鋼管銑邊機右側主銑頭報警和異常后退液電分析

徐根濤，孫鳳龍，黃 杰

（寶山鋼鐵股份有限公司鋼管條鋼事業(yè)部，上海 201900）

銑邊機一般布置在引弧板焊接之后、彎邊機之前，是UOE、JCOE 直縫焊管生產線鋼板成型前的一道重要工序設備［1］。寶山鋼鐵股份有限公司（簡稱寶鋼股份）UOE 生產線銑邊機可銑削鋼板的長度10 000～18 500 mm，寬度1 502～4 524 mm，厚度6～40 mm，單邊最大銑削量20 mm，設計產能50萬t/年，2008 年初正式投產。該銑邊機有4 個主銑頭裝置，分別將鋼板左右兩個側邊銑削到精確板寬，并銑削出上下坡口；因此，也被看作是多銑頭的大銑床。

寶鋼股份UOE 銑邊機主銑頭裝置按設備布置分列為左側1 號、2 號主銑頭，右側1 號、2 號主銑頭［2］。其中，左右1 號主銑頭銑削鋼板的左右鈍邊，加工鋼板的兩個4°直邊，保證鋼板的精確寬度；左右2 號主銑頭銑削鋼板的左右坡口，加工形成上下坡口，滿足后續(xù)焊接要求。2018 年7 月，該銑邊機右側2 號刀盤銑邊時出現(xiàn)自動停止、機架潤滑裝置報警、主銑頭機架頻繁后退跑位等異?，F(xiàn)象，造成Φ914 mm×17.5 mm 規(guī)格鋼管生產時頻繁停機，生產無法正常進行。因此，有必要對該異?，F(xiàn)象進行分析，并找出解決方案。

1 主銑頭系統(tǒng)和故障現(xiàn)象介紹

1.1 機械液壓系統(tǒng)概況

UOE 銑邊機每個主銑頭裝置主要由底座、移動主油缸、主電機、主變速箱體、切削刀盤、導軌及鎖緊裝置等組成，每套銑頭均是獨立控制。其中，主銑頭裝置安裝在4 個獨立底座上；主電機、主變速箱體、切削刀盤等連接在一起，通過底座上的移動主油缸在底座導軌上前后移動，滿足不同寬度鋼板銑邊要求；移動主油缸自帶Ratio-Clamp 活塞桿位置鎖緊裝置，同時底座導軌也設計了鎖緊油缸裝置，以保證鋼板銑邊時主銑頭位置鎖定，滿足銑邊工藝需要。主銑頭機架結構如圖1 所示。

圖1 主銑頭機架結構示意

每個主銑頭的液壓控制一致，主銑頭移動控制及鎖緊原理如圖2 所示［3-5］。動作如下：電磁換向閥1 右位失電，液壓油打開移動主油缸自帶的活塞桿鎖緊裝置，比例換向閥3、切斷閥4 得電，液壓油進入移動主油缸，控制主油缸前后移動，雙向溢流閥5 起過載保護作用；蓄能器裝置2 在主油缸前后動作時，一方面為活塞桿鎖緊裝置提供恒定動力源，另一方面在系統(tǒng)斷電時為打開鎖緊裝置提供應急動力源。電磁換向閥6（在主油缸前后動作及主銑頭銑邊時均得電，處于左位）、液控單向閥7（液壓鎖）、電磁換向閥8（常失電位）和蓄能器裝置9組成應急回路，在系統(tǒng)斷電時控制移動主油缸回退到最大開檔位置，保護主銑頭刀盤及刀片。移動主油缸在導軌上前后動作時，比例減壓閥10、電磁換向閥11 不得電，每根導軌上的鎖緊油缸13 處于打開狀態(tài)，主油缸到位后，比例減壓閥10、電磁換向閥11 得電，鎖緊油缸處于鎖緊狀態(tài)，壓力傳感器12 設定鎖緊壓力，壓力低于設定值時發(fā)出報警信號，停止主銑頭轉動。

