王 東

（太原重工 工程技術(shù)有限公司，山西 太原 030024）

0 引言

穿孔機(jī)的主要功能是將實心的管坯穿成空心的毛管。一個完善的穿孔機(jī)自動控制系統(tǒng)不僅能夠使設(shè)備安全可靠運行，而且可以保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高軋制節(jié)奏，使鋼廠經(jīng)濟(jì)效益最大化。本文介紹了Ф630穿孔機(jī)組的自動控制系統(tǒng)，其功能可以滿足鋼廠生產(chǎn)大口徑無縫鋼管的需求。

1 電氣控制系統(tǒng)描述

1.1 控制系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計

穿孔機(jī)自動控制系統(tǒng)由基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)和計算機(jī)控制系統(tǒng)組成。基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)是基于Profibus－DP總線的CPU控制，主要用于實現(xiàn)快速控制及工藝的聯(lián)鎖，包括頂桿小車的位置控制、主機(jī)架軋輥輥型的調(diào)整、頂桿前伸量的位置控制等。計算機(jī)控制系統(tǒng)由工控機(jī)等一些外設(shè)組成，其主要作用是進(jìn)行軋制工藝參數(shù)的管理、保存、下載，以及工藝參數(shù)的調(diào)整、故障的監(jiān)控和物料的跟蹤。

1.2 Profibus總線的應(yīng)用

Profibus總線（Process Field Bus）是一種國際性的開放式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。Profibus－DP（Decentralized Periphery）是一種經(jīng)過優(yōu)化的高速低成本通訊連接，專門用于自動控制系統(tǒng)與設(shè)備級分散I／O之間的通訊，使用Profibus－DP模塊可取代價格昂貴的24 V或0 mA～20 mA并行信號線，用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸。

穿孔機(jī)控制系統(tǒng)采用西門子S7－300PLC作為主PLC，以 CPU315－2DP 為主 CPU，遠(yuǎn)程I／O采用ET200 M為從站，主傳動、直流裝置、交流裝置通過DP與主PLC通訊。

硬件以S7－300PLC為核心，結(jié)合數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸出模塊、計數(shù)模塊，組成了自動控制系統(tǒng)。從站包括主操作臺、前臺現(xiàn)場操作臺、后臺現(xiàn)場操作臺、液壓系統(tǒng)、稀油系統(tǒng)、左輥主傳動、右輥主傳動、橫移小車、頂桿小車、前臺OP27操作面板、后臺OP27操作面板和輔助控制盤，從而構(gòu)成整個控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.3 位置自動控制在穿孔機(jī)中的應(yīng)用

穿孔機(jī)的軋輥輥縫位置調(diào)整是通過位置控制來實現(xiàn)的，具體通過電機(jī)和蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)來完成。其控制原理框圖如圖2所示。

圖2 軋輥輥縫控制框圖

在OP27操作面板上輸入所要調(diào)整的參數(shù)，啟動自動調(diào)整按鈕，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動，此時電機(jī)上的絕對值編碼器將反饋值與標(biāo)定值在PLC中比較，判定電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)、高速和慢速，從而控制電機(jī)傳動的精度，達(dá)到控制軋輥的精度。采用該方案后，輥縫的控制精度可達(dá)到±0.01 mm。軋輥輥縫自動調(diào)整工藝流程如圖3所示。其中，A為目標(biāo)值－標(biāo)定值，A1為死區(qū)值，B1為緩沖值。

圖3 軋輥輥縫調(diào)整工藝流程圖

在控制系統(tǒng)中采用絕對值編碼器作為反饋信號，絕對值編碼器采用SSI型，以保證精度和增加抗干擾能力。反饋的SSI信號由SM338模塊采集，在主CPU中計算，根據(jù)反饋的值控制電機(jī)的行程，從而形成所需大小的孔型。

1.4 邏輯控制系統(tǒng)

邏輯控制系統(tǒng)主要根據(jù)穿孔機(jī)的工藝要求進(jìn)行控制，分為前臺控制、主機(jī)架控制、主傳動控制、后臺一段控制和頂桿小車控制。它們之間相互獨立又密切聯(lián)系。

穿孔機(jī)工藝動作復(fù)雜，整個系統(tǒng)大約有800個點。在邏輯控制時，采用FBD來編寫整個系統(tǒng)的功能圖，通過它對穿孔機(jī)的工藝有一個正確、完整的認(rèn)識，是編寫LAD的基礎(chǔ)。

邏輯控制系統(tǒng)功能圖如圖4所示。

圖4 邏輯控制系統(tǒng)功能圖

結(jié)構(gòu)化編程是將復(fù)雜的自動化任務(wù)分解為能夠反映過程的工藝、功能且可以反復(fù)使用的小任務(wù)，這些任務(wù)由相應(yīng)的程序塊（或邏輯塊）來表示，程序運行時所需的大量數(shù)據(jù)和變量存儲在數(shù)據(jù)塊中。某些程序塊可用來實現(xiàn)相同或相似的功能，這些程序塊是相對獨立的，被OB1（組織塊）或別的程序塊調(diào)用。

調(diào)用者可以調(diào)用各種邏輯塊，包括用戶編寫的組織塊、FB（功能塊）、FC（功能）和系統(tǒng)提供的SFB與系統(tǒng)功能（SFC），被調(diào)用的塊是OB之外的邏輯塊。調(diào)用功能塊時需要為它指定一個背景數(shù)據(jù)塊，后者隨功能塊的調(diào)用而打開，調(diào)用結(jié)束時自動關(guān)閉，塊調(diào)用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

