程海龍

4500 t 快鍛油壓機(jī)是主要通過液壓元件控制的油壓機(jī)， 由于長時(shí)間運(yùn)行及受液壓油中雜質(zhì)的影響， 有時(shí)比例伺服閥會(huì)發(fā)生卡頓事故， 過去只能通過更換比例伺服閥先導(dǎo)來解決問題； 但是仍不能保證壓機(jī)不壓過線而導(dǎo)致鍛件報(bào)廢； 而且更換備件不僅延誤生產(chǎn)， 還消耗備件， 增加維修人員工作量。 而通過設(shè)計(jì)沖洗閥程序， 在不影響原程序正常工作的情況下， 由操作者啟動(dòng)沖洗閥程序解決閥芯堵塞問題， 減少維護(hù)時(shí)間， 提高設(shè)備的開動(dòng)率， 保障生產(chǎn)順利進(jìn)行。

1 沖閥系統(tǒng)的原理

1.1 液壓控制系統(tǒng)工作原理

某伺服液壓控制系統(tǒng)的能源為恒壓液壓泵，液壓動(dòng)力裝置由伺服閥和液壓缸組成。 伺服閥負(fù)責(zé)將電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換器給出的機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換成液壓信號(hào) （流量、 壓力） 放大后輸出。 液壓缸為執(zhí)行器， 它的輸入是壓力油流量， 輸出的是拖動(dòng)負(fù)載的運(yùn)動(dòng)速度或位移。 與液壓缸左端相連的傳感器負(fù)責(zé)檢測液壓缸的位置以構(gòu)成反饋控制 （見圖1）。

當(dāng)電氣輸入指令裝置發(fā)出一指令信號(hào)u1 時(shí)，系統(tǒng)將反饋信號(hào)u0 與指令信號(hào)相比較得出誤差信號(hào)u3， 經(jīng)放大器放大后 （通常為電流信號(hào)i） 輸出給電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換器， 由電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換器帶動(dòng)滑閥的閥芯移動(dòng)。 當(dāng)閥芯向右移動(dòng)一個(gè)距離時(shí)， 節(jié)流口b、 d 便有一個(gè)相應(yīng)的開口量， 閥芯的移動(dòng)距離及節(jié)流口的開口量 （通流面積） 與誤差信號(hào)u3 成比例。 閥芯移動(dòng)后， 液壓泵的壓力油由P 口經(jīng)節(jié)流口b 進(jìn)入液壓缸左腔， 右腔油由B 口經(jīng)節(jié)流口d回油， 液壓缸活塞桿推動(dòng)負(fù)載右移， 同時(shí)反饋傳感器動(dòng)作， 減小誤差及節(jié)流口開口量， 當(dāng)反饋信號(hào)與指令信號(hào)之差u3=0 時(shí)， 電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換器又回到中間位置 （零位）， 伺服閥也處于中間位置， 輸出流量為零， 液壓缸停止運(yùn)動(dòng)， 此時(shí)負(fù)載處于平衡位置， 從而完成液壓缸輸出位移對指令輸入的跟隨運(yùn)動(dòng)。 如果加入的是反指令信號(hào)， 則滑閥反向運(yùn)動(dòng)，液壓缸也反向跟隨運(yùn)動(dòng)。

1.2 PLC 編程原理

圖1 液壓控制原理圖

PLC 編程是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)， 因應(yīng)用廣、 功能強(qiáng)、 使用方便， 已經(jīng)成為工業(yè)自動(dòng)化的主要裝置之一， 在工業(yè)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域得到廣泛使用。 本文采用梯形圖語言 （LAD) 設(shè)計(jì)編制沖閥程序。 本次編程中涉及算法的開關(guān)量僅有0、 1 或者ON、 OFF 兩個(gè)值； 根據(jù)開關(guān)量的當(dāng)前輸入組合與歷史輸入順序， 由PLC 產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)量輸出，使系統(tǒng)能按一定順序工作； 除開關(guān)量外， 編程中還要用到模擬量， 如電壓、 電流、 壓力、 速度、 流量等， 使用中需要將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后交予PLC處理。 具體轉(zhuǎn)換時(shí)通過傳感器把模擬量轉(zhuǎn)換成電量， 遇到不標(biāo)準(zhǔn)電量時(shí)， 還要用變送器將非標(biāo)準(zhǔn)電量變成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)， 如4～20 mA、 1～5 V、 0～10 V等等。 最后由模擬量輸入單元 （A/D） 將標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)。 而模擬量輸出單元 （D/A） 負(fù)責(zé)把PLC 處理后的數(shù)字量再變換成模擬量-標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)。 模擬量的控制包括： 反饋控制、 前饋控制、 比例控制、 模糊控制等。 本文主要用到的有反饋控制和比例控制。

