閔海斌

(陜西鋼鐵集團(tuán)漢中鋼鐵公司軋鋼廠，陜西漢中724200)

0 引 言

目前，國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)頻繁發(fā)生集卷升降托板墜落事故，導(dǎo)致生產(chǎn)線處于停產(chǎn)狀態(tài)，不僅給生產(chǎn)造成很大影響，而且給企業(yè)造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。作為集卷升降托板擔(dān)負(fù)著成品的收集，是生產(chǎn)線的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備，它的好壞對(duì)生產(chǎn)起著決定性的作用，因此保證托板可靠穩(wěn)定運(yùn)行成為生產(chǎn)線的重要任務(wù)。現(xiàn)有的一些方案如:定期檢查電機(jī)制動(dòng)器的磨損和發(fā)熱情況，對(duì)絕對(duì)編碼器固定支架進(jìn)行減震處理在PLC 程序速度檢測(cè)塊中，修改比較設(shè)定速度和實(shí)際運(yùn)行速度的差值等，都不能很好解決此問(wèn)題。

本研究運(yùn)用西門子S120 變頻器和PLC 實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算控制理論，結(jié)合位能性負(fù)載的特性，對(duì)出現(xiàn)的故障現(xiàn)象通過(guò)查找產(chǎn)生的原因，提出改造方案，并進(jìn)行解決。

1 升降托卷板概述

升降托卷板的主要功能是將從集卷筒落下來(lái)的成品線材由托卷板承接，并隨托卷板逐漸下降，使線卷的密度均勻，線圈全部離開(kāi)集卷筒時(shí)，托卷板下降到低位，線卷被移出進(jìn)行收集。升降托卷板的機(jī)械部分是整個(gè)設(shè)備的主體框架，通過(guò)電氣控制系統(tǒng)來(lái)完成電動(dòng)升降功能。

1．1 托板電氣控制系統(tǒng)

托板升降主傳動(dòng)控制系統(tǒng)［1-2］采用SINAMICS S120 系列變頻器，對(duì)一臺(tái)37 kW 的交流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，控制單元選用CU320-2DP，CF 卡固件版本，驅(qū)動(dòng)組件之間通過(guò)高速通訊接口DRIVE-CLiQ 來(lái)連接，托板升降邏輯控制部分選用S7-300PLC，采用Profibus-DP 網(wǎng)與變頻器的控制單元為CU320-2DP 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和通訊處理［3-5］，從而保證托板系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。

電氣控制系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 電氣控制系統(tǒng)

1．2 托板機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)

托板升降機(jī)械傳動(dòng)部分由一臺(tái)減速電機(jī)，主動(dòng)輪通過(guò)聯(lián)軸器與減速電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)，主動(dòng)輪通過(guò)鏈條與中間傳動(dòng)過(guò)渡輪、從動(dòng)輪相連，從動(dòng)輪上的鏈條與升降托板相連，主動(dòng)輪上的鏈條通過(guò)主體支架底座鏈輪與升降托板下端相連，完成升降托板上升下降功能［6-9］。

托板機(jī)械傳動(dòng)如圖2 所示。

圖2 托板機(jī)械傳動(dòng)

1．3 托板升降工作原理

正常生產(chǎn)工作過(guò)程中，托板升降邏輯控制部分由PLC 來(lái)完成，向s120 變頻器發(fā)合閘、分閘、啟、停、高低調(diào)速等控制信號(hào)，其工作過(guò)程由上升和下降兩個(gè)過(guò)程完成。

托板在整個(gè)上升、下降過(guò)程中，集卷筒中的盤卷始終保持在一定的高度上并在集卷筒內(nèi)，即保證了集卷的質(zhì)量，又能有足夠的時(shí)間等待下一支盤卷鋼的收集，從而滿足了生產(chǎn)軋制節(jié)奏的要求。

升降托板控制流程圖如圖3 所示。

圖3 升降托板控制流程圖

2 故障分析

托板空載工作時(shí)，當(dāng)發(fā)托板“上升指令”時(shí)，升降托板瞬間有偶發(fā)墜落事故;托板重載時(shí)，當(dāng)發(fā)托板“下降指令”時(shí)，升降托板瞬間有偶發(fā)墜落事故;無(wú)論托板空載或重載，在發(fā)托板“停止指令”時(shí)，升降托板瞬間也有偶發(fā)墜落事故。現(xiàn)有方案仍不能從根本上解決上述問(wèn)題。為此，還需進(jìn)一步采集大量數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析研究。

