杜國坤，鐘捷，張超

（北京機械工業(yè)自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

近年隨著國家鐵路網(wǎng)的建設(shè)，國內(nèi)城市軌道交通的建設(shè)，以及一帶一路中歐班列加大貨運列車等因素的影響，市場對軌道車輪的需求逐步增加，對車輪的質(zhì)量要求也更加嚴(yán)格。隨之而來的技術(shù)、產(chǎn)能等不確定因素給中國軌道交通制造企業(yè)帶來一定的挑戰(zhàn)，企業(yè)需要迎接挑戰(zhàn)并發(fā)現(xiàn)機遇，為市場提供足量產(chǎn)品的同時進(jìn)一步提升產(chǎn)品質(zhì)量。

在此背景下，某軌道交通公司對鍛軋車間一現(xiàn)有陳舊軌道車輪臥式軋機進(jìn)行控制系統(tǒng)現(xiàn)代化升級。

1 軋機現(xiàn)狀及問題

該生產(chǎn)線于1997年從加拿大CSW輾鋼整體引進(jìn)的軌道車輪專用生產(chǎn)設(shè)備，后經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計和技術(shù)創(chuàng)新，建成了中國第二條輾鋼整體軌道車輪生產(chǎn)線，設(shè)計目標(biāo)年產(chǎn)車輪20萬片。

但設(shè)備現(xiàn)狀已經(jīng)老舊，設(shè)備運行狀態(tài)檢測多為指針式儀表，控制方式多為手動，精度控制無法滿足需求，軋制外徑差異化比較大，無法完成年產(chǎn)目標(biāo)，造成產(chǎn)能低能耗高的情況。軋機傳動結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軋機傳動結(jié)構(gòu)圖

1.1 調(diào)速設(shè)備現(xiàn)狀

原傳動調(diào)速電機為直流電機，先已故障頻發(fā)且維護(hù)成本較大。直流調(diào)速裝置多次發(fā)生可控硅損壞情況，嚴(yán)重影響生產(chǎn)使用。

1.2 定位設(shè)備現(xiàn)狀

原位置微調(diào)機構(gòu)為定速或手搖方式，有些機構(gòu)已經(jīng)喪失調(diào)節(jié)能力，無法快速對軋制位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，且不具備位置記憶功能。原位置微調(diào)機構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 原位置微調(diào)機構(gòu)參數(shù)

1.3 液壓系統(tǒng)現(xiàn)狀

原液壓系統(tǒng)為分散式油站模式，分布在現(xiàn)場，不易維護(hù)，多種閥門已經(jīng)損壞，現(xiàn)有儀表不具備信號遠(yuǎn)傳功能。

1.4 外徑測量現(xiàn)狀

原車輪外徑測量裝置為鋼絲繩連接主軋輥移動機架，帶動指針式轉(zhuǎn)盤進(jìn)行位置顯示，完全靠人工判斷是否軋制到位，導(dǎo)致外徑大小差異較大。

1.5 設(shè)備聯(lián)鎖

上下料系統(tǒng)為獨立系統(tǒng)，與軋機都不具備信號交互能力，設(shè)備間容易出現(xiàn)互相干涉的情況，存在安全生產(chǎn)問題。

2 控制需求

2.1 總體框架

需要配套PLC控制系統(tǒng)，做到軋制過程自動控制且可人為干預(yù)。設(shè)置上位畫面控制系統(tǒng)，具備重要參數(shù)可更改、查看、記錄等功能。

2.2 傳動能力

主軋輥、上、下邊輥傳動電機改為交流變頻電機并具備過載能力[2]。電機可以承載2.5倍過載為5秒，1.5倍過載為20秒。

2.3 軋制時序

車輪軋制時間為45秒，一個循環(huán)節(jié)拍為72秒。傳動調(diào)速控制需具備按設(shè)定斜率加速、減速的功能，并根據(jù)工藝軋制需求調(diào)節(jié)傳動速度。速度控制時序圖如圖2所示。

