環(huán)軋機及其電氣控制綜述

白 潔，李國斌

(東北輕合金有限公司，哈爾濱150060)

傳統(tǒng)的用自由鍛機鍛壓環(huán)件生產(chǎn)鋁合金環(huán)件的生產(chǎn)工藝，由于受鍛壓機械能力的限制，只能加工直徑3m以下的環(huán)件。隨著國防及航空航天事業(yè)的發(fā)展，我國對直徑3m以上的鋁合金環(huán)件的需求越來越大。為此，東輕公司自行設計研制了加工直徑可達5m鋁合金環(huán)件的專用設備——環(huán)軋機。

1 環(huán)軋機軋制原理

環(huán)軋機軋制原理，如圖1主要由4個輥完成軋制:輥1為主軋輥、輥2為芯輥、輥3輥4為左右定心輥。圖示中標出了各輥及環(huán)件的位置及運動方式。其中主軋輥為主動輥，其他輥為被動輥，由環(huán)件旋轉帶動其轉動。主軋輥在旋轉的同時，還在該輥與位置不動的芯輥圓心連線的方向上運動，即壓下運動，兩輥間的輥縫決定了環(huán)件的壁厚。當主軋輥以適當?shù)霓D速和移動速度向芯輥靠近時，在兩輥間的環(huán)件上產(chǎn)生軋制力，并使環(huán)件轉動。當軋制力滿足環(huán)件的鍛透條件時，環(huán)件在與主軋輥接觸點切線方向上延伸，使環(huán)件直徑增大。左右定心輥的作用為保持軋制過程的平穩(wěn)及環(huán)件的圓度。

圖1 環(huán)軋機軋制原理圖

軋制一般分為以下幾個過程:

(1)初軋階段:此階段以小的壓下量和移動速度進行軋制，對坯料表面進行平整，為快速軋制做好準備。

(2)連續(xù)軋制階段:根據(jù)不同環(huán)件的生產(chǎn)工藝要求，調整軋輥轉速和壓下速度，實現(xiàn)快速連續(xù)軋制。

(3)整形階段:當環(huán)件尺寸即將達到要求尺寸時，減少壓下量直至停止壓下，進行整形軋制，對環(huán)件進行最終規(guī)圓整形。

2 各輥的驅動和軋制控制的主要參量

2.1 各輥的驅動

由于鋁合金環(huán)件的規(guī)格尺寸、合金成分、溫度等不同，因此各種環(huán)件以及每個環(huán)件軋制的各階段的各輥運行參數(shù)也不相同。要求各輥運行能夠平滑調速，運行過程平穩(wěn)。為此上述各輥的驅動均采用Z4系列直流電動機來完成。通過機械變速裝置使各輥速度調速范圍及輸出功率達到環(huán)件軋制的要求。各直流電動機主要參數(shù)如下表:

表1 硼鐵成份

2.2 軋制控制主要參量關系

環(huán)軋機在軋制過程中要對如下主要參數(shù)實施控制和檢測:

(1)各輥的運行速度:主軋輥的轉速和壓下速度決定了環(huán)件軋制力和軋制速度;左右定心輥的移動需適時跟蹤環(huán)件直徑的變化。

(2)軋制中各輥的位置:由于芯輥的位置不動，主軋輥的位置決定了環(huán)件的壁厚。在滿足鍛透條件下壁厚的變化決定了環(huán)件直徑的變化。左右定心輥的位置決定了軋制過程的穩(wěn)定和環(huán)件的圓度。

(3)各輥的壓力:為保證設備安全運行和生產(chǎn)合格產(chǎn)品，各輥均設置了壓力檢測裝置，當輥與環(huán)件間壓力達到設備能力或產(chǎn)品生產(chǎn)工藝允許值時，將自動調整各相關運行輥的速度。

3 電控系統(tǒng)概述

3.1 主要電控部件及其作用

(1)PLC:該系統(tǒng)是較為復雜的電控系統(tǒng)，不僅要對上述各直流電動機實施控制，還要根據(jù)設備運轉需要對如芯輥升降，夾緊松開，潤滑油泵等其他電動機、電磁閥等設備實施控制。為此選用西門子S7－300系列PLC作為控制核心，完成對各電動機、電磁閥等設備的控制。模塊化結構的S7－300系列PLC產(chǎn)品具有高性能的中央處理器和種類繁多的功能模塊，具有強大快速的數(shù)據(jù)運算和信息處理能力及通訊能力，可以非常方便靈活的組成用來完成各種不同控制要求的電控系統(tǒng)，具有體積小，便于組態(tài)，運行穩(wěn)定可靠的特點。