功能塊編程時使用的是“形參”，調(diào)用它時需要將“實參”賦值給“形參”。在一個項目中，可以多次調(diào)用同一塊。塊調(diào)用即子程序調(diào)用，塊可以嵌套調(diào)用，即被調(diào)用的塊又可以調(diào)用別的塊。允許嵌套調(diào)用的層次與CPU的型號有關(guān)。

在穿孔機(jī)的程序編制過程中，采用結(jié)構(gòu)化編程。其功能（FC）包括現(xiàn)場操作臺與主操作臺之間的切換、前臺的控制、主機(jī)座調(diào)整的控制、出口臺一段的控制、頂桿小車的控制、液壓站的控制和稀油站的控制；功能塊（FB）有軋輥輥縫的調(diào)整、三輥導(dǎo)向裝置的調(diào)整和輥道升降的調(diào)整。此外還有PLC與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。功能（FC）和功能塊（FB）都在組織塊（OB1）中調(diào)用，這樣編程既簡單又方便。我們先獨立地編寫每個區(qū)域的程序，分為自動、半自動和手動3部分，然后再根據(jù)工藝連鎖關(guān)系將每個區(qū)域串起來，這樣穿孔機(jī)的程序就編寫完畢。其優(yōu)點為當(dāng)發(fā)生故障時，可根據(jù)現(xiàn)場分析判斷，確定是哪部分發(fā)生錯誤，直接到相應(yīng)的區(qū)域去監(jiān)控程序，從而很快地找到錯誤所在，節(jié)省了時間，降低了勞動強(qiáng)度。

圖5 塊調(diào)用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 計算機(jī)控制系統(tǒng)

計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要用于工業(yè)生產(chǎn)過程中，對電氣控制部分進(jìn)行實時監(jiān)控，并具有實時數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)、報警等信息的記錄功能。無縫鋼管生產(chǎn)線各設(shè)備在生產(chǎn)過程中都有大量的變量需要實時監(jiān)控，以方便維護(hù)人員迅速地對現(xiàn)場突發(fā)事件做出應(yīng)急處理；軋制不同的管徑時，各調(diào)整機(jī)構(gòu)的位置都要發(fā)生相應(yīng)的變化，這些變化可以根據(jù)工藝要求提前在計算機(jī)系統(tǒng)中錄入，建立一個完整的數(shù)據(jù)庫，需要時直接將其下載到PLC中進(jìn)行全自動化的調(diào)整；報警記錄和變量記錄是把生產(chǎn)過程中的技術(shù)數(shù)據(jù)都記錄在計算機(jī)中，為今后設(shè)備檢修、排除故障提供重要依據(jù)。

對于無縫鋼管生產(chǎn)線，目前主要使用 Win CC、Intouch、i FIX、RSVIEW等工業(yè)組態(tài)軟件。本系統(tǒng)采用Win CC編程。

根據(jù)Ф630穿孔機(jī)組工藝的要求，在上位機(jī)上應(yīng)具有軋輥速度的設(shè)定、軋輥輥縫的調(diào)整、三輥導(dǎo)向裝置開口度的設(shè)定和檢測元件的監(jiān)控等功能。

2.1 軋輥速度的設(shè)定

軋輥速度設(shè)定在上位機(jī)上完成，可以在工控機(jī)上設(shè)定軋輥的速度，也可以根據(jù)管坯規(guī)格按照軋制表來選取軋輥的速度。按照軋制工藝要求，兩個軋輥的速度必須保證一致，這樣才能保證鋼管表面的光滑度，否則可能產(chǎn)生堆鋼或拉鋼現(xiàn)象，產(chǎn)生不合格的鋼管。

2.2 軋輥輥縫的調(diào)整

軋輥輥縫的調(diào)整是軋鋼工藝的關(guān)鍵步驟，它包含上、下導(dǎo)板和左、右軋輥的調(diào)整。上、下導(dǎo)板和左、右軋輥圍成一個圓，根據(jù)管坯大小的不同形成不同的孔型，管坯在頂桿和孔型的作用下變形，從而軋出鋼管。

上、下導(dǎo)板和左、右側(cè)壓進(jìn)的調(diào)整既可在現(xiàn)場操作臺完成，也可以在上位機(jī)上自動調(diào)整。更換規(guī)格時，輸入相應(yīng)的管坯直徑，啟動按鈕，系統(tǒng)將按照設(shè)定的孔型數(shù)學(xué)模型完成孔型的調(diào)整。

2.3 三輥導(dǎo)向裝置開口度的設(shè)定

每次更換鋼管規(guī)格時，首先在上位機(jī)上輸入相應(yīng)的管坯直徑和頂桿直徑，計算機(jī)便會按照已有的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算，從而確定三輥導(dǎo)向裝置開口度的具體位置，即頂桿位、毛管位和打開位的具體尺寸。

2.4 檢測元件的監(jiān)控

為了方便維護(hù)和檢修，將整個系統(tǒng)的檢測元件都在工控機(jī)上顯示，可以及時地了解每個接近開關(guān)和熱金屬檢測器的具體狀況。

3 結(jié)束語

實際生產(chǎn)證明，該控制系統(tǒng)易于操作，運行安全可靠，維護(hù)方便，得到了用戶的高度評價，為鋼廠創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。