圖2 傳動速度控制時序圖

2.4 定位功能

位置微調(diào)機構(gòu)需具備快速調(diào)節(jié)功能，并具備位置記憶功能。每次更換車輪品種后都要根據(jù)車輪輞寬、輞厚等數(shù)據(jù)對微調(diào)機構(gòu)進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，當(dāng)某一品種車輪調(diào)節(jié)成型后需將位置數(shù)據(jù)按該品種型號記錄保存下來，方便后續(xù)快速更換車輪品種。

2.5 液壓軋制

重新設(shè)計液壓系統(tǒng)，將原有的多個油站模式，更改為共用一個油站的模式。并設(shè)置在線監(jiān)測傳感器，實現(xiàn)軋制壓力自動控制的功能[4]。壓力控制時序圖如圖3所示。

圖3 液壓軋制壓力時序圖

2.6 節(jié)能需求

控制過程中考慮節(jié)約能源的環(huán)節(jié)，為生產(chǎn)的節(jié)能減排做好基礎(chǔ)。

2.7 安全聯(lián)鎖

與上下車輪機械手進(jìn)行信號交互，并對設(shè)備動作進(jìn)行安全聯(lián)鎖。

3 實施方案

3.1 控制系統(tǒng)

PLC信號采集及驅(qū)動系統(tǒng)通過PROFINET總線與CPU通訊控制。變頻驅(qū)動系統(tǒng)及伺服驅(qū)動系統(tǒng)放置在控制室，CPU控制柜放置在操作室，在通訊端口比較集中的地方使用交換機通訊。

3.2 位置檢測

增設(shè)上輥壓下機構(gòu)等位置的檢測元件[1]，選用柔性連接的磁位移傳感器，代替原有的機械限位開關(guān)，固定方式具有自適應(yīng)功能，受到外力振動時能安全可靠運行。

3.3 傳動電機

軋機主軋輥電機選用額定功率為160KW，額定轉(zhuǎn)速600轉(zhuǎn)/分的交流電機，上、下軋邊輥傳動電機選用額定功率為450KW，額定轉(zhuǎn)速750轉(zhuǎn)/分的交流電機，在電機后端安裝編碼器來檢測電機的轉(zhuǎn)速。上下輥電機電機選用水冷方式。

3.4 變頻控制

傳動變頻器采用共直流母線供電，選型與電機過載能力匹配?？刂品绞讲捎瞄]環(huán)矢量變頻控制。

3.5 稀油潤滑

軋機稀油潤滑泵遠(yuǎn)程控制，對各稀油潤滑點進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測狀態(tài)接入PLC并與系統(tǒng)進(jìn)行連鎖控制。監(jiān)測的主要潤滑采集點有：

1）三個稀油站泵前壓力，

2）三個過濾器后油流，

3）主軋輥末端油流，

4）上輥和減速箱末端油流，

5）下輥末端油流。

3.6 干油潤滑

增加干油潤滑控制系統(tǒng)。具備一鍵遠(yuǎn)程潤滑，其中4塊雙線分配器，8塊遞進(jìn)式分配器，46個潤滑點，轉(zhuǎn)動部位24°/分鐘。

3.7 定位伺服控制

位置微調(diào)機構(gòu)采用伺服電機驅(qū)動，配置多圈絕對值編碼器。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境將裝置電機防護(hù)等級配置為IP65。采用直流-交流伺服驅(qū)動器進(jìn)行位置控制，具備快速調(diào)節(jié)、位置信息讀取記錄的功能。

3.8 液壓系統(tǒng)及配套

液壓系統(tǒng)采用共用油站的模式，安裝至集中的液壓泵站房。上扎邊充液方式改為充液箱和高壓油箱分離的方式，設(shè)備上配無壓充油箱，集中泵站配泵自動給充液箱補油。系統(tǒng)油站配溫度、液位等監(jiān)測并接入PLC系統(tǒng)，各液壓支路配置開關(guān)量電磁閥完成設(shè)備的方向動作，配置伺服閥及壓力傳感器完成設(shè)備的壓力控制等。

