大型卧式拔伸水压机电气控制系统分析

时间：2024-07-28

郝秀峰

(太原通泽重工有限公司电气传动二部，山西太原 030032)

1 前言

除了在传统的石油、化工行业领域的广泛应用外，随着核电行业的迅速发展，由大型拔伸水压机生产的高压厚壁管需求量日益增加，同时也对大型拔伸水压机电控系统提出了更高的要求。太原通泽重工有限公司为某钢管厂制造的20MN卧式拔伸水压机电气控制系统稳定可靠，同时还大大减少了单位产品的能耗，产品质量达到了目前国际同类型产品的先进水平。

2 卧式拔伸水压机的设备构成

卧式拔伸水压机分为本体和辅机两部，设备本体部分如图1所示。

图1 卧式拔伸水压机本体Fig.1 Horizontal type drawing hydraulic press

本体部分包括前1#梁、前梁、活动梁、支撑梁、后梁及上下拉杆组成的预应力组合机架，主缸体及回程缸缸体，芯棒支撑托辊装置，快速装卸模具装置，升降辊道装置等。辅机部分为高低压水部分和液压部分。其中主缸、回程缸组合使用用于选择压力分级，工作时如果对回程缸施加一定的背压，便可以实现二级压力分级，确保拔伸小规格产品时对工模具的安全保护。上料、受料、芯棒支撑托辊装置均采用电液比例位置阀闭环控制，保证在坯料不同位置时的正确支托。快速装卸模具装置用于快速准确的更换模圈。卸料和运输升降辊道用于压机卸料和输送毛管。高、低压水部分提供设备的工作动力，液压部分则为高低压水系统各管路上控制阀提供动力。

3 控制系统的关键点和基本构架

3.1 控制系统的关键点

卧式拔伸水压机有空程、套料、加压、回程、推料五个基本动作，这些动作都是由多个控制阀的组合动作来完成，如何避免多个阀开启或关闭时引起设备震动是电气控制的关键点之一;此外，由于大型拔伸水压机主要能量来源是高压水，如何在不影响其工艺要求和生产效率的情况下，通过优化控制方法，尽量减少高压水的使用时间是电气控制的第二个关键点;另外，由于设备工作时需要的压力很高，如何控制好高低压水系统的转换和保证操作人员及设备安全也是电气控制的关键点之一。

3.2 控制系统的基本构架

(1)设备电气控制系统采用西门子S7－300系列PLC，用于分析处理数字量、模拟量的信号。主站和各子站的通讯采用PROFIBUS－DP工业总线，设备区域间的通讯选择DP/DP Couple网络通信模块。PLC的网络组态如图2所示。

图2 网络组态图Fig.2 Network configuration

(2)选用CP342－5通信模块单独构建一条DP网作为CPU和上位机的数据连接通道，有效的避免了因网络故障引起的停机现象。上位机采用西门子WINCC软件创建人机界面，具有实时监控、故障排除和生产数据管理的功能。图3为人机界面中有代表性的状态监控画面。

(3)在压机后梁和活动梁之间安装有拉线式绝对值编码器，通过SM338模块将最终转换的活动梁实际位置值用于系统联锁控制，并以数字形式在上位机界面做出直观的显示。

(4)在压机各关键运动部件安装压力传感器、接近式感应开关、光电开关等检测元件，参与控制系统联锁保护和位置检测。

图3 状态监控画面Fig.3 Picture of state monitoring

4 控制效果

4.1 减小设备震动

卧式拔伸水压机在工作过程中常常伴有剧烈的震动，不但会降低设备本体的使用寿命，同时也会增加停产维护的时间，还会干扰并导致安装在压机本体上检测元件的信号紊乱，引发安全事故。在生产过程中，引起震动的因素主要有两个方面，一是能量的突变阶段，比如从较慢的速度直接跨越到较快的速度，或者由较快的速度突然停止;二是活动梁所连接的芯棒前端在坯料拔伸长度增加时所受的下垂力矩逐渐增大，造成芯棒的中心线和模圈的中心线偏移量增加，从而导致拔伸加压时产生很大的震动。

(1)卧式拔伸水压机的基本动作都是靠不同控制阀的组合使用来实现动作，压机工作时的速度切换是提高生产效率的主要保证，但切换速度较快，必然引起设备剧烈震动。传统的控制方式都是以数字量的信号去控制相应阀组合的动作，而数字量信号是建立在0和1状态的离散信号，本身就会造成速度给定信号的断点，并且无法在操作上避免速度等级的跨越，这是引起震动的根本原因。因此考虑将压机的动作给定信号和速度给定信号分离开来，动作给定信号依旧采用数字量信号，以保证其唯一性;速度给定的信号则采用模拟量信号，保证其连续性。这样从硬件上避免了由于操作导致的较大的速度等级间的直接跨越，极大地减小了设备的震动。

同时通过安装在压机活动梁减速位置的感应开关和拉线式编码器的双重保护，可以在生产过程中消除紧急停止的情况，进一步减少能量突变的发生。

(2)卧式拔伸水压机的芯棒工作时由于重力导致前端下垂是产生震动的另一个原因，较为直接有效的解决方法就是采用托辊装置将芯棒托起，托起的高度与芯棒和模圈中心线偏移量相同。该控制的难点在于穿料前芯棒前端高度与待穿坯料头部高度时刻在变化，且穿料后拔伸阶段管坯外径逐次减小，以及在管坯末端进入模圈时，托辊辊子与管坯和芯棒有一次转换，整个过程如何准确地开启升降托辊数量和控制托辊装置的高度是控制的核心。①升降托辊开启的数量。采用拉线式编码器显示芯棒移动的实际位置值，同时根据上位机画面上选择的工艺参数，由PLC计算出实时的坯料轴向变形量，通过比较这两个参数，准确计算出需要开启的托辊数量。②托辊装置的高度。根据上位机画面上选择的工艺参数，由PLC计算出实时的坯料径向变形量，进而决定被开启的托辊装置上升和下降的高度。此外所有的升降托辊均采用电液比例位置阀闭环控制，保证其控制精度。