本系統(tǒng)主要配置:

CPU315－2DP:用于數(shù)據(jù)運算和信息處理。

SM321:用于各種按鈕，轉換開關，行程開關等信號的輸入。

SM322:用于輸出各種閥、接觸器等控制信號。

(2)直流調速器:環(huán)件的軋制質量取決于各直流電動機的運轉質量。為此選用ABB公司的直流調速器DCS500系列，對各直流電動機實施驅動控制。它是一種內含80186EM微處理器CPU和應用專用集成電路ASIC控制的，雙閉環(huán)數(shù)字化直流調速裝置，具有強大的信息處理監(jiān)控和通訊功能，可通過豐富的軟件功能塊的選擇和設置，方便地實現(xiàn)用戶的控制要求，具有性能可靠，運行穩(wěn)定的特點。該系統(tǒng)直流電動機的驅動控制均采用DCS502B調速器，各調速器均通過適配器NPBA－12與PROFIBOS－DP總線連接。其中，用于主軋輥驅動的兩臺直流調速器進行了功率擴展，并且構成了主從方式的控制系統(tǒng)。

圖2 環(huán)軋機電控系統(tǒng)結構框圖

(3)計算機:用于輸入和顯示各種軋制控制參數(shù)和曲線，比如:輸入各直流電機的速度給定，顯示各電機電流、轉速、各輥位置、環(huán)件直徑等，實現(xiàn)人機信息的交換。

(4)軋制過程中各直流電動機的轉速，各輥的位置是重要的控制參數(shù)，檢測需準確可靠，故選用每轉1 024脈沖倍加福增量型旋轉編碼器，實現(xiàn)對各直流電動機的轉速和由其驅動的輥的位置的檢測。

(5)壓力檢測采用冶自歐博CH－V型軋制力檢測儀，以確保軋制過程安全穩(wěn)定。

(6)環(huán)件直徑檢測:采用激光測距儀，測距范圍0～5m。

3.2 電控系統(tǒng)組成

(1)電控系統(tǒng)結構概況

電控系統(tǒng)結構框圖見圖2。

由S7－300PLC為核心，組成了環(huán)軋機的電控系統(tǒng)，由PROFIBUS－DP現(xiàn)場總線，完成PLC、計算機及各直流調速器間的數(shù)據(jù)通訊，系統(tǒng)主要數(shù)學模型運算和各種信息的處理均在PLC中進行。其中主站MASTER用于系統(tǒng)控制，安裝在控制柜中，從站SLAVE用于各按鈕、轉換開關信號的輸入和運行狀態(tài)指示安裝在操縱臺內。PLC對由輸入模塊SM321和計算機等取得的條件信息，經(jīng)運算處理，通過SM322輸出模塊，完成各電機、電磁閥的運轉與否的控制。

(2)有關過程控制參數(shù)信息的取得和傳送

a.環(huán)件直徑的獲取:見圖一，由于芯輥和激光測距儀的位置是固定的，

則:環(huán)件直徑=測距儀到環(huán)件和芯輥的切點距離一測距儀到環(huán)件距離+環(huán)件臂厚。

其中:測距儀到環(huán)件距離由測距儀測得。

環(huán)件壁厚由主軋輥位置決定，由壓下電動機測速編碼器測得。

b.各移動輥的位置:由驅動該輥移動的直流電動機測速編碼器測得。由機械裝置經(jīng)減速機、絲母絲杠機構，將旋轉運動轉換成直線運動，通過機械變比，得出編碼器每轉一周，輥移動的距離。得出:

脈沖當量=旋轉一周的行程÷1 024(mm/脈沖)

則:輥距零點的距離=累計脈沖數(shù)×脈沖當量

c.移動輥的壓力:由軋制力檢測儀測得。

d.激光測距儀與壓力檢測儀的輸出信號均為模擬信號，利用直流調速器的X3通道的4個模擬輸入端將其輸入進行A/D轉換，例如壓力信號由壓下直流調速器X3通道的9和10端口輸入，轉換后由功能模塊AI3的10110讀出，經(jīng)現(xiàn)場總線PROFIBUS－DP傳送至PLC。

各電機測速編碼器具有雙重作用:電機速度反饋和輥的位置檢測。各輥位置的檢測通過直流調速器的X5通道輸入的編碼器信號，經(jīng)過速度測量功能模塊的記錄脈沖數(shù)的計數(shù)器12104的累計得到所需的脈沖數(shù)，取出計數(shù)器的數(shù)值，通過總線PROFIBUS－DP傳送至PLC。