1.3 比例伺服閥控制原理

圖2 4500 t 快鍛伺服電控部分

4500 t 快鍛采用內(nèi)置放大板的比例伺服閥 （見圖2）， 其A 腳、 B 腳是比例伺服的24 V 電源， 比例伺服閥接線端子的D 腳和E 腳， 給比例伺服閥0～10 V 的電壓值輸入信號(hào)， 伺服閥通過內(nèi)置放大板將頂針的全行程位置控制在0～10 V 之間， F 腳是比例伺服閥反饋的實(shí)際變化值， 通過0～10 V 反映主閥所處的位置。

2 系統(tǒng)組成

2.1 硬件配置

該沖閥程序的硬件系統(tǒng)以現(xiàn)有SIMATIC S7-400 作為主邏輯控制器， 利用SIMATIC ET200 遠(yuǎn)程站作為執(zhí)行端控制站， 界面用SIEMENS WinCC 顯示， 控制總線用PROFIBUS 實(shí)時(shí)通訊。 利用操作臺(tái)SIMATIC ET200 遠(yuǎn)程站采集比例伺服閥的輸入信號(hào)， 輸出執(zhí)行端利用現(xiàn)有SIMATIC ET200 遠(yuǎn)程站對比例伺服閥進(jìn)行執(zhí)行信號(hào)的輸出（見圖3）。

2.2 軟件配置

該系統(tǒng)利用原SIEMENS STEP7 進(jìn)行PLC 硬件配置及編程， 用LAD （梯形圖） 控制邏輯編寫程序， 人機(jī)界面使用SIEMENS WinCC 軟件添加標(biāo)準(zhǔn)化界面， 由SIMATIC WinCC 提供與控制器PLC 及上位機(jī)等的通訊通道， 用于連接到SIMATIC S7 控制器的通訊， 以及內(nèi)置所有操作和管理功能。

圖3 沖閥程序硬件基礎(chǔ)

3 編程設(shè)計(jì)

3.1 前期準(zhǔn)備

在設(shè)計(jì)沖閥程序前， 為確保設(shè)備不會(huì)因沖閥程序運(yùn)行造成設(shè)備損壞需要提前確定沖洗比例閥時(shí)應(yīng)開啟或關(guān)閉的開關(guān)閥， 以及需要啟動(dòng)的泵等； 選擇合適的外部輸入點(diǎn)， 確定需要安裝的按鈕、 旋鈕及線路等。

3.2 設(shè)計(jì)思路

在編寫程序時(shí)， 需要先設(shè)計(jì)出樹形圖 （見圖4） 以輔助分析。 當(dāng)設(shè)備停止時(shí)， 作為起始狀態(tài)，工作程序段正常運(yùn)行， 沖閥程序不運(yùn)行； 本文的沖閥程序分為四個(gè)部分， 第一部分為沖閥選擇， 當(dāng)用旋鈕選擇檢修位時(shí)， 工作程序段全部禁用， 沖閥程序段可以運(yùn)行， 有綠燈顯示； 第二部分為沖閥程序啟動(dòng)條件： 提升缸壓力小于0.1MPa， 保證油壓機(jī)活動(dòng)橫梁落實(shí)， 防止錘頭墜落， 所有主泵處于停止?fàn)顟B(tài)， 防止在沖閥程序執(zhí)行時(shí)， 活動(dòng)橫梁發(fā)生竄動(dòng)， 啟動(dòng)控制泵和循環(huán)泵， 保證沖閥程序執(zhí)行時(shí)，有足夠的動(dòng)力， 按下沖閥程序啟動(dòng)按鈕， 操作面板綠色指示燈亮起， 用SIMATIC WinCC 做成閃爍畫面， 提醒操作者正在執(zhí)行沖閥程序， 在執(zhí)行沖閥程序前， 需要設(shè)定沖洗比例閥的范圍量； 第三部分是循環(huán)程序， 將需要沖洗的比例伺服閥分成兩組， 每組沖洗10 s， 20 s 為一個(gè)循環(huán)， 開啟對應(yīng)的開關(guān)電磁閥， 保證執(zhí)行沖閥程序， 如此往復(fù)； 第四部分停止沖閥程序， 按下沖閥停止按鈕， 工作選擇旋鈕轉(zhuǎn)到工作狀態(tài)， 沖閥程序停止， 操作面板上沖程序指示燈熄滅， SIMATIC WinCC 畫面警示消失， 沖閥程序結(jié)束， 設(shè)備可以正常使用（見圖5～7）。

