主铣头机架被锁紧在移动导轨上，主铣头机架（即切削刀盘）被双重锁紧；电磁换向阀6 得电，电磁换向阀8 常失电，液压应急回路通过液控单向阀7 锁住，可开始钢板铣削。如果铣削过程中出现异常情况，如信号异常、报警等，电磁换向阀1、比例换向阀3、切断阀4、电磁换向阀6、电磁换向阀11 全部失电，导轨锁紧油缸失压打开，此时蓄能器装置2、蓄能器装置9 所蓄压力供到移动主油缸应急回路、锁紧回路，主油缸锁紧装置打开，应急回路压力油进入移动主油缸有杆腔，主油缸退回并带动右侧2号主铣头退到最大开档位置。

（2） 从铣边机生产过程记录的压力波形图分析原因。在铣边机生产过程中，使用压力测试仪在线监测移动主油缸锁紧压力、移动主油缸有杆腔的压力波形，如图4~5 所示。

从图4 可以看出，右侧2 号机主铣头正常生产时，控制回路中主油缸有杆腔压力稳定，约8.4 MPa（同时检测油缸无杆腔压力，压力稳定，约为7 MPa，考虑主油缸无杆腔和有杆腔面积比为2 ∶1，主油缸始终产生向钢板的力）；机架油缸锁紧压力略有波动，最大值为1.3 MPa；机架导轨锁紧压力传感器12 压力恒定，约为15 MPa（液压系统压力）。

异常（主铣头机架跑位）时机架油缸锁紧压力及应急回路压力波形如图5 所示，从图5 可以看到，右侧2 号机主铣头异常后退时，应急回路中油缸有杆腔压力从6 MPa 左右瞬间升高到12.2 MPa 左右，几乎同时移动主油缸锁紧压力由0 瞬间升到8.5 MPa 左右，瞬间时间约为0.222 s（放大后的压力波形如图6 所示）。在120 600～121 800 ms 短时间，失电现象出现了两次。

图4 正常生产时机架油缸锁紧压力及应急回路压力波形

图5 主铣头机架跑位时机架油缸锁紧压力及应急回路压力波形

图6 放大后的压力波形示意

通过上述分析可知：铣边机铣削过程中，右侧2 号主铣头液压控制系统全部失电，从而导致主油缸锁紧打开，应急系统控制主油缸及主铣头回退，造成机架跑位；2 号主铣头机架移动控制液压系统、主油缸等设备正常。

2.2 电气原因分析

（1） 7 月6 日的铣边机右侧2 号刀盘自动停止并发出主变速箱润滑报警，该润滑信号输入点在52 号站点上，在处理过程中52 号站点时有SF 报警，判断是机床震动，导致远程I/O 的底板接触不良，将底板紧固后，报警消除，但仍存在主变速箱润滑报警，通过在程序中增加过滤延时的方式避免刀盘自动停止，维持生产。此时，右侧2 号刀盘未出现后退现象。

（2） 7 月7 日发生的2 号右侧主铣头机架后退跑位，是因为2 号主铣头机架位置实际值与位置设定值偏差太大，导致钢板无法正常铣削。右侧2 号主铣头机架位置设置错误是主要原因（正常设定值为1 824.52 mm，实际设定值1 831.68 mm）。

（3） 7 月8 日凌晨，通过压力测试仪“铺捉”到2 号右侧主铣头后退原因为液压控制系统全部失电后［10］，排查电磁换向阀1 和6 电磁线圈的输入信号来自于54 号站点，为防止因电源供电不稳导致信号丢失，在54 号站点内增加一个24 V 临时电源线。电缆线放好后试车无异常，恢复正常生产。