3.9 數(shù)據(jù)通訊

軋機控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線PROFINET與上下車輪機械手進(jìn)行通訊，并互相傳遞交互區(qū)域安全聯(lián)鎖信號。

4 現(xiàn)場測試

4.1 具體軋制流程

1）選擇自動開始→2、軋機上軋邊輥、壓緊輥、主軋輥到起始位-→3、上料機械手到軋機上料位→4、軋機壓緊輥、主軋輥到上料位→5、上料機械手松開，毛坯放到接料架上-→6、上料機械手抬起，退回原位-→7、壓緊輥、坯料、主軋輥運行至軋制位-→8、上、下軋邊輥、導(dǎo)向輥夾緊毛坯-→9、上、下軋邊輥、主軋輥以1檔速度運轉(zhuǎn)-→10、壓緊輥、上邊輥、主軋輥開始加壓-→11、上、下軋邊輥由1檔速度提升至2檔速度，上軋邊輥以一定斜率加壓到設(shè)定壓力，主軋輥保持壓力，壓緊輥以一定斜率加壓至設(shè)定壓力-→12、根據(jù)車輪尺寸的要求，壓緊輥、主軋輥裝置上配置的位移傳感器經(jīng)計算處理數(shù)據(jù)，精確確定車輪終軋位置-→13、車輪終軋到位，壓力輥快速卸壓、傳動輥停止轉(zhuǎn)動-→14、打開上、下軋邊輥-→15、導(dǎo)向輥退回到后限位-→16、壓緊輥、毛坯、主軋輥運行至軋機下料位-→17、軋機下料手抓緊車輪-→18、主軋輥、壓緊輥退回到起始位-→19、軋機下料手夾緊車輪完成下料，至此整個車輪的軋制過程結(jié)束[3]。自動軋制流程如圖4所示。

圖4 自動軋制流程圖

4.2 控制網(wǎng)絡(luò)及方式

根據(jù)方案將現(xiàn)場控制設(shè)備通過Profinet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高速連接，提高信號交互速率。生產(chǎn)線采用觸摸屏、工控機操作為主，選擇開關(guān)、按鈕為輔的操作方式。通過觸摸屏和工控機的界面，顯示生產(chǎn)過程的設(shè)定值和實際值，顯示和控制各傳動裝置，顯示輔助設(shè)施的運行狀態(tài)。同時，系統(tǒng)又擁有完善的故障診斷功能，對機組控制系統(tǒng)進(jìn)行在線診斷和事故報警監(jiān)視?？刂凭W(wǎng)絡(luò)如圖5所示。

圖5 控制網(wǎng)絡(luò)圖

4.3 軟件計算邏輯

在軋制過程中，車輪直徑不斷擴展，壓緊輥逐漸向前推進(jìn)，主軋輥不斷退回，外徑測量數(shù)據(jù)隨著軋制過程不斷變化，最終在軋制到位后停機。PLC通過接收外徑測量系統(tǒng)測回的數(shù)據(jù)，對車輪是否軋制到位做出判斷，做出是否停機的指令。PLC控制邏輯如圖6所示。

圖6 PLC計算邏輯圖

4.4 變頻矢量調(diào)速

傳動設(shè)備采用交流電機傳動，變頻調(diào)速設(shè)備的傳動均采用直-交矢量調(diào)速，控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)全部采用全數(shù)字式控制系統(tǒng)。傳動系統(tǒng)實現(xiàn)速度控制、張力控制、緊急停車控制、故障診斷和顯示報警、與上位機網(wǎng)絡(luò)通訊等功能。軋制過程采用速度環(huán)飽和轉(zhuǎn)矩限幅的控制方式。在設(shè)備調(diào)試期進(jìn)行速度閉環(huán)優(yōu)化，記錄并優(yōu)化傳動轉(zhuǎn)動數(shù)據(jù)，做到軋制的快速精度反應(yīng)。速度閉環(huán)優(yōu)化如圖7所示。