2．1 運(yùn)用數(shù)據(jù)和圖形監(jiān)控分析

本研究用WICC 軟件對(duì)托板墜落的相關(guān)信號(hào)參數(shù)進(jìn)行采樣和圖形監(jiān)控。WICC 具有實(shí)時(shí)監(jiān)控，記錄歷史趨勢(shì)和故障信息，豐富的圖形庫(kù)，過(guò)程控制功能塊，數(shù)學(xué)函數(shù)等功能，研究人員可利用WICC 將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示并做曲線趨勢(shì)記錄，同時(shí)可在畫面中設(shè)置故障報(bào)警信息功能，為技術(shù)人員提供故障分析依據(jù)。升降托板波形圖如圖4 所示。

在托板發(fā)生墜落事故中，本研究通過(guò)大量的數(shù)據(jù)采樣和圖形監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)托板在墜落時(shí)，從監(jiān)控圖上看使能信號(hào)、電機(jī)抱閘信號(hào)、電流信號(hào)、編碼器值、給定速度值、實(shí)際速度值時(shí)而出現(xiàn)異常時(shí)而正常(諸如因電機(jī)制動(dòng)器摩擦片間隙大，會(huì)導(dǎo)致墜落，但監(jiān)控各信號(hào)、曲線顯示正常)，出現(xiàn)無(wú)序化。只有實(shí)際速度值及編碼器值曲線是電機(jī)實(shí)際反饋狀態(tài)值，只體現(xiàn)結(jié)果;其他監(jiān)控信號(hào)只“發(fā)”而不能形成閉環(huán);還因各種邏輯判斷關(guān)系執(zhí)行過(guò)程中相互交叉影響，無(wú)法通過(guò)圖形監(jiān)控來(lái)進(jìn)行分析。上述原因?qū)е潞茈y運(yùn)用數(shù)據(jù)、圖形分析的方法解決此類問(wèn)題，但可為下一步解決問(wèn)題，提供了新的思路和方法，首先可從以下幾方面考慮:

圖4 升降托板波形圖

(1)托板在運(yùn)行整個(gè)過(guò)程前后，電機(jī)使能信號(hào)如何給定的問(wèn)題。

(2)使能信號(hào)可能偶爾短時(shí)丟失的問(wèn)題。

(3)電磁抱閘松緊(制動(dòng)器磨擦片間隙過(guò)大過(guò)小)的問(wèn)題。

(4)控制邏輯之間的邏輯安全判斷問(wèn)題。

(5)PLC 控制與變頻器控制信號(hào)的分界點(diǎn)如何劃分。

3 方案解決及改進(jìn)措施

(1)修改程序。變頻器使能信號(hào)在托板上升/下降整個(gè)過(guò)程中一直給定，不封鎖變頻器使能。只有在長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)或檢修時(shí)，分掉使能開(kāi)關(guān)(同時(shí)電機(jī)風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行)，封鎖變頻器使能，確保設(shè)備檢修安全。因此筆者在操作臺(tái)增加一個(gè)“使能合/分閘”開(kāi)關(guān)，在操作托板上升/下降前，使能必須合閘，電機(jī)風(fēng)機(jī)運(yùn)行進(jìn)行冷卻，此時(shí)電機(jī)將產(chǎn)生電磁力矩，因變頻器給定速度為0，電機(jī)處于等待運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)托板上升/下降操作時(shí)(變頻器給定速度不為0)，托板就在電機(jī)的拖動(dòng)下上升/下降運(yùn)行。

(2)選用兩組定滑輪。筆者給托盤加配重，使其配重的重量與托板自重基本相當(dāng)，降低了整個(gè)系統(tǒng)控制的難度。在有些異常情況下，當(dāng)托板上升/下降操作時(shí)，抱閘得電打開(kāi)，若變頻器使能偶爾發(fā)生丟失，即使變頻器建立起的力矩不足以克服托板重量，因托盤加有配重，托板也不會(huì)發(fā)生墜落現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)電磁抱閘的間隙調(diào)整及維護(hù)水平大幅度地降低，同時(shí)也減少了托板鏈條的沖擊力，起到緩沖作用，延長(zhǎng)了鏈條的壽命。升降托板機(jī)構(gòu)圖5 所示，改進(jìn)后托板機(jī)械傳動(dòng)如圖6 所示。

