4500 t 快鍛沖閥程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用

程海龍

4500 t 快鍛油壓機(jī)是主要通過(guò)液壓元件控制的油壓機(jī)， 由于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行及受液壓油中雜質(zhì)的影響， 有時(shí)比例伺服閥會(huì)發(fā)生卡頓事故， 過(guò)去只能通過(guò)更換比例伺服閥先導(dǎo)來(lái)解決問(wèn)題； 但是仍不能保證壓機(jī)不壓過(guò)線而導(dǎo)致鍛件報(bào)廢； 而且更換備件不僅延誤生產(chǎn)， 還消耗備件， 增加維修人員工作量。 而通過(guò)設(shè)計(jì)沖洗閥程序， 在不影響原程序正常工作的情況下， 由操作者啟動(dòng)沖洗閥程序解決閥芯堵塞問(wèn)題， 減少維護(hù)時(shí)間， 提高設(shè)備的開(kāi)動(dòng)率， 保障生產(chǎn)順利進(jìn)行。

1 沖閥系統(tǒng)的原理

1.1 液壓控制系統(tǒng)工作原理

某伺服液壓控制系統(tǒng)的能源為恒壓液壓泵，液壓動(dòng)力裝置由伺服閥和液壓缸組成。 伺服閥負(fù)責(zé)將電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換器給出的機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換成液壓信號(hào) （流量、 壓力） 放大后輸出。 液壓缸為執(zhí)行器， 它的輸入是壓力油流量， 輸出的是拖動(dòng)負(fù)載的運(yùn)動(dòng)速度或位移。 與液壓缸左端相連的傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)液壓缸的位置以構(gòu)成反饋控制 （見(jiàn)圖1）。

當(dāng)電氣輸入指令裝置發(fā)出一指令信號(hào)u1 時(shí)，系統(tǒng)將反饋信號(hào)u0 與指令信號(hào)相比較得出誤差信號(hào)u3， 經(jīng)放大器放大后 （通常為電流信號(hào)i） 輸出給電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換器， 由電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換器帶動(dòng)滑閥的閥芯移動(dòng)。 當(dāng)閥芯向右移動(dòng)一個(gè)距離時(shí)， 節(jié)流口b、 d 便有一個(gè)相應(yīng)的開(kāi)口量， 閥芯的移動(dòng)距離及節(jié)流口的開(kāi)口量 （通流面積） 與誤差信號(hào)u3 成比例。 閥芯移動(dòng)后， 液壓泵的壓力油由P 口經(jīng)節(jié)流口b 進(jìn)入液壓缸左腔， 右腔油由B 口經(jīng)節(jié)流口d回油， 液壓缸活塞桿推動(dòng)負(fù)載右移， 同時(shí)反饋傳感器動(dòng)作， 減小誤差及節(jié)流口開(kāi)口量， 當(dāng)反饋信號(hào)與指令信號(hào)之差u3=0 時(shí)， 電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換器又回到中間位置 （零位）， 伺服閥也處于中間位置， 輸出流量為零， 液壓缸停止運(yùn)動(dòng)， 此時(shí)負(fù)載處于平衡位置， 從而完成液壓缸輸出位移對(duì)指令輸入的跟隨運(yùn)動(dòng)。 如果加入的是反指令信號(hào)， 則滑閥反向運(yùn)動(dòng)，液壓缸也反向跟隨運(yùn)動(dòng)。

1.2 PLC 編程原理

圖1 液壓控制原理圖

PLC 編程是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)， 因應(yīng)用廣、 功能強(qiáng)、 使用方便， 已經(jīng)成為工業(yè)自動(dòng)化的主要裝置之一， 在工業(yè)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域得到廣泛使用。 本文采用梯形圖語(yǔ)言 （LAD) 設(shè)計(jì)編制沖閥程序。 本次編程中涉及算法的開(kāi)關(guān)量?jī)H有0、 1 或者ON、 OFF 兩個(gè)值； 根據(jù)開(kāi)關(guān)量的當(dāng)前輸入組合與歷史輸入順序， 由PLC 產(chǎn)生相應(yīng)的開(kāi)關(guān)量輸出，使系統(tǒng)能按一定順序工作； 除開(kāi)關(guān)量外， 編程中還要用到模擬量， 如電壓、 電流、 壓力、 速度、 流量等， 使用中需要將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后交予PLC處理。 具體轉(zhuǎn)換時(shí)通過(guò)傳感器把模擬量轉(zhuǎn)換成電量， 遇到不標(biāo)準(zhǔn)電量時(shí)， 還要用變送器將非標(biāo)準(zhǔn)電量變成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)， 如4～20 mA、 1～5 V、 0～10 V等等。 最后由模擬量輸入單元 （A/D） 將標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)。 而模擬量輸出單元 （D/A） 負(fù)責(zé)把PLC 處理后的數(shù)字量再變換成模擬量-標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)。 模擬量的控制包括： 反饋控制、 前饋控制、 比例控制、 模糊控制等。 本文主要用到的有反饋控制和比例控制。