圖7 傳動速度閉環(huán)優(yōu)化圖

4.5 外徑測量及計算

車輪外徑測量采用磁致伸縮傳感器，安裝于密閉無桿油缸內(nèi)，滿足在線實時測量并顯示，傳感器控制分辨率為0.1mm，車輪最終軋制精度達(dá)到±1.0mm。車輪軋制過程外徑數(shù)據(jù)曲線如圖8所示。

圖8 車輪軋制外徑曲線圖

4.6 軋制壓力

上軋邊輥、壓緊輥、主軋輥、導(dǎo)向輥在無桿腔液壓油路裝有壓力傳感器，實時采集軋制過程中的壓力數(shù)據(jù)并反饋至PLC，根據(jù)軋制壓力需求控制伺服閥開度，做到軋制壓力閉環(huán)控制。在系統(tǒng)各壓力泵出口液壓管路上配置壓力傳感器，對各系統(tǒng)壓力進(jìn)行實時監(jiān)測，增強壓力監(jiān)測報警功能。壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)如圖9所示。

圖9 壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)圖

4.7 上位控制

控制系統(tǒng)上位機軟件，滿足軋機所需要的操作和監(jiān)控，可以保存需要的生產(chǎn)參數(shù)和過程數(shù)據(jù)，具有設(shè)定、存儲、調(diào)取各產(chǎn)品工藝參數(shù)的功能。將參數(shù)設(shè)定按等級設(shè)置權(quán)限，防止出現(xiàn)誤操作的情況。將各報警進(jìn)行集中顯示，對找到故障原因和故障歷史起到輔助作用。將過程數(shù)據(jù)生成趨勢，方便隨時分析軋制數(shù)據(jù)。

4.8 控制數(shù)據(jù)記錄

上下軋邊輥、主軋輥傳動電動機狀態(tài)數(shù)據(jù)和軋制過程數(shù)據(jù)等在上位機中顯示，并形成曲線以提供診斷依據(jù)，如電機轉(zhuǎn)速、電機電流、運轉(zhuǎn)時間、電機溫度、冷卻水時長和溫度、驅(qū)動器溫度等。在監(jiān)視數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，對故障狀態(tài)進(jìn)行及時報警，并提供報警內(nèi)容和處理建議，必要時停機。

4.9 設(shè)備保護(hù)

液壓站泵使用軟啟動方式控制電機啟停，并對大功率電機設(shè)置一鍵順序啟動功能，防止同時啟動對電網(wǎng)電壓的影響。

4.10 壓力曲線

壓緊輥、上軋邊輥、主軋輥、導(dǎo)向輥等液壓設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)和軋制過程數(shù)據(jù)等在上位機集中顯示，并可以形成曲線提供診斷依據(jù)。可通過上位機軟件或觸摸屏調(diào)整加壓壓力和加壓時間等參數(shù)，PLC根據(jù)加壓斜率自動調(diào)節(jié)軋制過程數(shù)據(jù)。軋制壓力數(shù)據(jù)曲線如圖10所示。

圖10 軋制壓力數(shù)據(jù)曲線圖

4.11 溫度檢測

紅外測溫儀實時監(jiān)測、采集、反饋車輪軋前溫度并在上位機上顯示。溫度測量范圍在800℃--1200℃，軟件通過比較實時溫度進(jìn)而記錄下來料的最高溫度。來料溫度低于950℃預(yù)警，以顏色區(qū)分。

4.12 節(jié)能控制

交流調(diào)速裝置是直流電源輸入、交流電源輸出的工作模式，所以采用一臺整流回饋單元統(tǒng)一提供直流電源，這種配置方式使得處于發(fā)電或電動狀態(tài)的控制單元之間可以通過中間回路進(jìn)行能量交換、降低電力損耗，并能實現(xiàn)將過余電能回饋至電網(wǎng)，實現(xiàn)節(jié)約電力能源的作用。

