楊艷偉 向 濤 向樹民 張 勁

（西安蘭石重工機(jī)械有限公司，陜西 西安710065）

0 引言

卷板機(jī)是對(duì)金屬板材進(jìn)行多道次連續(xù)彎曲，使板材產(chǎn)生永久性塑性變形的設(shè)備，具有卷制O型、U型、多段R等不同形狀板材的功能，是容器類制造業(yè)必備的機(jī)械設(shè)備。在我國(guó)卷制鋼板厚度180 mm以下由電機(jī)驅(qū)動(dòng)或機(jī)械和液壓混合式驅(qū)動(dòng)的卷板機(jī)已有廠家生產(chǎn)，但是卷制鋼板厚度超過180 mm以上的全液壓卷板機(jī)在國(guó)內(nèi)還沒有廠家生產(chǎn)，尤其是機(jī)、電、液一體化的大規(guī)格卷板機(jī)在國(guó)內(nèi)更是屬于空白。近年來，石油煉化行業(yè)的發(fā)展對(duì)筒體類零部件提出了更高的要求，要求直徑大、筒體鋼板母材厚度增加、材料強(qiáng)度增高、筒體承受的壓力提高，這些無疑對(duì)卷板機(jī)的設(shè)備能力提出了更高的要求?，F(xiàn)以蘭州蘭石重工有限公司自主研發(fā)設(shè)計(jì)的 W12LSZ－280×3000重型全液壓四輥卷板機(jī)（卷板能力為3 m寬×3 m直徑×250 mm厚）為例，主要研究該四輥卷板機(jī)電氣控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與軟件實(shí)現(xiàn)。

1 工作原理

該四輥卷板機(jī)主要機(jī)械組成為上輥、下輥、前側(cè)輥、后側(cè)輥、液壓驅(qū)動(dòng)裝置、減速機(jī)、液壓馬達(dá)，如圖1所示。上輥固定在機(jī)架之間，下輥位于上輥的正下端，兩側(cè)輥位于下輥的兩側(cè)。下輥和兩個(gè)側(cè)輥的升降運(yùn)動(dòng)由兩端的液壓油缸驅(qū)動(dòng)。上、下輥均為旋轉(zhuǎn)主驅(qū)動(dòng)輥，上輥旋轉(zhuǎn)采用多臺(tái)液壓馬達(dá)輸出扭矩、減速器合流的全液壓驅(qū)動(dòng)方式，下輥旋轉(zhuǎn)采用單個(gè)液壓馬達(dá)、減速機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。

圖1 四輥卷板機(jī)機(jī)械組成圖

在鋼板卷制過程中，首先通過提升下輥來壓緊鋼板，通過升降側(cè)輥的高度卷制不同半徑的鋼板［1］。下輥、側(cè)輥的升降沿著各自軌道進(jìn)行，如圖2中的虛線所示。在整個(gè)鋼板成型過程中，上、下輥始終處于夾緊狀態(tài)，這便使設(shè)備可在自身最大工作能力下對(duì)各種厚度的板料進(jìn)行彎卷成型［2］。

圖2 四輥卷板機(jī)工作原理圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)動(dòng)力線路采用三相380 V、50 Hz交流電，控制回路采用220 V交流電和24 V直流電?？刂葡到y(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)（Ethernet）相結(jié)合的分布式控制結(jié)構(gòu)，采用SIEMENS S7－400 PLC作為主站，通過Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)［3］連接SIEMENS ET 200S分布式I／O遠(yuǎn)程站及Rexroth HNC100同步控制器；通過工業(yè)以太網(wǎng)連接SIEMENS MP377系列 HMI Panel。系統(tǒng)Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)組態(tài)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)

3 控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

在電氣控制中，下輥、兩側(cè)輥的每個(gè)液壓缸上都裝有位移傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)輥的當(dāng)前位置；上輥和下輥的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓馬達(dá)上裝有編碼器，實(shí)時(shí)檢測(cè)上輥和下輥的旋轉(zhuǎn)線速度。HNC100根據(jù)接收的PLC控制參數(shù)及位移傳感器的位置反饋信號(hào)做下輥、側(cè)輥升降的閉環(huán)控制，完成輥的自動(dòng)升降動(dòng)作；PLC根據(jù)接收的控制參數(shù)及編碼器的旋轉(zhuǎn)速度反饋信號(hào)做上、下輥旋轉(zhuǎn)速度的閉環(huán)控制，完成上、下輥的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。電氣系統(tǒng)控制的基本邏輯如圖4所示。

圖4 電氣系統(tǒng)控制邏輯圖

3．1 升降輥位移閉環(huán)控制系統(tǒng)

