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热处理线矫直机星形轮改进方案
摘要:本文是从设备实际运行中出现的隐患缺陷出发,设计了几种不同方案进行设备改造,以期达到稳定运行的良好效果。内容主要论述通过对可编程控制器与变频器结合运用,使设备达到自动运行,精确控制,减少设备故障之目的。
关键词:矫直机、星形轮、可编程控制器、变频器。
一、 设备状态描述
钢管因工艺选择经热处理后因弯曲需进行直度矫正,钢管在经过矫直机工作主辊矫直后,经由输出辊道送到出口导槽,并在出口导槽上由矫直机的三爪星轮将钢管送出矫直机。因此矫直机是热处理线中的重要一环,生产节奏较快,不能出现停机,不然会直接焖炉,钢管会因此而报废。
前期矫直机出口三爪星形轮在自动状态,将钢管送至出口导槽后,其停止位置高过出口导槽的水平位置,造成主辊送出来的钢管与三爪星轮相撞,造成设备机械部件受损,并引起设备生产停机,如下图所示为星形轮被钢管撞击后的状态。
为解决这一问题,已经对设备进行过小改进,在矫直机出口辊道增加了一个感应开关,加上保护联锁,从而避免钢管与星形轮相撞的问题,但由于在改进时需要考虑设备的安全问题故在设备控制逻辑上加上了封锁,只要星形轮停止时位置高过出口导槽的水平位置,就将矫直机的入口导辊、工作主辊和出口导辊停止运行;目前因为矫直机星形轮停止时还存在位置高过出口导槽的水平位置,从而引起设备自动停止的故障。前期改进增加的感应开关和新增加的控制逻辑如下图所示。新增加的检测用的传感器如下图所示:
新增加的逻辑控制PLC 程序段:
如下图所示,在PLC 程序中对星形轮经过基位传感器的次数进行计数,星形轮启动时计数器的C2的计数值为0;当星形轮每经过一次或感应一次基位传感器时C2的计数值加1。
如下图所示计数器C2的BCD 码格式的计数值转换为整数,以用于进行数据比较。Network 9将Int 型的计数值与2进行比较,如果大于等于2则置位停机标志位M800.6。
为了保证不出现两个钢管相撞的情况,在程序中进行星形轮检测次数小于1次的特殊情况进行编写,如果检测次数小于1次,则置位停机标志位M800.7。
如下图所示,将停机标志位M800.6和M800.7联锁到驱动启动条件里面,如果M800.6和M800.7有一个被置位则停止主驱动。
原因分析
1、 矫直机三爪星轮停不到基准位置原因分析
矫直机三爪星轮启动后的停止由编码器对角度进行测算,编码器的检测信号传送到PLC 里面,在PLC 程序里面进行逻辑和数学运算;当星轮转动到设定的角度时就停止转动;并将钢管从出口导槽输送到下料台架。
其大体控制流程如下图所示:
其PLC 控制硬件组态如下图所示:
星形轮控制编码器硬件组态图 DP=18 为星形轮DP 地址
星形轮变频器硬件组态图 DP=19 为星形轮DP 地址
上述星轮控制主要部件:编码器采用的是SICK ATM 60P 的编码器,而星形轮采用的变频驱动是ABB ACS800的变频器。
热处理矫直机设备的星形轮位置控制的PLC 程序块是FC 58,在FC58里面通过比较星形轮转过的角度来控制变频器的输出,从而达到控制星形轮停止位置的目的。其部分程序段如下所示:
A(
L "GENERAL DATA BLOCK".DBD128 // 加载星形轮转动过的角度
L 1.100000e+002
>=R
)
A(
L "GENERAL DATA BLOCK".DBD128 // 加载星形轮转动过的角度
L 1.150000e+002
)
JNB _022
L "STARWHEEL SPEEDS".Speed_110_115_Degrees T "GENERAL DATA BLOCK".DBD132
_022: NOP 0
PLC控制变频器速度的速度数据块是DB58,通过查看DB58里面的数据定义,可知"STARWHEEL SPEEDS".Speed_110_115_Degrees 被定义为Real 型数据,并且被赋初始值25.0(相当于输出最大速度的25%)。因此若矫直机星形轮在一次转动中,转过的角度大于110度并且小于115度的时候则控制变频器输出25%的速度。
同时在FC58里面当星形轮转动角度在115度~120度之间,其控
制程序段:
A( L "GENERAL DATA BLOCK".DBD128 // 加载星形轮转动过的角度 L 1.150000e+002 >=R ) A( L "GENERAL DATA BLOCK".DBD128 // 加载星形轮转动过的角度 L 1.200000e+002
