直縫焊管預(yù)彎?rùn)C(jī)數(shù)控系統(tǒng)的改造

陳 亮，閔建東，劉建杰

（中國(guó)石化集團(tuán)石油工程機(jī)械有限公司沙市鋼管廠，湖北 荊州434001）

直縫焊管預(yù)彎?rùn)C(jī)數(shù)控系統(tǒng)的改造

陳 亮，閔建東，劉建杰

（中國(guó)石化集團(tuán)石油工程機(jī)械有限公司沙市鋼管廠，湖北 荊州434001）

針對(duì)焊管預(yù)彎?rùn)C(jī)原同步性控制采用數(shù)控DNC60，存在同步控制系統(tǒng)可靠性差、設(shè)備故障率高的問(wèn)題，對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造。采用力士樂HNC－4四軸數(shù)控代替原數(shù)控DNC60，提高了焊管預(yù)彎?rùn)C(jī)M1和M2的4個(gè)油缸的同步性，增加了HNC與PLC之間的PROFIBUS－DP協(xié)議通訊，改進(jìn)了PLC的同步配合程序，并自行開發(fā)了HNC－4與PLC之間數(shù)據(jù)交換的通用程序模塊。改進(jìn)后控制系統(tǒng)的4個(gè)油缸同步性提高，有效地降低了設(shè)備的故障率，提高了生產(chǎn)效率。

焊管；預(yù)彎?rùn)C(jī)；控制系統(tǒng)；力士樂HNC－4

中國(guó)石化集團(tuán)石油工程機(jī)械有限公司沙市鋼管廠（以下簡(jiǎn)稱沙市鋼管廠）使用的天水某設(shè)備廠生產(chǎn)的焊管預(yù)彎?rùn)C(jī)目前故障頻繁，嚴(yán)重影響車間的正常排產(chǎn)。從2011年至今，同步可靠性（含光柵）的故障占總故障的44%。經(jīng)過(guò)調(diào)研，同行其他鋼管廠所用的該類焊管預(yù)彎?rùn)C(jī)也存在同樣的問(wèn)題。有些鋼管廠對(duì)該預(yù)彎?rùn)C(jī)進(jìn)行了技術(shù)改造，效果良好。為了提高生產(chǎn)效率，沙市鋼管廠擬對(duì)焊管預(yù)彎?rùn)C(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，從成本和改造的重要點(diǎn)分析，決定先改造預(yù)彎?rùn)C(jī)的控制系統(tǒng)。

該焊管預(yù)彎?rùn)C(jī)原同步性控制采用的是數(shù)控DNC60。數(shù)控DNC60已停產(chǎn)多年，目前又缺少相關(guān)的技術(shù)支持，給設(shè)備維護(hù)帶來(lái)了很大困難。為此，擬選用市場(chǎng)通用性較好的力士樂4軸數(shù)控HNC－4作為同步控制的核心來(lái)進(jìn)行焊管預(yù)彎?rùn)C(jī)的升級(jí)改造。

1 改造方案

改造后的焊管預(yù)彎?rùn)C(jī)數(shù)控系統(tǒng)總體控制線路如圖1所示。該系統(tǒng)整體改造方案如下：

（1）采用力士樂HNC100多軸控制器替代現(xiàn)有DNC60控制器，進(jìn)行油缸位置同步控制。位置檢測(cè)元件采用BALLUFF－SSI位移傳感器，取消原有封閉式光柵尺，提高系統(tǒng)的同步控制精度。

（2）控制過(guò)程中采用位置和壓力雙閉環(huán)檢測(cè)反饋。

（3）對(duì)PLC控制程序中液壓開關(guān)閥配合度進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化調(diào)整。