（4） 7 月8 日上午又出现2 号右侧主铣头后退现象，再次详细排查，发现32 号站点存在无通信信号情况，而32 号站点是54 号站点物理上级；停机打开并检查32 号站点上铣边机入口测宽轮油缸传感器DP 插头［11］，发现DP 插头内接线螺丝未松动，但内部接线存在裸露情况。重新制作DP 插头接线后再安装、试车，32 号站点通信信号正常，主铣头机架后退跑位情况不再发生，后续拆除临时增加的24 V 电源线，生产时未出现故障，删除增加的刀盘停止过滤延时程序，至今未再发生故障。

（5） 分析32 号站点和52 号、54 号站点关系，根据其物理走向判断，48 号站点前有中继器进行物理隔离，48 号站点以后的站点都在铣边机右侧机床上，为此故障现象都发生在铣边机右侧机床。32 号站点与52 号和54 号站点在同一条物理线上，相互之间没有隔离，而且在32 号站点的后面，32号站点通信异常会引起52 号和54 号站点及该线路上的其他站点通信异常，由于32 号站点后除52 号和54 号站点为远程I/O 站点外，其他站点均为传感器，传感器在通信中断后再恢复数值保持不变，所以不会受到影响，而远程I/O 站点在通信中断时，I/O 信号会丢失，造成设备误动作。

通过上述分析可知：①铣边机右侧2 号机架上52 号远程站点SF 报警，使得铣边机右侧2 号主铣头主变速箱润滑信号丢失，造成铣边机右侧2 号主铣头机架跳电；②32 号站通信异常，引起54 号远程站点的输出信号丢失，使得2 号主铣头移动主油缸锁紧装置失电，液压回退应急回路触发，造成主铣头机架后退跑位；③铣边机主铣头机架在铣削过程中的震动较大，造成固定在铣边机机架上的远程I/O 板卡间连接不佳，引发52 号远程站SF 报警；④铣边机DP 网络通信速率设为3 Mbit/s，对现场的DP 连接器要求很高，受到长期震动的影响，DP连接器状态不佳，造成DP 网络通信异常［9-11］。

3 故障启示与反思

该铣边机右侧2 号主铣头主变速箱润滑报警及机架异常后退故障总计约12 h，对生产影响较大。

（1） 故障处理时间较长，说明故障判断及处理技术水平存在不足。因此，要提高设备人员故障判断及处理的技术水平，以减少故障处理时间。

（2） 为满足现场设备动作响应实时性好，将UOE 铣边机DP 网络通信速率设为3 Mbit/s，这对现场DP 连接器接线和连接都有很高要求，为此DP连接器稍有接触不良或屏蔽不好，就会使DP 网络通信异常，而这样造成的DP 网络通信异常通常为闪断，很难判断故障发生的原因和找到故障点；而PLC 的故障堆栈中也往往报出的不一定是真正的故障点（如故障堆栈前期始终报出的是52 号站点异常，只是当7 月8 日通信故障造成铣边机停机，再去查看此时PLC 的故障堆栈报出的是32 号站点），所以增加了判断故障的难度，需积累判断经验。

（3） 铣边机主铣头机架上端子内远程站箱放置较多，设备传感器插头［10-11］、DP 插头较多，铣削钢板时灰尘多、震动大，容易造成端子箱积灰和插头松动。因此，要定期对端子箱及插头进行检查、清灰、紧固。

（4） 为更快判断故障点，新增了Pofibus HUB模块，优化了铣边机主铣头机架上的DP 网络拓扑结构及物理走向。考虑Pofibus HUB 模块各个端口都是相互隔离的，新增Pofibus HUB 模块对类似DP 通信闪断的故障判断将提供有益帮助：缩小故障范围，减少故障判断时间。

4 结 语

通过综合分析宝钢股份UOE 焊管铣边机右侧2 号主铣头异常后退电液情况，发现机械液压发生异常动作、造成故障的原因是多方面的，既有可能是机械液压设备自身原因，也有可能是电气控制所导致；在判断处理大型综合机电液设备故障时，机电液通力合作、相互配合，会更快、更准确地找到故障原因，缩小故障范围，缩短故障时间。