矫直机的三爪星轮共有三个对称分布的齿,当要往卸料台架上送钢管时就转动,当转动的角度达到120度是就停止。从上面的程序段来看,当星形轮转动角度在115度~120度时星形轮还存在较大的速度15%(星形轮的启动速度为5%);当星形轮转动到120度的位置,虽然变频器不再输出,但由于惯性(钢管重量和星形轮本身重量加在一起会形成较大转动惯量)会迫使星形轮继续往前转,从而最终引起当星形轮在停止位置会高于出口导槽的水平位置。
在PLC 程序中判定一次转动完成的程序段如下所示:
FC 59 Network 6
A(
L "GENERAL DATA BLOCK".DBD128
L 6.000000e+001
>R
)
A(
L "GENERAL DATA BLOCK".DBD128
L 9.000000e+001
)
FP "M250.5"
A "M250.1"
S "M250.2" // M250.2 OUTLET STARWHEEL COMPLETION PRIMED FC 59 Network 8
A(
L "GENERAL DATA BLOCK".DBD128
L 1.195000e+002 // 当角度大于119.5度的时候就认为完成一次转动
>R
)
A "M250.1"
A "M250.2"
FP "M250.6"
O "M251.5"
S "M250.3" // M250.3 OUTLET START WHEEL INDEX COMPLETE
如上面的程序段所示M250.3=1 就表示星形轮已完成一次完整的转动输送钢管工序。
综合上面的分析可知在PLC 控制上,只要三爪星轮转过的角度大于119.5度就认为已经完成一次120度的旋转;剩下的120-119.5=0.5度的转动距离则由惯性完成。生产时同一批钢管的重量不完全一样,当钢管较重时则有可能因惯性过大使星形轮齿在完成一个工序转动后其高度高于出口导槽的水平高度。如下图所示:
2、增加检测传感器改进后转动检测信号大于2次的原因
由前面的设备现状分析可知为保护星形轮不和钢管相撞,在矫直机星形轮的西侧增加了一个感应开关来计算三爪星轮在一次输送钢管过程中转过的星形轮齿的个数,当计数器的次数大于2次的时候就认为星形轮的位置高于出口导槽的高度,为避免钢管与星形轮相撞就要求整个钢管传动(入口导辊、工作主辊和出口导辊) 停止。
如上图所示,每次启动之前星形轮的齿均在星形轮基位检测传感器以下,星形轮转动后,星形轮的齿在经过基位传感器时PLC 内部的计数器C2就将计数值加1,当完成一次送管过程(即M250.3 = 1 同时M800.6 =0 的时间超过1S) 后就将C2计数值清零。
在实际的星轮转动过程中,三爪星轮停止后会因为惯性的原因导致三爪星轮的齿再一次感应到基位传感器,使计数器C2值从1变为
2。据设备状态分析上描述的控制逻辑;当C2计数器的计数值为2时,为避免钢管与星轮相撞就要求停止钢管传动。
二、 改进建议方案
(一)方案一 降低星轮转动时的速度
星轮转动过程中其在不同位置时的速度是预定义的,在PLC 程序中其速度给定值存储在共享数据块DB58。如下图所示:
星形轮预定义速度值共享数据块DB58
从上面可以看出星形轮在完成一次转动时被划分为三个阶段和24个速度区间;每隔5度划分一个速度区间。
A ) 启动加速阶段
0~5度: V=5%
5~10度:V=25%
10~15度: V=37.5%
15~20度:V=40%
20~25度:V=52.5%
25~30度: V=65%
30~35度:V=77.5%
区间长度: 35度
B ) 匀速阶段:
35~85度:V=100%
区间长度: 50度
C ) 减速阶段
85~90度:V=77.5%
90~95度:V=65%
95~100度:V=52.5%
100~105度:V=40%
105~110度:V=37.5%
110~115度:V=25%
115~120度:V=15%
区间长度: 35度
通过上面的分析可知当星形轮在接近转动的120度时还存在较大的输出速度;可以通过增大减速阶段的加速度来减小在接近120度时星形轮的转动速度,从而达到减小转动惯量的目的,即通过降低接近120度时的速度,从而达到减小惯性的目的。为了不引起变频器在减速时报过流等故障,同时可以将减速阶段的区
间增大,由原来的85~120度,增加到80~120度