（4）開發(fā)HNC與PLC數(shù)據(jù)交換通用程序塊。

圖1 改造后的焊管預(yù)彎?rùn)C(jī)數(shù)控系統(tǒng)總體控制示意圖

2 同步性能升級(jí)分析

2.1 HNC－4相對(duì)DNC 60 PS的同步性能優(yōu)勢(shì)

原焊管預(yù)彎?rùn)C(jī)同步控制使用的DNC60是2軸數(shù)控?，F(xiàn)場(chǎng)預(yù)彎?rùn)C(jī)M1（2個(gè)軸）和M2（2個(gè)軸）每邊都用一個(gè)DNC60，設(shè)置同步精度時(shí)不能同時(shí)給M1和M2共四個(gè)軸設(shè)置一個(gè)同步精度，運(yùn)行時(shí)一個(gè)數(shù)控DNC60負(fù)責(zé)M1的2個(gè)軸同步，另一個(gè)DNC60負(fù)責(zé)M2的2個(gè)軸同步，M1與M2之間的同步需要以PLC作為判斷中介，并通過(guò)PLC來(lái)判斷M1和M2是否都同時(shí)到了PP點(diǎn)（工進(jìn)開始點(diǎn)）或END點(diǎn)（開始保壓點(diǎn)），再通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)回傳到DNC。這種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳遞會(huì)產(chǎn)生延時(shí)，對(duì)于高壓力的成型設(shè)備來(lái)說(shuō)，延時(shí)容易造成成型對(duì)象產(chǎn)生不該有的變形。

HNC－4是四軸數(shù)控，只需將M1（2個(gè)軸）和M2（2個(gè)軸）共4個(gè)軸的基準(zhǔn)點(diǎn)在HMI上設(shè)置好，運(yùn)行過(guò)程中，這四個(gè)軸是否同時(shí)到達(dá)PP點(diǎn)或END點(diǎn)，HNC－4能自動(dòng)判斷，并通過(guò)HNC配套的WINPED 7.0調(diào)試軟件編程設(shè)置。如果軸1、軸2、軸3或軸4中存在未能同時(shí)到PP點(diǎn)的情況，先到的軸就會(huì)處于等待狀態(tài)，待其他軸到位后，再同時(shí)轉(zhuǎn)換為工進(jìn)狀態(tài)；同樣，如果軸1、軸2、軸3或軸4中存在未能同時(shí)到END點(diǎn)的情況，先到的軸也會(huì)處于等待狀態(tài)，待其他軸到位后，再同時(shí)轉(zhuǎn)換為卸壓狀態(tài)。

2.2 優(yōu)化檢測(cè)提高平衡控制可靠性

原控制系統(tǒng)在快進(jìn)，工進(jìn)和保壓這幾個(gè)階段中，M1（2軸）單純通過(guò)2個(gè)光柵尺的數(shù)據(jù)比較來(lái)判斷M1內(nèi)部?jī)蓚€(gè)軸是否在同一位置值，M2也是類似。由于現(xiàn)場(chǎng)抖動(dòng)，或油污會(huì)污染光柵尺面，破壞光柵尺線條紋分布，易引起測(cè)量誤差，導(dǎo)致同步誤報(bào)警或者不報(bào)警。

為防止同步誤報(bào)警情況的出現(xiàn)，就要更換掉光柵尺這個(gè)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求較高的位置檢測(cè)傳感器。經(jīng)調(diào)研選用了BALLUFF磁滯直線位移傳感器，該傳感器抗灰塵、油污能力強(qiáng)，且理論精度較高，為0.001mm。使用BALLUFF磁滯直線位移傳感器能有效避免原位移檢測(cè)傳感器對(duì)灰塵、油污等敏感而帶來(lái)的誤差。

另外，對(duì)焊管預(yù)彎?rùn)C(jī)出現(xiàn)的活塞缸頭在系統(tǒng)未報(bào)警時(shí)被拉斷的情況進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其原因可能是光柵尺檢測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確而導(dǎo)致控制系統(tǒng)做出的錯(cuò)誤反應(yīng)。因此，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，更換了新型位移傳感器，并增加了油缸壓力檢測(cè)。改進(jìn)后，當(dāng)4軸位移誤差和壓力誤差中任何一個(gè)超過(guò)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)均會(huì)停止動(dòng)作，提醒相關(guān)報(bào)警，故障排除后，繼續(xù)工作，從而防止了各軸拉力桿應(yīng)力不同步導(dǎo)致的拉斷現(xiàn)象的發(fā)生。

改造后檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)控制流程如圖2所示。

圖2 改造后檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)控制流程

由圖2可見，與原焊管預(yù)彎?rùn)C(jī)控制系統(tǒng)相比，改進(jìn)后的控制系統(tǒng)增加了壓力差值與設(shè)定值比較，形成了雙閉環(huán)檢測(cè)反饋，有效避免了位移傳感器因現(xiàn)場(chǎng)抖動(dòng)或位移傳感器本身信號(hào)線破損受干擾導(dǎo)致的誤報(bào)警。

