董鐵成／本溪北營(yíng)鋼鐵（集團(tuán)）設(shè)計(jì)研究有限公司

淺談球磨鑄鐵管水泥內(nèi)襯機(jī)布料小車的定位控制

董鐵成／本溪北營(yíng)鋼鐵（集團(tuán)）設(shè)計(jì)研究有限公司

球磨鑄鐵管水泥內(nèi)襯機(jī)布料小車的定位控制是球磨鑄鐵管生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。本文提出控制系統(tǒng)，其中包括硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了論述。

球磨鑄鐵管；水泥內(nèi)襯；布料小車；控制系統(tǒng)

一、序論

水泥內(nèi)襯工藝是球磨鑄鐵管總體工藝流程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，該工藝是對(duì)已經(jīng)澆注完的管子內(nèi)壁進(jìn)行水泥襯層。對(duì)于直徑在100～1000mm的球磨鑄鐵管，襯層厚度為3～6mm。目前，據(jù)筆者所知：我國(guó)國(guó)內(nèi)幾家球墨鑄鐵管廠自行設(shè)計(jì)制造的水泥內(nèi)襯機(jī)還十分落后，不能充分滿足產(chǎn)品質(zhì)量的要求。筆者依據(jù)長(zhǎng)期從事球磨鑄鐵管水泥內(nèi)襯機(jī)設(shè)備的維護(hù)與保養(yǎng)的理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，擬對(duì)球磨鑄鐵管水泥內(nèi)襯機(jī)布料小車的定位控制，撰寫本文進(jìn)行探討和研究。

本溪北營(yíng)鋼鐵（集團(tuán)）股份有限公司球墨鑄鐵管廠于1994年從德國(guó)布拉格公司引進(jìn)了具有世界90年代水平的水泥內(nèi)襯機(jī)。共引進(jìn)大、小兩臺(tái)機(jī)組，分別對(duì)直徑在350～1000mm和100～300mm的管子進(jìn)行水泥襯層。按照國(guó)際產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)于直徑在100～1000mm的球墨鑄鐵管，其長(zhǎng)度可以分為四種：4.5m、5m、5.5m、6m。因此，在使用水泥內(nèi)襯機(jī)對(duì)管子進(jìn)行水泥襯層時(shí)，對(duì)不同直徑、不同長(zhǎng)度規(guī)格的管子，布料（即把水泥填充在管子內(nèi)）的多少是不同的，布料小車的位移（相對(duì)于起始位）及速度也不同，如圖1所示。

圖1 布料小車的行進(jìn)過(guò)程示意圖

當(dāng)管子傳送到布料工位后，布料小車從0位開始快速向前。到位1時(shí)，布料小車慢速向前。到位2時(shí)，布料小車停止，同時(shí)邊返回邊布料。到位3時(shí)，布料小車慢速返回，繼續(xù)布料。到位4時(shí)，布料小車停止布料并快速返回。到位5時(shí)，布料小車慢速返回，至位0停止。對(duì)于不同直徑、不同長(zhǎng)度規(guī)格的管子，圖1中位1、2、3、4、5相對(duì)于位0的距離是不同的，如果該距離控制不好，布料小車就會(huì)把料步在管子的外面，造成浪費(fèi)；或不能進(jìn)行充分布料，影響襯層質(zhì)量。根據(jù)工藝提出的這一要求，控制系統(tǒng)必須能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)布料小車進(jìn)行定位控制，這是水泥內(nèi)襯機(jī)在設(shè)計(jì)上需要解決的關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題。

二、布料小車電氣控制系統(tǒng)

1.硬件結(jié)構(gòu)。布料小車的定位控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

硬件采用了西門子S5－115U PLC控制系統(tǒng)。布料小車的行走速度通過(guò)三相交流電機(jī)及變頻調(diào)速器控制。當(dāng)布料小車行走經(jīng)過(guò)位1、2、3、4、5時(shí)，S5－115U分別向變頻調(diào)速器設(shè)定不同的頻率基準(zhǔn)值，以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而獲得工藝上要求的布料小車行走速度。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)布料小車進(jìn)行定位控制，該控制系統(tǒng)采用了西門子數(shù)字位置譯碼器IP241，并采用了增量位置編碼器匹配模板（匹配模板安裝在IP241上）。相應(yīng)的編碼器采用增量位置編碼器。編碼器的輪盤通過(guò)皮帶和布料小車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸相聯(lián)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，編碼器的轉(zhuǎn)盤跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，從而在編碼器內(nèi)部的電子電路中形成脈沖。這些脈沖通過(guò)傳輸導(dǎo)線傳送給IP241。IP241由兩個(gè)通道；通道1和通道2。每個(gè)通道有16個(gè)軌道。就其功能而言，IP241與凸輪控制器的功能相似，每個(gè)軌道相當(dāng)于一個(gè)電子凸輪。用戶可以根據(jù)工藝要求確定使用軌道的數(shù)量，并位這些軌道建立不同的起始與終止設(shè)定值。當(dāng)布料小車行走時(shí)，編碼器不斷向IP241發(fā)送脈沖，IP241的匹配模板對(duì)這些脈沖計(jì)數(shù)，以確定布料小車的實(shí)際位置。當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖的數(shù)值在一條軌道的起始與終止設(shè)定值之間時(shí)，IP241即對(duì)該軌道的標(biāo)識(shí)符置位。S5－115U根據(jù)軌道標(biāo)識(shí)符位的信號(hào)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)布料小車進(jìn)行定位控制。圖2中，管子長(zhǎng)度及管徑選擇開關(guān)用于選擇不同規(guī)格的管子。S5－115U根據(jù)管子的規(guī)格分別處理由用戶所設(shè)定的數(shù)據(jù)，從而控制布料小車的行走速度計(jì)位移。操作面板OP396用于設(shè)定數(shù)字位置譯碼器IP241所用軌道的起始與終止設(shè)定值。