1.3 比例伺服閥控制原理

圖2 4500 t 快鍛伺服電控部分

4500 t 快鍛采用內(nèi)置放大板的比例伺服閥 （見(jiàn)圖2）， 其A 腳、 B 腳是比例伺服的24 V 電源， 比例伺服閥接線端子的D 腳和E 腳， 給比例伺服閥0～10 V 的電壓值輸入信號(hào)， 伺服閥通過(guò)內(nèi)置放大板將頂針的全行程位置控制在0～10 V 之間， F 腳是比例伺服閥反饋的實(shí)際變化值， 通過(guò)0～10 V 反映主閥所處的位置。

2 系統(tǒng)組成

2.1 硬件配置

該沖閥程序的硬件系統(tǒng)以現(xiàn)有SIMATIC S7-400 作為主邏輯控制器， 利用SIMATIC ET200 遠(yuǎn)程站作為執(zhí)行端控制站， 界面用SIEMENS WinCC 顯示， 控制總線用PROFIBUS 實(shí)時(shí)通訊。 利用操作臺(tái)SIMATIC ET200 遠(yuǎn)程站采集比例伺服閥的輸入信號(hào)， 輸出執(zhí)行端利用現(xiàn)有SIMATIC ET200 遠(yuǎn)程站對(duì)比例伺服閥進(jìn)行執(zhí)行信號(hào)的輸出（見(jiàn)圖3）。

2.2 軟件配置

該系統(tǒng)利用原SIEMENS STEP7 進(jìn)行PLC 硬件配置及編程， 用LAD （梯形圖） 控制邏輯編寫程序， 人機(jī)界面使用SIEMENS WinCC 軟件添加標(biāo)準(zhǔn)化界面， 由SIMATIC WinCC 提供與控制器PLC 及上位機(jī)等的通訊通道， 用于連接到SIMATIC S7 控制器的通訊， 以及內(nèi)置所有操作和管理功能。

圖3 沖閥程序硬件基礎(chǔ)

3 編程設(shè)計(jì)

3.1 前期準(zhǔn)備

在設(shè)計(jì)沖閥程序前， 為確保設(shè)備不會(huì)因沖閥程序運(yùn)行造成設(shè)備損壞需要提前確定沖洗比例閥時(shí)應(yīng)開(kāi)啟或關(guān)閉的開(kāi)關(guān)閥， 以及需要啟動(dòng)的泵等； 選擇合適的外部輸入點(diǎn)， 確定需要安裝的按鈕、 旋鈕及線路等。

3.2 設(shè)計(jì)思路

在編寫程序時(shí)， 需要先設(shè)計(jì)出樹(shù)形圖 （見(jiàn)圖4） 以輔助分析。 當(dāng)設(shè)備停止時(shí)， 作為起始狀態(tài)，工作程序段正常運(yùn)行， 沖閥程序不運(yùn)行； 本文的沖閥程序分為四個(gè)部分， 第一部分為沖閥選擇， 當(dāng)用旋鈕選擇檢修位時(shí)， 工作程序段全部禁用， 沖閥程序段可以運(yùn)行， 有綠燈顯示； 第二部分為沖閥程序啟動(dòng)條件： 提升缸壓力小于0.1MPa， 保證油壓機(jī)活動(dòng)橫梁落實(shí)， 防止錘頭墜落， 所有主泵處于停止?fàn)顟B(tài)， 防止在沖閥程序執(zhí)行時(shí)， 活動(dòng)橫梁發(fā)生竄動(dòng)， 啟動(dòng)控制泵和循環(huán)泵， 保證沖閥程序執(zhí)行時(shí)，有足夠的動(dòng)力， 按下沖閥程序啟動(dòng)按鈕， 操作面板綠色指示燈亮起， 用SIMATIC WinCC 做成閃爍畫面， 提醒操作者正在執(zhí)行沖閥程序， 在執(zhí)行沖閥程序前， 需要設(shè)定沖洗比例閥的范圍量； 第三部分是循環(huán)程序， 將需要沖洗的比例伺服閥分成兩組， 每組沖洗10 s， 20 s 為一個(gè)循環(huán)， 開(kāi)啟對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)電磁閥， 保證執(zhí)行沖閥程序， 如此往復(fù)； 第四部分停止沖閥程序， 按下沖閥停止按鈕， 工作選擇旋鈕轉(zhuǎn)到工作狀態(tài)， 沖閥程序停止， 操作面板上沖程序指示燈熄滅， SIMATIC WinCC 畫面警示消失， 沖閥程序結(jié)束， 設(shè)備可以正常使用（見(jiàn)圖5～7）。