本建议改进方案不需要对设备进行任何改动,仅需对星形轮的速度控制程序块进行相应的改动就可以实现改进。为了确保改进的效果,可以不完全按照前面讨论进行改进;在实施改进方案时进行样管测试,经过测试确定合适的改动参数。
(二)方案二 对基位检测控制程序段进行修改
建议将程序块FC95的Network 7程序段修改为下面程序段的形式:
增加下降沿是保证星形轮已经真正转过基位检测传感器后就将计数器C2的计数值加1,保证不是因惯性原因感应而使计数器C2的计数值加1。在实际设备运行维护过程中,已经对增加下降沿的控制方式进行过测试,在运维的测试过程中可以满足设备运行要求,同时在测试的过程中没有出现设备安全问题;为了保证此改进能够满足设备运行和安全要求,在进行改进后需要用样管进行测试。 将程序改成上述方式后,星形轮齿的保护水平位置会向上升高;
同时因为矫直机星形轮的东侧齿的水平比西侧要高,为了保证东侧星形轮的齿在保护水平位置调高后,不会因为西侧检测位置的变化而与钢管相撞,建议将星形轮的基位检测接近开关移动到出口导槽的东头;同时为了增加星形轮基位检测的精度,可以将星形轮的基位检测传感器更换成成感应距离相对较小、检测圆周范围相对更小的传感器。
本建议改进方案不需要对设备进行大的改动,并且从理论上具有可行性及操作性;同时对设备的保护控制逻辑不需要进行修改,可以满足设备安全的要求,总体来看具有可行性。
(三)方案三 星形轮减速机构抱闸控制改进
前面的分析当中可知星形轮出现设备故障的主要原因是在转动过程中减速过程速度太快和惯性太大造成星形轮停不到出口导槽以下,并最终导致钢管与星形轮相撞。在对设备进行初步的改进后,设备因为在一次送管过程中会两次感应基位检测传感器而引起设备主工作辊和辅助工作辊停止,通过上述分析可知这也是因为在星形轮的一次转动过程中的减速阶段最终速度太快和惯性太大引起的。通过对设备星形轮电机的抱闸控制方式进行分析,知星形轮的抱闸控制是通过PLC 进行控制,而没有采用ACS 800变频器自身进行控制,存在控制缺陷,这样控制造成抱闸关闭存在延时。
以下各图所示为星形轮抱闸控制原理图:如下图所示,通过PLC 的输出点驱动中间继电器K2681闭合,然后再通过K2681的常开触点驱动抱闸接触器K2682吸合,然后通过K2682的主触点通电将抱闸打
开;抱闸闭合时K2681失电,然后K2682失电,其主触点断开抱闸闭合
。
如上图所示Q3.6为抱闸控制输出点,当Q3.6 = 1 时K2681得电,抱闸打开,当Q3.6=0时K2681失电,抱闸断开。
如上图所示当矫直机控制功能启动M10.0 = 1; 同时星形轮变频器的控制运行输出M251.2 = 1 则Q3.6 = 1 抱闸打开, 当M251.2 = 0时则Q3.6= 0 抱闸关闭。
如上图所示抱闸的关闭存在500MS 的延时,这样就使星轮在停止时因抱闸关闭不及时产生较大的惯性。
经过上述分析抱闸的关闭在时间上存在延迟;为了消除时间上的延迟建议将抱闸的控制改为由变频器本身进行控制。
如下图所示,为变频器自身控制星形轮抱闸电气原理图,为了防止改进后出现紧急情况,需要将急停信号联锁至星形轮抱闸控制当中。
如下图所示为变频器控制抱闸时序图:
为了实现变频器自身控制抱闸需要调整部分变频器参数,首先需
要激活X25端子排上的RO1的抱闸控制功能,同时需要激活机械抱闸监控功能;如下图所示。
本建议方案需要对设备进行较大的改动,既需要进行电气硬件方面的改进,还需要对设备PLC 控制逻辑进行改进,同时需要调整变频器的部分参数,为了确保改进方案实施的有效性需要,改进时需要带样管进行测试。
小结
上述三个方案理论上均具有可行性,方案一仅需对PLC 控制程序进行修改即可完成;方案二需要对设备电气元器件和机械进行改动,同时还需要对设备的PLC 控制逻辑进行改进;方案三需要对设备的电气元器件和PLC 控制逻辑进行改动,并且需要对变频的部分参数进行重新设定;通过比较建议采用第一种方案。
致谢
通过设备的安装、调试及改造,使我对PLC 控制有了更深刻的理解,对变频器的使用更加熟练,感谢在此过程中给予我帮助的指导老师和公司同事。
参考文献
1.
2.
3.
4.
5. ABB 型ACS800标准控制程序7.x 固件册 SIEMENS S7-300技术手册 王延才、王 伟《变频器原理及应用》,机械工业出版社 赵明 许 翏 《工厂电气控制设备》,机械工业出版社 应锦春《现代设计方法》,机械工业出版社