圖5 升降托板機(jī)構(gòu)示意圖

(3)速度控制抱閘。本研究將原PLC 依靠絕對(duì)值編碼器測(cè)量值來(lái)控制抱閘打開(kāi)或關(guān)閉，改由變頻器自身進(jìn)行速度判斷并控制抱閘的打開(kāi)或關(guān)閉，實(shí)際工作中，當(dāng)變頻器內(nèi)部檢測(cè)到電機(jī)速度小于30 r/min，認(rèn)為電機(jī)已停轉(zhuǎn)，此時(shí)立即關(guān)閉抱閘，變頻器使能不封鎖。同時(shí)取消絕對(duì)值編碼器速度測(cè)量和定位功能，避免了各種維護(hù)困難和測(cè)量誤差，杜絕了抱閘誤動(dòng)作。本研究在托板上、下限位采用接近開(kāi)關(guān)，便于維護(hù)，絕對(duì)值編碼器只作托板的上下極限位，用于保護(hù)托板滑出軌道，造車設(shè)備事故。改造后電氣控制系統(tǒng)如圖7 所示。

4 方案效果

筆者通過(guò)對(duì)高速線材集卷升降托板系統(tǒng)的實(shí)施了改進(jìn)措施，在使用過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)升降托板墜落問(wèn)題，運(yùn)行平穩(wěn)。在托板運(yùn)行工作過(guò)程中，因電機(jī)制動(dòng)器每3 個(gè)月需檢查并進(jìn)行必要的間隙調(diào)整和更換部件，給維護(hù)和保養(yǎng)帶來(lái)了不便，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的完善和改進(jìn)，本研究在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上，對(duì)減速機(jī)和電機(jī)一體化的結(jié)構(gòu)形式重新選型并進(jìn)行更換，將減速機(jī)和電機(jī)連接分開(kāi)，留出足夠的空間，能將電磁抱閘改成液壓電動(dòng)抱閘，便于在線調(diào)整和維護(hù)。通過(guò)實(shí)施后達(dá)到了預(yù)期的效果如圖8 所示，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖7 改造后電氣控制系統(tǒng)

圖8 改進(jìn)后升降托板波形

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)集卷升降托板系統(tǒng)在實(shí)際使用當(dāng)中出現(xiàn)的墜落問(wèn)題，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，本研究從系統(tǒng)程序，機(jī)械結(jié)構(gòu)和PLC 控制方式等方面入手，在根本上對(duì)原系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)和完善，提高了托板頻繁動(dòng)作(50 次/min)的安全可靠性，保證了生產(chǎn)正常的進(jìn)行。

此系統(tǒng)的成功應(yīng)用，為類似變頻器位能性負(fù)載頻繁動(dòng)作的系統(tǒng)研究及控制思想提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

［1］陳伯時(shí)．電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1991．

［2］黃 輝．高速線材集卷電氣控制系統(tǒng)［J］．南鋼科技與管理，2011(4):65-68．

［3］SINAMICS SINAMICS S120/S150 參數(shù)手冊(cè)，西門子電氣傳動(dòng)有限公司，2008．

［4］郭進(jìn)濤，薛 輝．S120 變頻器在轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)中主從控制方案比較［J］．河北冶金，2013(10):66-68．

［5］王 川．西門子S120 變頻器在轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)、氧槍升降傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．冶金自動(dòng)化，2012(S2):580-583．

［6］吳昌斌．變頻器控制在水泵中的應(yīng)用與節(jié)能分析［J］．包裝與食品機(jī)械，2014(3):60-62．

［7］孫 桓，陳作模，葛文杰．機(jī)械原理［M］．北京:高等教育出版社，2006．

［8］西門子電氣傳動(dòng)有限公司．Sinamics SINAMICS S120 快速入門，V1．4 西門子電氣傳動(dòng)有限公司，2008．

［9］蘇昆哲．深入淺出西門子WICC V6［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004．