3.3 比例伺服閥動(dòng)作過(guò)程

當(dāng)比例伺服閥輸入端子插口的D 腳、 E 腳無(wú)電信號(hào)時(shí)， 伺服閥內(nèi)的頂針被彈簧頂?shù)街形唬?比例伺服閥的X 口和Y 口的油路接通 （見(jiàn)圖8）， 比例伺服閥的內(nèi)部控制油壓力平衡， 主閥內(nèi)部無(wú)節(jié)流，主閥閥芯在中位不動(dòng)； 當(dāng)輸入端子的D 腳、 E 腳給定0～10 V 的電壓輸入信號(hào)時(shí)， 伺服閥內(nèi)的頂針被彈簧頂?shù)剿欧y的平行位或交叉位的某一個(gè)位置（如交叉位的變化量0～10 V， 當(dāng)電壓給定為5V 時(shí)，頂針就被頂?shù)浇徊嫖坏闹虚g位置）， 比例伺服閥的X 口和Y 口的油路通過(guò)平行位或交叉位管路流動(dòng)，內(nèi)部控制油的壓力形成壓差， 實(shí)現(xiàn)左側(cè)節(jié)流或右側(cè)節(jié)流， 主閥移動(dòng)并將閥芯位置反饋給放大板實(shí)現(xiàn)閉環(huán)回路調(diào)節(jié)， 再通過(guò)放大板轉(zhuǎn)換成0～10 V 電壓信號(hào)反饋給PLC。 因此， 只要控制伺服閥的0～10 V輸入信號(hào)， 就可以調(diào)節(jié)比例伺服閥開(kāi)口的大小。

圖4 沖閥程序樹(shù)

圖5 基本沖閥程序段

4 實(shí)施過(guò)程

為了保證設(shè)備正常運(yùn)行， 不占用太多生產(chǎn)時(shí)間， 筆者按照以下步驟實(shí)施： 利用生產(chǎn)待料的間隙， 修改外部線路， 接入所需旋鈕、 按鈕和指示燈， 修改SIMATIC WinCC 畫面， 將程序?qū)胂到y(tǒng)；現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試確定沖閥最終開(kāi)口度、 時(shí)間和對(duì)應(yīng)的開(kāi)啟順序， 確保設(shè)備正常使用； 為操作者編寫沖閥操作規(guī)范。

圖6 沖閥程序切換段

圖7 時(shí)間程序段

5 沖閥操作規(guī)程

為保證每個(gè)操作者都能掌握沖閥操作技術(shù)， 筆者制定沖閥操作規(guī)程。

（1） 油壓機(jī)沖閥條件

①、 將油壓機(jī)錘頭落到護(hù)套、 工件或下砧位置， 錘頭不能懸空、 回程缸壓力小于0.5 MPa。

②、 主泵全部處于停止?fàn)顟B(tài)。

③、 控制泵壓力大于23 MPa。

圖8 4500 t 快鍛油壓機(jī)比例伺服閥

（2） 開(kāi)始沖閥操作（沖閥步驟）

①、 將操作選擇旋鈕撥到檢修位置。

②、 按下“啟動(dòng)沖閥” 按鈕， 沖閥按鈕燈亮，電腦畫面出現(xiàn)“紅色燈泡閃爍” （見(jiàn)圖9） 沖閥程序執(zhí)行沖洗。

③、 沖閥程序分兩組， BT3 和BT4 一組，BT5、 BT6 和BT7 一組， 每組沖10 s， 以最大流量沖洗5 s、 最小流量沖洗5 s， 然后切換到下一組，每20 秒為一個(gè)循環(huán)， 每次沖閥最少循環(huán)沖洗1 min。 從SIMATIC WinCC 畫面查看沖閥動(dòng)作是否正常（見(jiàn)圖10）。

④、 按下沖閥停止按鈕， 電腦畫面 “紅色燈泡閃爍” 消失， “啟動(dòng)沖閥” 按鈕燈熄滅， 沖閥程序停止。

⑤、 操作選擇旋鈕旋轉(zhuǎn)到工作位置， 設(shè)備可以正常工作。

6 取得效果

沖閥程序投入使用后， 大幅降低了由于比例伺服閥卡頓導(dǎo)致的設(shè)備故障率， 減少生產(chǎn)時(shí)間的延誤， 降低備件消耗及維修人員的工作量。 該程序2020 年3 月投入使用至今， 沒(méi)有再發(fā)生因比例伺服閥卡頓引起設(shè)備故障（見(jiàn)表1）。

7 結(jié) 語(yǔ)

本文在已有程序和SIMATIC WinCC 畫面的基礎(chǔ)上， 設(shè)計(jì)編寫沖閥程序和標(biāo)準(zhǔn)化界面，在4500 t 快鍛油壓機(jī)發(fā)生比例伺服閥卡頓時(shí)，由操作者切換到?jīng)_閥程序迅速排除故障。

圖9 SIMATIC WinCC 燈泡閃爍

圖10 SIMATIC WinCC 顯示比例伺服閥的動(dòng)作

表1 4500 t 快鍛故障統(tǒng)計(jì)表