2.軟件設(shè)計(jì)。S5－115U是通過(guò)集成在CPU內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)功能塊FB156及FB157來(lái)尋址IP241的。功能塊FB156用于對(duì)IP241進(jìn)行初始化，以便在S5－115U啟動(dòng)時(shí)將各軌道的起始與終止設(shè)定值傳送至IP241的匹配模板。IP241匹配模板上的數(shù)據(jù)在初始化之前被刪除掉。因此，在S5－115U啟動(dòng)程序中要調(diào)用功能塊FB156。功能塊FB157用于控制IP241，它所完成的功能根據(jù)其參數(shù)的設(shè)置情況決定。本設(shè)計(jì)中，功能塊FB157用于以下兩個(gè)方面：（1）進(jìn)行軟件級(jí)同步化 因?yàn)镮P241采用了增量位置編碼器匹配模板，所以S5－115U在啟動(dòng)以后，首先要對(duì)用戶所使用的通道建立零位移參考點(diǎn)，即進(jìn)行同步化。只有在進(jìn)行了同步化以后，IP241匹配模板才能對(duì)布料小車的行走位移計(jì)數(shù)。同步化可以在硬件上進(jìn)行，也可以在軟件上進(jìn)行。本設(shè)計(jì)中，同步化是在軟件上進(jìn)行的，即布料小車在起始位時(shí)，S5－115U調(diào)用功能塊FB157，并將其功能設(shè)置成軟件級(jí)同步化。（2）修改軌道設(shè)定值 當(dāng)管子規(guī)格變化時(shí)，相應(yīng)IP241各軌道（即被用戶所使用的軌道）的起始與終止設(shè)定值也必須跟著變化。為此，S5－115U必須通過(guò)調(diào)用功能塊FB157，并將其參數(shù)設(shè)置成修改軌道設(shè)定值才能實(shí)現(xiàn)這一功能。由于布料小車在行走過(guò)程中根據(jù)速度的變化需要確定5個(gè)位置，因此設(shè)計(jì)上使用IP241通道1的軌道0、1、2、3、4對(duì)應(yīng)布料小車的5個(gè)位置，即位1、2、3、4、5。各軌道的起始與終止設(shè)定值以及標(biāo)識(shí)符位的信號(hào)狀態(tài)如圖3所示。

圖3 軌道設(shè)定值與標(biāo)識(shí)符信號(hào)狀態(tài)

圖3中，軌道標(biāo)識(shí)符位的信號(hào)狀態(tài)在搞電壓時(shí)位“1，”在底電壓時(shí)為“0”。不同規(guī)格的管子所對(duì)應(yīng)的各軌道起始與終止設(shè)定值存儲(chǔ)在不同的數(shù)據(jù)塊中，當(dāng)選定某一種規(guī)格的管子后，打開相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊，其數(shù)據(jù)塊被傳送到由功能塊FB156指定的數(shù)據(jù)塊中。S5－115U再通過(guò)調(diào)用功能塊FB157將更新后的數(shù)據(jù)傳送至IP241，即可對(duì)模板上軌道0、1、2、3、4的起始與終止設(shè)定值進(jìn)行修改。采用上述控制方式所實(shí)現(xiàn)的布料小車定位控制，會(huì)使布料小車在位1、2、3、4、5產(chǎn)生小于20mm的行走誤差。造成這一誤差的主要原因是由于變頻調(diào)速器在響應(yīng)S5－115U的指令后需要有一個(gè)短的加速、減速過(guò)程和小車的慣性作用。但由于工藝上要求上的誤差范圍是0～30mm，上述誤差是能夠滿足工藝要求的。

三、結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中自動(dòng)化程度高、故障率低、控制準(zhǔn)確、布料適量，能充分保證產(chǎn)品的質(zhì)量。目前，本溪北營(yíng)鋼鐵（集團(tuán)）股份有限公司球墨鑄鐵管廠水泥內(nèi)襯機(jī)襯層合格率接近于100%，成效顯著。