郝秀峰

(太原通澤重工有限公司電氣傳動二部，山西 太原 030032)

1 前言

除了在傳統(tǒng)的石油、化工行業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用外，隨著核電行業(yè)的迅速發(fā)展，由大型拔伸水壓機生產(chǎn)的高壓厚壁管需求量日益增加，同時也對大型拔伸水壓機電控系統(tǒng)提出了更高的要求。太原通澤重工有限公司為某鋼管廠制造的20MN臥式拔伸水壓機電氣控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，同時還大大減少了單位產(chǎn)品的能耗，產(chǎn)品質(zhì)量達到了目前國際同類型產(chǎn)品的先進水平。

2 臥式拔伸水壓機的設(shè)備構(gòu)成

臥式拔伸水壓機分為本體和輔機兩部，設(shè)備本體部分如圖1所示。

圖1 臥式拔伸水壓機本體Fig.1 Horizontal type drawing hydraulic press

本體部分包括前1#梁、前梁、活動梁、支撐梁、后梁及上下拉桿組成的預(yù)應(yīng)力組合機架，主缸體及回程缸缸體，芯棒支撐托輥裝置，快速裝卸模具裝置，升降輥道裝置等。輔機部分為高低壓水部分和液壓部分。其中主缸、回程缸組合使用用于選擇壓力分級，工作時如果對回程缸施加一定的背壓，便可以實現(xiàn)二級壓力分級，確保拔伸小規(guī)格產(chǎn)品時對工模具的安全保護。上料、受料、芯棒支撐托輥裝置均采用電液比例位置閥閉環(huán)控制，保證在坯料不同位置時的正確支托。快速裝卸模具裝置用于快速準(zhǔn)確的更換模圈。卸料和運輸升降輥道用于壓機卸料和輸送毛管。高、低壓水部分提供設(shè)備的工作動力，液壓部分則為高低壓水系統(tǒng)各管路上控制閥提供動力。

3 控制系統(tǒng)的關(guān)鍵點和基本構(gòu)架

3.1 控制系統(tǒng)的關(guān)鍵點

臥式拔伸水壓機有空程、套料、加壓、回程、推料五個基本動作，這些動作都是由多個控制閥的組合動作來完成，如何避免多個閥開啟或關(guān)閉時引起設(shè)備震動是電氣控制的關(guān)鍵點之一;此外，由于大型拔伸水壓機主要能量來源是高壓水，如何在不影響其工藝要求和生產(chǎn)效率的情況下，通過優(yōu)化控制方法，盡量減少高壓水的使用時間是電氣控制的第二個關(guān)鍵點;另外，由于設(shè)備工作時需要的壓力很高，如何控制好高低壓水系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換和保證操作人員及設(shè)備安全也是電氣控制的關(guān)鍵點之一。

3.2 控制系統(tǒng)的基本構(gòu)架

(1)設(shè)備電氣控制系統(tǒng)采用西門子S7－300系列PLC，用于分析處理數(shù)字量、模擬量的信號。主站和各子站的通訊采用PROFIBUS－DP工業(yè)總線，設(shè)備區(qū)域間的通訊選擇DP/DP Couple網(wǎng)絡(luò)通信模塊。PLC的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)圖Fig.2 Network configuration

(2)選用CP342－5通信模塊單獨構(gòu)建一條DP網(wǎng)作為CPU和上位機的數(shù)據(jù)連接通道，有效的避免了因網(wǎng)絡(luò)故障引起的停機現(xiàn)象。上位機采用西門子WINCC軟件創(chuàng)建人機界面，具有實時監(jiān)控、故障排除和生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理的功能。圖3為人機界面中有代表性的狀態(tài)監(jiān)控畫面。

(3)在壓機后梁和活動梁之間安裝有拉線式絕對值編碼器，通過SM338模塊將最終轉(zhuǎn)換的活動梁實際位置值用于系統(tǒng)聯(lián)鎖控制，并以數(shù)字形式在上位機界面做出直觀的顯示。

(4)在壓機各關(guān)鍵運動部件安裝壓力傳感器、接近式感應(yīng)開關(guān)、光電開關(guān)等檢測元件，參與控制系統(tǒng)聯(lián)鎖保護和位置檢測。