2.3 PLC程序在同步控制中的優(yōu)化升級(jí)

原PLC程序在同步控制中，充當(dāng)2個(gè)同步協(xié)調(diào)作用。第一個(gè)作用是接收M1的DNC 2軸數(shù)控TDC、PP和END點(diǎn)數(shù)字量信號(hào)，接收M2的DNC 2軸數(shù)控TDC、PP和END點(diǎn)數(shù)字量信號(hào)，PLC作出是否都到同一點(diǎn)的判斷后，通過(guò)數(shù)字量模塊回發(fā)給M1和M2的DNC。第二個(gè)作用如圖3所示，焊管預(yù)彎?rùn)C(jī)各液壓閥除了比例閥P101和伺服閥P102由DNC控制外，在壓制過(guò)程中的各轉(zhuǎn)折點(diǎn)，由數(shù)控設(shè)備各軸發(fā)出轉(zhuǎn)折點(diǎn)信號(hào)給PLC，然后由PLC來(lái)控制M1開關(guān)閥Y01－Y08和M2開關(guān)閥Y01－Y08的開斷配合。

圖3 預(yù)彎?rùn)C(jī)各液壓閥時(shí)序圖

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)研究和觀察分析后認(rèn)為，原控制系統(tǒng)在快進(jìn)轉(zhuǎn)工進(jìn)，工進(jìn)轉(zhuǎn)保壓等液壓轉(zhuǎn)折點(diǎn)，開關(guān)閥Y01－Y08投入及切斷與伺服閥P102的配合度，決定著焊管預(yù)彎?rùn)C(jī)在轉(zhuǎn)換點(diǎn)壓力的連續(xù)性。如果配合度高，壓力均衡，轉(zhuǎn)換就平穩(wěn)，否則就會(huì)產(chǎn)生較大振動(dòng)。

圖4 原PLC同步配合程序

另外，在PLC控制開關(guān)閥配合過(guò)程中，原PLC程序有漏洞。原PLC同步配合程序如圖4所示。由圖4可見，當(dāng)M1到達(dá)PP點(diǎn)而M2未到PP點(diǎn)時(shí)，原程序是M1等待0.5 s后，M1和M2同時(shí)從PP點(diǎn)開始轉(zhuǎn)為工進(jìn)狀態(tài)，M1和M2相關(guān)開關(guān)閥也轉(zhuǎn)為工進(jìn)狀態(tài)。但M1等待的0.5 s，M2是否達(dá)到PP點(diǎn)，原程序未做出判斷，沒有實(shí)現(xiàn)M1和M2的真正同步。因此，對(duì)PLC程序進(jìn)行改進(jìn)，當(dāng)軸M1的軸1和軸2與M2的軸3和軸4任何一個(gè)軸先到PP點(diǎn)的，程序設(shè)置為先到的軸均處于等待狀態(tài)，直到4個(gè)軸全部到達(dá)PP點(diǎn)后，才開始同時(shí)工進(jìn)，在同一時(shí)刻觸發(fā)液壓開關(guān)閥。改進(jìn)后的PLC程序如圖5所示。

圖5 改進(jìn)后的PLC同步配合程序

3 HNC－4與PLC數(shù)據(jù)交換通用模塊開發(fā)

原控制方案中，數(shù)控DNC與PLC之間只有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的操作，沒有產(chǎn)生協(xié)議式通訊，且現(xiàn)場(chǎng)預(yù)彎參數(shù)設(shè)置都是在DNC自帶的設(shè)置屏幕上進(jìn)行，不需要開發(fā)數(shù)控與PLC之間交換數(shù)據(jù)的程序。改造方案中，4軸數(shù)控HNC－4與PLC之間通訊采用PROFIBUS－DP協(xié)議，且共用一塊上位機(jī)HMI。根據(jù)力士樂公司的官方資料，要把4軸基準(zhǔn)點(diǎn)、位移誤差、壓力誤差和同步精度等設(shè)置參數(shù)寫入HNC，需要先把這些參數(shù)存儲(chǔ)到PLC，然后由PLC通過(guò)DP總線以力士樂公司的相關(guān)技術(shù)規(guī)定傳給數(shù)控HNC，而PLC也需要讀取HNC當(dāng)前的壓制步數(shù)，當(dāng)前位置等參數(shù)。這就需要開發(fā)HNC與PLC之間數(shù)據(jù)交換通用的程序塊。