3.3 比例伺服閥動(dòng)作過程

當(dāng)比例伺服閥輸入端子插口的D 腳、 E 腳無電信號(hào)時(shí)， 伺服閥內(nèi)的頂針被彈簧頂?shù)街形唬?比例伺服閥的X 口和Y 口的油路接通 （見圖8）， 比例伺服閥的內(nèi)部控制油壓力平衡， 主閥內(nèi)部無節(jié)流，主閥閥芯在中位不動(dòng)； 當(dāng)輸入端子的D 腳、 E 腳給定0～10 V 的電壓輸入信號(hào)時(shí)， 伺服閥內(nèi)的頂針被彈簧頂?shù)剿欧y的平行位或交叉位的某一個(gè)位置（如交叉位的變化量0～10 V， 當(dāng)電壓給定為5V 時(shí)，頂針就被頂?shù)浇徊嫖坏闹虚g位置）， 比例伺服閥的X 口和Y 口的油路通過平行位或交叉位管路流動(dòng)，內(nèi)部控制油的壓力形成壓差， 實(shí)現(xiàn)左側(cè)節(jié)流或右側(cè)節(jié)流， 主閥移動(dòng)并將閥芯位置反饋給放大板實(shí)現(xiàn)閉環(huán)回路調(diào)節(jié)， 再通過放大板轉(zhuǎn)換成0～10 V 電壓信號(hào)反饋給PLC。 因此， 只要控制伺服閥的0～10 V輸入信號(hào)， 就可以調(diào)節(jié)比例伺服閥開口的大小。

圖4 沖閥程序樹

圖5 基本沖閥程序段

4 實(shí)施過程

為了保證設(shè)備正常運(yùn)行， 不占用太多生產(chǎn)時(shí)間， 筆者按照以下步驟實(shí)施： 利用生產(chǎn)待料的間隙， 修改外部線路， 接入所需旋鈕、 按鈕和指示燈， 修改SIMATIC WinCC 畫面， 將程序?qū)胂到y(tǒng)；現(xiàn)場調(diào)試確定沖閥最終開口度、 時(shí)間和對應(yīng)的開啟順序， 確保設(shè)備正常使用； 為操作者編寫沖閥操作規(guī)范。

圖6 沖閥程序切換段

圖7 時(shí)間程序段

5 沖閥操作規(guī)程

為保證每個(gè)操作者都能掌握沖閥操作技術(shù)， 筆者制定沖閥操作規(guī)程。

（1） 油壓機(jī)沖閥條件

①、 將油壓機(jī)錘頭落到護(hù)套、 工件或下砧位置， 錘頭不能懸空、 回程缸壓力小于0.5 MPa。

②、 主泵全部處于停止?fàn)顟B(tài)。

③、 控制泵壓力大于23 MPa。

圖8 4500 t 快鍛油壓機(jī)比例伺服閥

（2） 開始沖閥操作（沖閥步驟）

①、 將操作選擇旋鈕撥到檢修位置。

②、 按下“啟動(dòng)沖閥” 按鈕， 沖閥按鈕燈亮，電腦畫面出現(xiàn)“紅色燈泡閃爍” （見圖9） 沖閥程序執(zhí)行沖洗。

③、 沖閥程序分兩組， BT3 和BT4 一組，BT5、 BT6 和BT7 一組， 每組沖10 s， 以最大流量沖洗5 s、 最小流量沖洗5 s， 然后切換到下一組，每20 秒為一個(gè)循環(huán)， 每次沖閥最少循環(huán)沖洗1 min。 從SIMATIC WinCC 畫面查看沖閥動(dòng)作是否正常（見圖10）。

④、 按下沖閥停止按鈕， 電腦畫面 “紅色燈泡閃爍” 消失， “啟動(dòng)沖閥” 按鈕燈熄滅， 沖閥程序停止。

⑤、 操作選擇旋鈕旋轉(zhuǎn)到工作位置， 設(shè)備可以正常工作。

6 取得效果

沖閥程序投入使用后， 大幅降低了由于比例伺服閥卡頓導(dǎo)致的設(shè)備故障率， 減少生產(chǎn)時(shí)間的延誤， 降低備件消耗及維修人員的工作量。 該程序2020 年3 月投入使用至今， 沒有再發(fā)生因比例伺服閥卡頓引起設(shè)備故障（見表1）。

7 結(jié) 語

本文在已有程序和SIMATIC WinCC 畫面的基礎(chǔ)上， 設(shè)計(jì)編寫沖閥程序和標(biāo)準(zhǔn)化界面，在4500 t 快鍛油壓機(jī)發(fā)生比例伺服閥卡頓時(shí)，由操作者切換到?jīng)_閥程序迅速排除故障。

圖9 SIMATIC WinCC 燈泡閃爍

圖10 SIMATIC WinCC 顯示比例伺服閥的動(dòng)作

表1 4500 t 快鍛故障統(tǒng)計(jì)表