圖3 狀態(tài)監(jiān)控畫面Fig.3 Picture of state monitoring

4 控制效果

4.1 減小設(shè)備震動

臥式拔伸水壓機在工作過程中常常伴有劇烈的震動，不但會降低設(shè)備本體的使用壽命，同時也會增加停產(chǎn)維護的時間，還會干擾并導(dǎo)致安裝在壓機本體上檢測元件的信號紊亂，引發(fā)安全事故。在生產(chǎn)過程中，引起震動的因素主要有兩個方面，一是能量的突變階段，比如從較慢的速度直接跨越到較快的速度，或者由較快的速度突然停止;二是活動梁所連接的芯棒前端在坯料拔伸長度增加時所受的下垂力矩逐漸增大，造成芯棒的中心線和模圈的中心線偏移量增加，從而導(dǎo)致拔伸加壓時產(chǎn)生很大的震動。

(1)臥式拔伸水壓機的基本動作都是靠不同控制閥的組合使用來實現(xiàn)動作，壓機工作時的速度切換是提高生產(chǎn)效率的主要保證，但切換速度較快，必然引起設(shè)備劇烈震動。傳統(tǒng)的控制方式都是以數(shù)字量的信號去控制相應(yīng)閥組合的動作，而數(shù)字量信號是建立在0和1狀態(tài)的離散信號，本身就會造成速度給定信號的斷點，并且無法在操作上避免速度等級的跨越，這是引起震動的根本原因。因此考慮將壓機的動作給定信號和速度給定信號分離開來，動作給定信號依舊采用數(shù)字量信號，以保證其唯一性;速度給定的信號則采用模擬量信號，保證其連續(xù)性。這樣從硬件上避免了由于操作導(dǎo)致的較大的速度等級間的直接跨越，極大地減小了設(shè)備的震動。

同時通過安裝在壓機活動梁減速位置的感應(yīng)開關(guān)和拉線式編碼器的雙重保護，可以在生產(chǎn)過程中消除緊急停止的情況，進一步減少能量突變的發(fā)生。

(2)臥式拔伸水壓機的芯棒工作時由于重力導(dǎo)致前端下垂是產(chǎn)生震動的另一個原因，較為直接有效的解決方法就是采用托輥裝置將芯棒托起，托起的高度與芯棒和模圈中心線偏移量相同。該控制的難點在于穿料前芯棒前端高度與待穿坯料頭部高度時刻在變化，且穿料后拔伸階段管坯外徑逐次減小，以及在管坯末端進入模圈時，托輥輥子與管坯和芯棒有一次轉(zhuǎn)換，整個過程如何準(zhǔn)確地開啟升降托輥數(shù)量和控制托輥裝置的高度是控制的核心。①升降托輥開啟的數(shù)量。采用拉線式編碼器顯示芯棒移動的實際位置值，同時根據(jù)上位機畫面上選擇的工藝參數(shù)，由PLC計算出實時的坯料軸向變形量，通過比較這兩個參數(shù)，準(zhǔn)確計算出需要開啟的托輥數(shù)量。②托輥裝置的高度。根據(jù)上位機畫面上選擇的工藝參數(shù)，由PLC計算出實時的坯料徑向變形量，進而決定被開啟的托輥裝置上升和下降的高度。此外所有的升降托輥均采用電液比例位置閥閉環(huán)控制，保證其控制精度。

4.2 減少單位產(chǎn)品的生產(chǎn)能耗

節(jié)能減排一直是國家提倡的主題，設(shè)計產(chǎn)品時考慮節(jié)能不僅僅是響應(yīng)國家號召，同時也可以降低生產(chǎn)成本，擴大產(chǎn)品的利潤空間。減少臥式拔伸水壓機單位產(chǎn)品生產(chǎn)能耗的關(guān)鍵就在于合理地控制和應(yīng)用高、低壓水系統(tǒng)。

(1)做好高、低壓水循環(huán)控制。壓機加壓動作完成后，需要回程再重復(fù)上一動作。因此可以在回程時先將主工作缸內(nèi)的高壓水泄壓，利用壓力傳感器檢測泄壓完成之后將主工作缸中的水通過充液閥儲存到低壓蓄勢罐中，等待下一個工作循環(huán)。

(2)利用低壓水的能量。在循環(huán)中低壓罐內(nèi)的水位上升，此時低壓罐內(nèi)的水擁有了一定的重力勢能，在壓機空程前進時就可以利用這部分能量。同時在控制方面也可以從上位機上監(jiān)視到壓機活動梁實際的位移和速度，判斷其何時需要投入高壓水系統(tǒng)，進一步縮短生產(chǎn)周期。

5 結(jié)束語

目前，采用該電氣控制方法的20 MN臥式拔伸水壓機已經(jīng)順利投入生產(chǎn)，運行情況良好，并且大大地提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，得到了用戶的肯定。

［1］ 崔堅，李佳．西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2004．

［2］ 俞新陸．液壓機的設(shè)計與應(yīng)用［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2007．