圖2 主銑頭移動控制及鎖緊原理示意

1.2 電控系統(tǒng)概況

銑邊機電氣控制采用總線技術［6-7］；電控系統(tǒng)采用西門子公司的可編程控制器（PLC）和全數(shù)字變頻傳動裝置；基礎自動化系統(tǒng)與傳動系統(tǒng)之間完全通過Profibus-DP 網(wǎng)絡交換信息，構成全數(shù)字化的控制系統(tǒng)?？刂菩畔⒑拖到y(tǒng)狀態(tài)信息，通過監(jiān)控網(wǎng)（Ethernet）和分布式I/O 網(wǎng)（Profibus-DP）進行交換。銑邊機電氣主PLC 為西門子S7-400，通過DP 網(wǎng)絡與現(xiàn)場傳感器和遠程站進行通信連接，銑邊機設備網(wǎng)絡物理走線如圖3 所示。銑邊機DP 網(wǎng)絡分為兩個：Profibus（1）負責電氣室內部設備的通信；Profibus（2）負責現(xiàn)場設備的通信，通信速率為3 Mbit/s，Profibus（2）共帶有52 個站點，其中48、50、62、64、66、32 號站點在右側1 號銑邊機機床上，52、54、68、70、72 號站點在右側2 號銑邊機機床上。

1.3 故障現(xiàn)象及處理過程

2018 年7 月6 日13：00，銑邊機右側2 號刀盤在自動銑削過程中突然停止，電機停轉；現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)HMI 操作畫面上右側2 號刀盤的主變速箱潤滑報警，且右側2 號刀盤的主變速箱六路潤滑流量計全部報警，初步懷疑銑邊機機床震動大，導致機床上的L104.1 遠程站點板卡間松動，造成該遠程站系統(tǒng)報警［8-9］，而遠程站的輸入信號丟失，引起右側2 號刀盤的主變速箱潤滑全部報警。分析故障現(xiàn)象后的處理過程如下。

（1） 對L104.1 遠程站點內的模塊進行緊固，并增加防護墊抗震后試車正常，但是生產幾張鋼板后又出現(xiàn)類似故障，檢查發(fā)現(xiàn)2 號主變速箱潤滑系統(tǒng)油位、壓力、泄漏等均無異常。

（2） 更換該站點IM151 模塊，試銑削一張鋼板時正常，第二張自動銑削時又出現(xiàn)上述情況。

（3） 更換站點內IM151 連接的電源模塊，試銑削一張鋼板又出現(xiàn)該故障。

（4） 在L104.1 遠程站點增加1 根24 V 電源線，用于排除電源問題引起的上述故障，隨后再試車，結果故障現(xiàn)象仍然存在。

（5） 將程序上導致該刀盤停機的信號過濾，試車時雖然有時仍有100 ms 閃斷情況，但由于將部分輸入信號進行了過濾，所以不會造成停機。

（6） 7 月7 日下午出現(xiàn)右側2 號機架后退跑位現(xiàn)象，無法維持生產。更換該處移動主油缸控制系統(tǒng)中切斷閥4、雙向溢流閥5、液控單向閥7，故障仍存在，將右側1 號液壓閥組和右側2 號整體對換，故障依然在2 號機架存在，排除液壓閥組的原因；檢查電磁換向閥1、比例換向閥3、切斷閥4、電磁換向閥6，線圈得電時序正常；壓力傳感器12正常；初步懷疑移動主油缸鎖緊裝置失效、主油缸內泄，準備更換該油缸，同時使用壓力測試儀對主油缸應急回路有桿腔壓力及鎖緊回路壓力進行持續(xù)監(jiān)控。在54 號站點臨時增加1 根24 V 電源線，機床后退跑位現(xiàn)象未出現(xiàn)。

（7） 7 月8 日凌晨3 點銑邊機右側2 號機架又頻繁出現(xiàn)后退跑位情況，查看壓力測試儀實時監(jiān)測曲線，發(fā)現(xiàn)主油缸應急回路有桿腔壓力、鎖緊回路壓力均異常，判斷認為2 號主銑頭控制系統(tǒng)異常失電導致機架后退跑位。

（8） 檢查PLC 診斷，發(fā)現(xiàn)32 號站點發(fā)生過站點丟失情況，而32 號站點是54 號站點物理上級，停機檢查32 號站點上的傳感器DP 插頭［10-11］，發(fā)現(xiàn)插頭內電纜線裸露，重新制作、安裝傳感器DP 電纜插頭，試車后站點丟失情況消除，生產恢復。