在卷板過程中，為了保證下輥和兩側(cè)輥的位置以及同一個(gè)輥兩端升降的同步性，采用位置閉環(huán)控制，如圖5所示。以下輥為例進(jìn)行說明，首先由操作工人根據(jù)工藝參數(shù)把下輥要到達(dá)的目標(biāo)位置（即輸入信號(hào)）設(shè)置在設(shè)定屏上，PLC讀取這個(gè)設(shè)定值并把它傳送給HNC100控制器；然后HNC100控制器把下輥的實(shí)際位置值（即反饋信號(hào)）和輸入信號(hào)進(jìn)行比較，如果兩者之間存在偏差就要進(jìn)行調(diào)節(jié)，此處僅用P（比例）調(diào)節(jié)器就能滿足要求。經(jīng)過調(diào)節(jié)后的信號(hào)直接輸出到比例閥，調(diào)節(jié)比例閥的開口度，比例閥的開口度就決定了進(jìn)入液壓缸的液壓油量；液壓缸中的液壓油驅(qū)動(dòng)下輥?zhàn)龃怪鄙祫?dòng)作。

圖5 位置閉環(huán)控制原理圖

HNC控制器是力士樂的同步控制器，其掃描周期為1 ms，比例閥的響應(yīng)速度大于20 Hz，當(dāng)下輥受到干擾時(shí)，設(shè)定位置值和位移傳感器反饋值存在偏差，只要存在偏差，HNC控制器的PID調(diào)節(jié)器就能快速動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，消除偏差，使下輥動(dòng)態(tài)地保持在設(shè)定位置。卷板工藝精度可達(dá)到±0．2 mm，滿足高效、高精度、高規(guī)格卷板生產(chǎn)要求；過載保護(hù)性能好；操作簡(jiǎn)單。

3．2 上下輥旋轉(zhuǎn)速度控制系統(tǒng)

上、下輥均為旋轉(zhuǎn)主驅(qū)動(dòng)輥，旋轉(zhuǎn)時(shí)兩個(gè)輥同時(shí)都要出力。由于卷板過程中曲率半徑不斷在變化，要達(dá)到線速度一致比較困難，為了達(dá)到工件旋轉(zhuǎn)角速度同步，上輥旋轉(zhuǎn)采用速度閉環(huán)自適應(yīng)控制。旋轉(zhuǎn)閉環(huán)控制框圖如圖6所示，PI參數(shù)跟隨速度，當(dāng)速度要求慢時(shí)參數(shù)調(diào)節(jié)慢，穩(wěn)定且沒有超調(diào)；當(dāng)速度要求快時(shí)參數(shù)調(diào)節(jié)快，跟隨性快，快速性好，自動(dòng)卷板時(shí)效果明顯。

該旋轉(zhuǎn)速度閉環(huán)控制主要參考的數(shù)學(xué)函數(shù)［4］為：

式中，u（t）為輸出電壓信號(hào)；e（t）為旋轉(zhuǎn)速度偏差信號(hào)；Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)。

下輥采用力矩控制，上輥旋轉(zhuǎn)的實(shí)際力矩作為下輥旋轉(zhuǎn)時(shí)

圖6 旋轉(zhuǎn)閉環(huán)控制框圖

的設(shè)定力矩。這樣對(duì)于不同的板厚，在筒內(nèi)外圓線速度不同的情況下，下輥能夠自動(dòng)調(diào)整旋轉(zhuǎn)力矩，很好地適應(yīng)卷板工藝要求。

4 結(jié)語

在實(shí)際應(yīng)用中，該控制系統(tǒng)能正常穩(wěn)定運(yùn)行，能準(zhǔn)確自動(dòng)控制升降輥的位置和上下輥的旋轉(zhuǎn)速度，并解決了兩個(gè)主驅(qū)動(dòng)輥的速度匹配問題。該卷板機(jī)是由青島蘭石重型機(jī)械設(shè)備有限公司定制的，并于2011年5月21日通過甘肅省科學(xué)技術(shù)廳專家組驗(yàn)收，為東南亞地區(qū)最大的一臺(tái)重型全液壓四輥卷板機(jī)。

［1］楊樹平，馬悅山．四輥卷板機(jī)的數(shù)控實(shí)現(xiàn)［J］．沈陽化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，19（2）：110－112．

［2］胡衛(wèi)龍．板料在四輥卷板機(jī)上的彎卷成形［J］．新技術(shù)新工藝，1987（6）：19－20．

［3］崔堅(jiān)．西門子S7可編程序控制器——STEP7編程指南［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：243－257．

［4］吳麟．自動(dòng)控制原理（上冊(cè)）［M］．北京：清華大學(xué)出版社，1990：146－149．