自行開發(fā)的HNC－4與PLC之間數(shù)據(jù)交換通用程序模塊邏輯流程如圖6所示。圖6中FC111、FC122、FC133、FC123和FC136均為自行開發(fā)的PLC功能塊。

圖6 數(shù)據(jù)交換通用程序模塊邏輯流程圖

以PLC讀取HNC軸1的實(shí)際位移量為例（實(shí)際位移量存儲(chǔ)在HNC軸1的BV00里面），下面給出讀取HNC BV00數(shù)據(jù)的具體PLC STL程序，具體程序如下：

4 結(jié) 語(yǔ)

由于焊管預(yù)彎?rùn)C(jī)原同步性控制采用的是數(shù)控DNC60，存在同步控制系統(tǒng)可靠性較差，設(shè)備故障率較高，故對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造。采用力士樂HNC－4四軸數(shù)控與PLC相結(jié)合的方式，提高了焊管預(yù)彎?rùn)C(jī)M1和M2的4個(gè)油缸的同步性，并增加了HNC與PLC之間的PROFIBUS－DP協(xié)議通訊，改進(jìn)了PLC的同步配合程序。改進(jìn)后控制系統(tǒng)的4個(gè)油缸同步性提高，有效地降低了設(shè)備的故障率，提高了生產(chǎn)效率。

[1]羅紅福，胡斌，鐘存福.PROFIBUS－DP現(xiàn)場(chǎng)總線工程應(yīng)用實(shí)例解析[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[2]羅紅福.PROFIBUS－DP在銑邊機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].焊管，2005，28（3）：40-42.

[3]劉華波，王雪，何文雪.組態(tài)軟件WINCC及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[4]王曉穎，周淑軍，聞康，等.PLC埋弧焊管渣清理收集裝置控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].鋼管，2006，35（6）：36-38.

[5]徐馳，馬占昌，樊萍.鋼管加工中心自動(dòng)找正電氣系統(tǒng)的研制與應(yīng)用[J].鋼管，2009，38（6）：64-68.

[6]陶海燕.PLC在鋼管冷拔機(jī)電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].鋼管，2010，39（6）：57-59.

[7]宗波，李淑彬，王國(guó)順.基于PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的水壓試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)[J].鋼管，2011，40（3）：55-58.

[8]陳昶.S7－300型PLC在立式錐形輥穿孔機(jī)頂桿小車上的應(yīng)用[J].鋼管，2012，41（2）：67-72.

[9]張衛(wèi)國(guó).S7－300 PLC在冷彎設(shè)備中的應(yīng)用 [J].電氣技術(shù)，2007（3）：87-91.

[10]朱明清.西門子S7－300 PLC在氣體分段計(jì)量中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2011，30（1）：65-67.

Numerical Control System Reform of Longitudinal Welded Pipe Prebending Machine

CHEN Liang,MIN Jiandong,LIU Jianjie
（Shashi Steel Pipe Factory of SINOPEC Petroleum Engineering Machinery Co.,Ltd.,Jingzhou 434001,Hubei,China）

Adopting numerical control DNC60 for welded pipe prebending machine synchronism exists some problems,such as bad reliability of synchronous control system,high equipment failure rate and so on,the upgrading and rebuilding were conducted for this system.Using Rexroth HNC－4 four-axis numerical control replaced the original DNC 60 numerical control,it enhanced four oil cylinders synchronism of welded pipe prebending machine M1 and M2,increased PROFIBUS－DP agreement communication between HNC－4 and PLC,improved synchronous matching procedure,and self-developed the general program module for data exchange between HNC－4 and PLC.The four oil cylinders synchronism of improved control system was improved,which effectively reduced the equipment failure rate and improved production efficiency.

welded pipe;prebending machine;control system;Rexroth HNC－4

TE973 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.03.010

陳 亮（1986—），男，助理工程師，主要從事焊管行業(yè)電氣控制方面的設(shè)計(jì)工作。

2016-01-05

謝淑霞