圖3 銑邊機設備網(wǎng)絡物理走線示意

2 原因分析

2.1 機械液壓原因分析

（1） 從主銑頭移動液壓原理圖分析原因［3-4］。根據(jù)不同規(guī)格鋼板的要求，4 個主銑頭通過液壓系統(tǒng)的比例換向閥3 控制移動主油缸到設定位置后，移動主油缸回路的比例換向閥3、切斷閥4 失電，移動主油缸自鎖緊回路的電磁換向閥1 得電，移動主油缸鎖緊［5］；同時，導軌鎖緊回路的電磁換向閥11得電，壓力傳感器12 監(jiān)控鎖緊壓力值，主銑頭機架被鎖緊在移動導軌上，主銑頭機架（即切削刀盤）被雙重鎖緊；電磁換向閥6 得電，電磁換向閥8 常失電，液壓應急回路通過液控單向閥7 鎖住，可開始鋼板銑削。如果銑削過程中出現(xiàn)異常情況，如信號異常、報警等，電磁換向閥1、比例換向閥3、切斷閥4、電磁換向閥6、電磁換向閥11 全部失電，導軌鎖緊油缸失壓打開，此時蓄能器裝置2、蓄能器裝置9 所蓄壓力供到移動主油缸應急回路、鎖緊回路，主油缸鎖緊裝置打開，應急回路壓力油進入移動主油缸有桿腔，主油缸退回并帶動右側2號主銑頭退到最大開檔位置。

（2） 從銑邊機生產過程記錄的壓力波形圖分析原因。在銑邊機生產過程中，使用壓力測試儀在線監(jiān)測移動主油缸鎖緊壓力、移動主油缸有桿腔的壓力波形，如圖4~5 所示。

從圖4 可以看出，右側2 號機主銑頭正常生產時，控制回路中主油缸有桿腔壓力穩(wěn)定，約8.4 MPa（同時檢測油缸無桿腔壓力，壓力穩(wěn)定，約為7 MPa，考慮主油缸無桿腔和有桿腔面積比為2 ∶1，主油缸始終產生向鋼板的力）；機架油缸鎖緊壓力略有波動，最大值為1.3 MPa；機架導軌鎖緊壓力傳感器12 壓力恒定，約為15 MPa（液壓系統(tǒng)壓力）。

異常（主銑頭機架跑位）時機架油缸鎖緊壓力及應急回路壓力波形如圖5 所示，從圖5 可以看到，右側2 號機主銑頭異常后退時，應急回路中油缸有桿腔壓力從6 MPa 左右瞬間升高到12.2 MPa 左右，幾乎同時移動主油缸鎖緊壓力由0 瞬間升到8.5 MPa 左右，瞬間時間約為0.222 s（放大后的壓力波形如圖6 所示）。在120 600～121 800 ms 短時間，失電現(xiàn)象出現(xiàn)了兩次。

圖4 正常生產時機架油缸鎖緊壓力及應急回路壓力波形

圖5 主銑頭機架跑位時機架油缸鎖緊壓力及應急回路壓力波形

圖6 放大后的壓力波形示意

通過上述分析可知：銑邊機銑削過程中，右側2 號主銑頭液壓控制系統(tǒng)全部失電，從而導致主油缸鎖緊打開，應急系統(tǒng)控制主油缸及主銑頭回退，造成機架跑位；2 號主銑頭機架移動控制液壓系統(tǒng)、主油缸等設備正常。

2.2 電氣原因分析

（1） 7 月6 日的銑邊機右側2 號刀盤自動停止并發(fā)出主變速箱潤滑報警，該潤滑信號輸入點在52 號站點上，在處理過程中52 號站點時有SF 報警，判斷是機床震動，導致遠程I/O 的底板接觸不良，將底板緊固后，報警消除，但仍存在主變速箱潤滑報警，通過在程序中增加過濾延時的方式避免刀盤自動停止，維持生產。此時，右側2 號刀盤未出現(xiàn)后退現(xiàn)象。

（2） 7 月7 日發(fā)生的2 號右側主銑頭機架后退跑位，是因為2 號主銑頭機架位置實際值與位置設定值偏差太大，導致鋼板無法正常銑削。右側2 號主銑頭機架位置設置錯誤是主要原因（正常設定值為1 824.52 mm，實際設定值1 831.68 mm）。

（3） 7 月8 日凌晨，通過壓力測試儀“鋪捉”到2 號右側主銑頭后退原因為液壓控制系統(tǒng)全部失電后［10］，排查電磁換向閥1 和6 電磁線圈的輸入信號來自于54 號站點，為防止因電源供電不穩(wěn)導致信號丟失，在54 號站點內增加一個24 V 臨時電源線。電纜線放好后試車無異常，恢復正常生產。