軋制過程中實現(xiàn)對冷卻水和吹掃空氣的自動控制，對冷卻時長進(jìn)行記錄、保存。并可以設(shè)定自動啟停時間，實現(xiàn)節(jié)約氣能和水能源的作用。

4.13 與二級系統(tǒng)交互

與生產(chǎn)線二級系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)信號交互，現(xiàn)場總線采用PROFINET。數(shù)據(jù)內(nèi)容主要為車輪軋制過程數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)已文件形式保存在本地3個月。軋制數(shù)據(jù)自動保存至文件如圖11所示。

圖11 軋制數(shù)據(jù)自動保存文件圖

4.14 控制模式介紹

軋機控制系統(tǒng)具有模式轉(zhuǎn)換功能，包括自動模式、手動模式、急停模式（3秒內(nèi)停機，不斷電）等。當(dāng)有新品種車輪需要上線時可以根據(jù)車輪數(shù)據(jù)對軋制參數(shù)進(jìn)行初步設(shè)定，在實際軋制中對各參數(shù)進(jìn)行修正。也可將軋機切換至手動模式，對新品種車輪進(jìn)行數(shù)據(jù)線上標(biāo)定，對軋制數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，在后續(xù)軋制中直接自動調(diào)用記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行軋制。

4.15 定位數(shù)據(jù)配方功能

每次新尺寸車輪的位置調(diào)節(jié)成功后可以將位置微調(diào)伺服機構(gòu)的位置按配方進(jìn)行記錄，在以后再生產(chǎn)同品種車輪時，可按配方名稱調(diào)出進(jìn)而實現(xiàn)位置快速的調(diào)整。微調(diào)伺服機構(gòu)位置數(shù)據(jù)按車輪尺寸生成配方如圖12所示。

圖12 伺服位置數(shù)據(jù)配方圖

4.16 稀油自動潤滑

稀油潤滑采用油泵供油、重力回油的方式，供油管道設(shè)置壓力傳感器，檢測信號反饋至PLC做為傳動啟動的聯(lián)鎖條件。各潤滑之路進(jìn)行油流檢測，并對壓力實際值和油流信號進(jìn)行實時顯示和信號報警。

4.17 干油自動潤滑

干油潤滑配有油位檢測傳感器，可滿足箱體潤滑油的自動補給?？刂葡渚邆溥h(yuǎn)程/本地切換功能，方便設(shè)備維護(hù)時進(jìn)行現(xiàn)場潤滑。

4.18 數(shù)據(jù)聯(lián)鎖

由于上下車輪機械手為獨立控制系統(tǒng)，通過加裝硬件PN-PN Coupler進(jìn)行PROFINET通訊，通過互相傳遞生命呼吸信號進(jìn)行通訊正常的判定，確保交互信號的有效性，并將異常信號做出蜂鳴輸出提醒現(xiàn)場人員，并進(jìn)行報警記錄。通過通訊將設(shè)備信號進(jìn)行了無縫傳遞，完成了動作的連貫性，節(jié)省了軋制時間。

5 結(jié)語

本次升級完成了對車輪軋制的自動控制，各設(shè)備點具備了自動可控可調(diào)的能力，做到了數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控并能長期保存記錄。完成了與生產(chǎn)線其他設(shè)備的數(shù)據(jù)交互，并將車輪工藝數(shù)據(jù)上傳至工廠二級系統(tǒng)。對生產(chǎn)效率及車輪合格率等做到了極大的提升。

相繼完成了50件單小時設(shè)計產(chǎn)能，910件車輪單日設(shè)計產(chǎn)能，2730件連續(xù)72小時設(shè)計產(chǎn)能。成品外徑總體合格率達(dá)到了95%以上，較加入自動控制之前提高了近8個百分點。成品外徑分布數(shù)據(jù)如圖13所示。

圖13 成品外徑分布數(shù)據(jù)圖

該項目已全面達(dá)產(chǎn)達(dá)效，以實際行動推動了規(guī)模性產(chǎn)生的疊加效應(yīng)，為全面推動降本增效邁出堅實一步。