基于PLC的重型全液壓四輥卷板機電氣控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

楊艷偉 向 濤 向樹民 張 勁

（西安蘭石重工機械有限公司，陜西 西安710065）

0 引言

卷板機是對金屬板材進行多道次連續(xù)彎曲，使板材產(chǎn)生永久性塑性變形的設(shè)備，具有卷制O型、U型、多段R等不同形狀板材的功能，是容器類制造業(yè)必備的機械設(shè)備。在我國卷制鋼板厚度180 mm以下由電機驅(qū)動或機械和液壓混合式驅(qū)動的卷板機已有廠家生產(chǎn)，但是卷制鋼板厚度超過180 mm以上的全液壓卷板機在國內(nèi)還沒有廠家生產(chǎn)，尤其是機、電、液一體化的大規(guī)格卷板機在國內(nèi)更是屬于空白。近年來，石油煉化行業(yè)的發(fā)展對筒體類零部件提出了更高的要求，要求直徑大、筒體鋼板母材厚度增加、材料強度增高、筒體承受的壓力提高，這些無疑對卷板機的設(shè)備能力提出了更高的要求?，F(xiàn)以蘭州蘭石重工有限公司自主研發(fā)設(shè)計的 W12LSZ－280×3000重型全液壓四輥卷板機（卷板能力為3 m寬×3 m直徑×250 mm厚）為例，主要研究該四輥卷板機電氣控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計與軟件實現(xiàn)。

1 工作原理

該四輥卷板機主要機械組成為上輥、下輥、前側(cè)輥、后側(cè)輥、液壓驅(qū)動裝置、減速機、液壓馬達，如圖1所示。上輥固定在機架之間，下輥位于上輥的正下端，兩側(cè)輥位于下輥的兩側(cè)。下輥和兩個側(cè)輥的升降運動由兩端的液壓油缸驅(qū)動。上、下輥均為旋轉(zhuǎn)主驅(qū)動輥，上輥旋轉(zhuǎn)采用多臺液壓馬達輸出扭矩、減速器合流的全液壓驅(qū)動方式，下輥旋轉(zhuǎn)采用單個液壓馬達、減速機傳動結(jié)構(gòu)。

圖1 四輥卷板機機械組成圖

在鋼板卷制過程中，首先通過提升下輥來壓緊鋼板，通過升降側(cè)輥的高度卷制不同半徑的鋼板［1］。下輥、側(cè)輥的升降沿著各自軌道進行，如圖2中的虛線所示。在整個鋼板成型過程中，上、下輥始終處于夾緊狀態(tài)，這便使設(shè)備可在自身最大工作能力下對各種厚度的板料進行彎卷成型［2］。

圖2 四輥卷板機工作原理圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)動力線路采用三相380 V、50 Hz交流電，控制回路采用220 V交流電和24 V直流電?？刂葡到y(tǒng)采用現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)（Ethernet）相結(jié)合的分布式控制結(jié)構(gòu)，采用SIEMENS S7－400 PLC作為主站，通過Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)［3］連接SIEMENS ET 200S分布式I／O遠程站及Rexroth HNC100同步控制器；通過工業(yè)以太網(wǎng)連接SIEMENS MP377系列 HMI Panel。系統(tǒng)Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)組態(tài)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)

3 控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

在電氣控制中，下輥、兩側(cè)輥的每個液壓缸上都裝有位移傳感器，實時檢測輥的當(dāng)前位置；上輥和下輥的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)液壓馬達上裝有編碼器，實時檢測上輥和下輥的旋轉(zhuǎn)線速度。HNC100根據(jù)接收的PLC控制參數(shù)及位移傳感器的位置反饋信號做下輥、側(cè)輥升降的閉環(huán)控制，完成輥的自動升降動作；PLC根據(jù)接收的控制參數(shù)及編碼器的旋轉(zhuǎn)速度反饋信號做上、下輥旋轉(zhuǎn)速度的閉環(huán)控制，完成上、下輥的自動旋轉(zhuǎn)動作。電氣系統(tǒng)控制的基本邏輯如圖4所示。

圖4 電氣系統(tǒng)控制邏輯圖

3．1 升降輥位移閉環(huán)控制系統(tǒng)