（4） 7 月8 日上午又出現(xiàn)2 號右側主銑頭后退現(xiàn)象，再次詳細排查，發(fā)現(xiàn)32 號站點存在無通信信號情況，而32 號站點是54 號站點物理上級；停機打開并檢查32 號站點上銑邊機入口測寬輪油缸傳感器DP 插頭［11］，發(fā)現(xiàn)DP 插頭內接線螺絲未松動，但內部接線存在裸露情況。重新制作DP 插頭接線后再安裝、試車，32 號站點通信信號正常，主銑頭機架后退跑位情況不再發(fā)生，后續(xù)拆除臨時增加的24 V 電源線，生產時未出現(xiàn)故障，刪除增加的刀盤停止過濾延時程序，至今未再發(fā)生故障。

（5） 分析32 號站點和52 號、54 號站點關系，根據(jù)其物理走向判斷，48 號站點前有中繼器進行物理隔離，48 號站點以后的站點都在銑邊機右側機床上，為此故障現(xiàn)象都發(fā)生在銑邊機右側機床。32 號站點與52 號和54 號站點在同一條物理線上，相互之間沒有隔離，而且在32 號站點的后面，32號站點通信異常會引起52 號和54 號站點及該線路上的其他站點通信異常，由于32 號站點后除52 號和54 號站點為遠程I/O 站點外，其他站點均為傳感器，傳感器在通信中斷后再恢復數(shù)值保持不變，所以不會受到影響，而遠程I/O 站點在通信中斷時，I/O 信號會丟失，造成設備誤動作。

通過上述分析可知：①銑邊機右側2 號機架上52 號遠程站點SF 報警，使得銑邊機右側2 號主銑頭主變速箱潤滑信號丟失，造成銑邊機右側2 號主銑頭機架跳電；②32 號站通信異常，引起54 號遠程站點的輸出信號丟失，使得2 號主銑頭移動主油缸鎖緊裝置失電，液壓回退應急回路觸發(fā)，造成主銑頭機架后退跑位；③銑邊機主銑頭機架在銑削過程中的震動較大，造成固定在銑邊機機架上的遠程I/O 板卡間連接不佳，引發(fā)52 號遠程站SF 報警；④銑邊機DP 網(wǎng)絡通信速率設為3 Mbit/s，對現(xiàn)場的DP 連接器要求很高，受到長期震動的影響，DP連接器狀態(tài)不佳，造成DP 網(wǎng)絡通信異常［9-11］。

3 故障啟示與反思

該銑邊機右側2 號主銑頭主變速箱潤滑報警及機架異常后退故障總計約12 h，對生產影響較大。

（1） 故障處理時間較長，說明故障判斷及處理技術水平存在不足。因此，要提高設備人員故障判斷及處理的技術水平，以減少故障處理時間。

（2） 為滿足現(xiàn)場設備動作響應實時性好，將UOE 銑邊機DP 網(wǎng)絡通信速率設為3 Mbit/s，這對現(xiàn)場DP 連接器接線和連接都有很高要求，為此DP連接器稍有接觸不良或屏蔽不好，就會使DP 網(wǎng)絡通信異常，而這樣造成的DP 網(wǎng)絡通信異常通常為閃斷，很難判斷故障發(fā)生的原因和找到故障點；而PLC 的故障堆棧中也往往報出的不一定是真正的故障點（如故障堆棧前期始終報出的是52 號站點異常，只是當7 月8 日通信故障造成銑邊機停機，再去查看此時PLC 的故障堆棧報出的是32 號站點），所以增加了判斷故障的難度，需積累判斷經(jīng)驗。

（3） 銑邊機主銑頭機架上端子內遠程站箱放置較多，設備傳感器插頭［10-11］、DP 插頭較多，銑削鋼板時灰塵多、震動大，容易造成端子箱積灰和插頭松動。因此，要定期對端子箱及插頭進行檢查、清灰、緊固。

（4） 為更快判斷故障點，新增了Pofibus HUB模塊，優(yōu)化了銑邊機主銑頭機架上的DP 網(wǎng)絡拓撲結構及物理走向?？紤]Pofibus HUB 模塊各個端口都是相互隔離的，新增Pofibus HUB 模塊對類似DP 通信閃斷的故障判斷將提供有益幫助：縮小故障范圍，減少故障判斷時間。

4 結 語

通過綜合分析寶鋼股份UOE 焊管銑邊機右側2 號主銑頭異常后退電液情況，發(fā)現(xiàn)機械液壓發(fā)生異常動作、造成故障的原因是多方面的，既有可能是機械液壓設備自身原因，也有可能是電氣控制所導致；在判斷處理大型綜合機電液設備故障時，機電液通力合作、相互配合，會更快、更準確地找到故障原因，縮小故障范圍，縮短故障時間。