通過以上措施，節(jié)省了PLC的A/C轉換模塊和高速計數(shù)器模塊的使用，電路得以簡化。

e.各電機速度給定:根據(jù)工藝要求，由計算機輸入，并通過總線傳至各直流調速器控制電機按照設定的轉速運轉。電機電流、轉速、環(huán)件直徑壁厚等參數(shù)。由調速器及PLC經(jīng)現(xiàn)場總線傳至計算機顯示。

3.3 直流電動機的控制:

各直流電動機的控制是類似的，現(xiàn)以壓下電動機控制原理為例加以說明:見圖3.壓下電氣原理圖

通過調速器的各輸入、輸出通道，實現(xiàn)外部信號對直流調速器的控制和直流調速器與其他設備的信息交換。簡述如下:

BCS502B直流調速器控制板，有一個數(shù)字傳送控制DPCS通道V260傳輸速率高達4Mbits/s。該通道連接適配器NPBA－12接至PROFTBUS總線，實現(xiàn)該調速器與計算機和PLC等對象的數(shù)據(jù)傳送，通道X16:4和5端為適配器提供電源。

通道X3為模擬信號輸入通道，如壓力信號由該通道的一個輸入端輸入，激光測距儀的信號從另一個調速器的該通道輸入，A/D轉換后經(jīng)總線傳至PLC。

通道X4為模擬信號輸出通道:電流、轉速等信號，由該通道輸出送儀表顯示。主軋輥由2臺電機經(jīng)機械減速機構驅動，兩臺直流調速器構成主從控制系統(tǒng)，由主電機調速器的X4通道的8和10端口輸出的速度信號，經(jīng)從電機調速器X3通道的9和10端口輸入，作為從電機的速度給定。即由主電機調速器功能模塊A02輸出的主電機轉速的模擬信號，經(jīng)從電機調速器功能模塊AI2讀出，調節(jié)從電機轉速。

通道X5為旋轉編碼器的輸入通道，作為速度反饋信號。

通道X6為數(shù)字量輸入通道:電樞主回路，風機回路的接通信號，急停、復位、啟動、運行控制信號均由此輸入。

通道X7為數(shù)字量輸出通道:對風機、勵磁回路的聯(lián)鎖，運行準備，正在運行，設備故障等信號，均由此通道輸出。

直流調速器的調節(jié)功能是通過軟件完成的，控制程序全部是由功能模塊組成，BCS500B調節(jié)器提供了大量功能豐富的功能模塊。例如:輸入、輸出、速度調節(jié)器、電流調節(jié)器、傳動邏輯、速度測量、制動控制、故障報警等功能模塊，通過選擇連接系統(tǒng)控制所需的功能模塊，并設置相應的控制參數(shù)，組成了滿足生產(chǎn)工藝和設備運轉控制的應用程序。圖3為電機電樞控制框圖。

由控制框圖可知，該系統(tǒng)為電流環(huán)為內環(huán)，速度環(huán)為外環(huán)的雙閉環(huán)控制調節(jié)系統(tǒng)，數(shù)字化的功能強大的軟件控制，使得系統(tǒng)具有很高的控制精度和運行可靠性。

由于壓下無需弱磁調速，故外設了電機的勵磁回路，圖中的GL1為欠勵磁繼電器，用以對其他電路的聯(lián)鎖。

3.4 環(huán)軋機運行控制

圖3 電機電框控制框圖

環(huán)軋機運行控制由PLC控制完成，生產(chǎn)工藝和設備運轉所需的各種控制信息，通過按鈕、選擇開關、行程開關、編碼器、壓力檢測儀、激光測距儀、計算機等經(jīng)輸入模塊SM321和PROFIBUS總線傳送給PLC，經(jīng)運算處理后，由輸出模塊SM322及經(jīng)PROFIBUS總線控制各電機、電磁閥工作及送計算機數(shù)據(jù)顯示。而軟件程序則是每種運行狀態(tài)調用與之相應的子程序控制指定的設備進行運轉，對于需要對某些參量進行數(shù)學運算才能達到控制要求的控制對象，則需建立與此控制相適應的數(shù)學模型來完成。比如，在自動快速軋制過程中，對左右定心輥的控制，就是通過由環(huán)件直徑、壁厚等參量建立的數(shù)學模型經(jīng)運算來實現(xiàn)的。