在卷板過程中，為了保證下輥和兩側(cè)輥的位置以及同一個輥兩端升降的同步性，采用位置閉環(huán)控制，如圖5所示。以下輥為例進行說明，首先由操作工人根據(jù)工藝參數(shù)把下輥要到達的目標(biāo)位置（即輸入信號）設(shè)置在設(shè)定屏上，PLC讀取這個設(shè)定值并把它傳送給HNC100控制器；然后HNC100控制器把下輥的實際位置值（即反饋信號）和輸入信號進行比較，如果兩者之間存在偏差就要進行調(diào)節(jié)，此處僅用P（比例）調(diào)節(jié)器就能滿足要求。經(jīng)過調(diào)節(jié)后的信號直接輸出到比例閥，調(diào)節(jié)比例閥的開口度，比例閥的開口度就決定了進入液壓缸的液壓油量；液壓缸中的液壓油驅(qū)動下輥做垂直升降動作。

圖5 位置閉環(huán)控制原理圖

HNC控制器是力士樂的同步控制器，其掃描周期為1 ms，比例閥的響應(yīng)速度大于20 Hz，當(dāng)下輥受到干擾時，設(shè)定位置值和位移傳感器反饋值存在偏差，只要存在偏差，HNC控制器的PID調(diào)節(jié)器就能快速動態(tài)調(diào)節(jié)，消除偏差，使下輥動態(tài)地保持在設(shè)定位置。卷板工藝精度可達到±0．2 mm，滿足高效、高精度、高規(guī)格卷板生產(chǎn)要求；過載保護性能好；操作簡單。

3．2 上下輥旋轉(zhuǎn)速度控制系統(tǒng)

上、下輥均為旋轉(zhuǎn)主驅(qū)動輥，旋轉(zhuǎn)時兩個輥同時都要出力。由于卷板過程中曲率半徑不斷在變化，要達到線速度一致比較困難，為了達到工件旋轉(zhuǎn)角速度同步，上輥旋轉(zhuǎn)采用速度閉環(huán)自適應(yīng)控制。旋轉(zhuǎn)閉環(huán)控制框圖如圖6所示，PI參數(shù)跟隨速度，當(dāng)速度要求慢時參數(shù)調(diào)節(jié)慢，穩(wěn)定且沒有超調(diào)；當(dāng)速度要求快時參數(shù)調(diào)節(jié)快，跟隨性快，快速性好，自動卷板時效果明顯。

該旋轉(zhuǎn)速度閉環(huán)控制主要參考的數(shù)學(xué)函數(shù)［4］為：

式中，u（t）為輸出電壓信號；e（t）為旋轉(zhuǎn)速度偏差信號；Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時間常數(shù)。

下輥采用力矩控制，上輥旋轉(zhuǎn)的實際力矩作為下輥旋轉(zhuǎn)時

圖6 旋轉(zhuǎn)閉環(huán)控制框圖

的設(shè)定力矩。這樣對于不同的板厚，在筒內(nèi)外圓線速度不同的情況下，下輥能夠自動調(diào)整旋轉(zhuǎn)力矩，很好地適應(yīng)卷板工藝要求。

4 結(jié)語

在實際應(yīng)用中，該控制系統(tǒng)能正常穩(wěn)定運行，能準確自動控制升降輥的位置和上下輥的旋轉(zhuǎn)速度，并解決了兩個主驅(qū)動輥的速度匹配問題。該卷板機是由青島蘭石重型機械設(shè)備有限公司定制的，并于2011年5月21日通過甘肅省科學(xué)技術(shù)廳專家組驗收，為東南亞地區(qū)最大的一臺重型全液壓四輥卷板機。

［1］楊樹平，馬悅山．四輥卷板機的數(shù)控實現(xiàn)［J］．沈陽化工學(xué)院學(xué)報，2005，19（2）：110－112．

［2］胡衛(wèi)龍．板料在四輥卷板機上的彎卷成形［J］．新技術(shù)新工藝，1987（6）：19－20．

［3］崔堅．西門子S7可編程序控制器——STEP7編程指南［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2007：243－257．

［4］吳麟．自動控制原理（上冊）［M］．北京：清華大學(xué)出版社，1990：146－149．