應用軟件的控制功能有如下幾方面:

a.系統(tǒng)各種運行狀態(tài)的控制，如手動狀態(tài)、自動狀態(tài)對設備的控制及調整狀態(tài)下對各輥位置的校準等。

b.各直流電動機的電樞及其勵磁、風機等運行狀態(tài)的控制。

c.對激光測距儀、各直流電動機測距編碼器、輥壓力檢測儀等檢測參數(shù)的處理及為運行控制所建立的各種數(shù)學模型的運算，如環(huán)件直徑及壁厚、各輥位置及壓力等。

d.其它電控設備的運行控制，如齒輪箱油泵、芯輥升降、芯輥夾具夾緊松開、活動支撐起落等控制。

(1)手動控制

在設備維修，調整和軋制的初始階段及整形階段，均可采用手動控制，各輥運轉、移動及其他部位的動作，通過按鈕、開關進行相應操作，并將各直流電動機調整為適宜的轉速來實現(xiàn)，各環(huán)節(jié)的操作均可獨立完成。

(2)自動控制

經(jīng)過初軋和調整各輥的位置及轉速，使之到達自動運行的條件。系統(tǒng)便可轉入自動高速連續(xù)軋制。此時的主傳動電機和壓下電機是根據(jù)設備性能和生產(chǎn)工藝要求，設定的轉速進行運轉，隨著軋制的進行，環(huán)件直徑就逐漸增大，而左右定心輥則需隨環(huán)件直徑的增大而移動。也就是說:自動軋制的關鍵是自動控制左右定心輥的移動。以左定心輥為例:定心輥由直流電動機拖動，沿A－O1方向移動。連續(xù)軋制過程中，定心輥位置示意圖見圖4。

圖4 軋制過程中定心輥位置示意圖

圖中:O—環(huán)件圓心

A—沿軌道運動的定心輥絲杠延長線的交點。

O1—定心輥圓心。

B－兩定心輥圓心連線與主軋輥和芯輥圓心連線延長線形成的垂點。

R－環(huán)件半徑。

r－定心輥半徑。

D－芯輥直徑。

H－環(huán)件壁厚，即主軋輥與芯輥輥縫。

L－A點到芯輥邊緣的距離。

設定心輥外沿與環(huán)件外沿相切:則

設:定心輥位置O1A為X:則

解得

由此可見:在自動控制過程中，定心輥應處的位置，將隨環(huán)件直徑和壁厚的變化而變化。其數(shù)據(jù)將由激光測距儀及壓下電機編碼器即壓下輥位置獲得。驅動定心輥的電機的運轉是依據(jù)實測的定心輥位置與計算的位置的比較結果控制的。

定心輥的實際位置，是自動軋制過程能否穩(wěn)定運行的關鍵，若定心輥與環(huán)件外沿距離過大則可能引起環(huán)件擺動，過小會因環(huán)件圓度不均等因素，使定心輥夾持環(huán)件而影響環(huán)件轉動，因此，實測的距離與計算的距離的差值應保持一定的范圍。即設定上下限范圍，當差值達到下限值時，電機運轉，當差值達到上限值時，停止運行。電動機的轉速，可根據(jù)不同合金規(guī)格的環(huán)件設定或調整。從而實現(xiàn)自動控制。

在軋制過程中，有時會因環(huán)件溫度低，壁厚和圓度不均等因素，使運行輥承受很大的壓力，如果該壓力達到或超過設備承受能力，則會造成設備故障和安全事故。在環(huán)軋機相關的運行輥設置了壓力檢測裝置——軋制力檢測儀。在PLC軟件中為相應輥設置了壓力設定值。比如當主機輥的壓力達到或超過所設定值時，PLC發(fā)出指令，停止壓下電機運轉，待主軋輥壓力降至設定值以下并調整壓下電機轉速后，啟動壓下電機運行，確保軋制過程的安全運行。

4 結語

傳統(tǒng)的金屬環(huán)件軋制設備，其壓下和定心機構多采用液壓傳動，適合于小規(guī)格尺寸且材質和規(guī)格尺寸單一的環(huán)件軋制。而大規(guī)格鋁合金環(huán)件其合金品種，尺寸規(guī)格多樣，軋制過程中尺寸變化范圍大，軋制過程中各輥適時跟蹤環(huán)件尺寸變化時難以準確控制定位。利用直流電機調速平滑，轉速穩(wěn)定的特點輔以本文所述的各種控制措施，取得良好效果，該設備投入生產(chǎn)使用后，生產(chǎn)出了大批包括直徑達5M的鋁合金環(huán)件，為祖國的國防及航空航天事業(yè)做出了貢獻。

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