基于PLC的60 MN拉伸機(jī)電氣控制系統(tǒng)研制

葛鮮玉 鄧永泉 李 飛 陳倫樹(shù) 王建星

(二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司，四川618000)

近幾年，鋁合金中厚板的應(yīng)用也從軍工、航空航天應(yīng)用向模具、輕量化汽車(chē)、交通運(yùn)輸?shù)让裼眯袠I(yè)迅速擴(kuò)展。鋁板帶拉伸機(jī)作為鋁合金中厚板生產(chǎn)中的重要設(shè)備之一，迅速發(fā)展起來(lái)，主要用于鋁合金熱軋板材淬火后的預(yù)拉伸以及鋁合金熱軋板拉伸矯平去應(yīng)力。

隨著市場(chǎng)對(duì)鋁板需求越來(lái)越大，對(duì)其質(zhì)量要求也越來(lái)越高。2001年某鋁廠投產(chǎn)的60 MN拉伸機(jī)經(jīng)過(guò)多次升級(jí)改造后，仍不能滿(mǎn)足工藝和市場(chǎng)需求，因此在2018年對(duì)其設(shè)備和控制系統(tǒng)作了進(jìn)一步升級(jí)改造。該拉伸機(jī)于2019年改造完畢并投產(chǎn)，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 PLC控制器應(yīng)用特點(diǎn)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，在工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)自動(dòng)控制的要求越來(lái)越高，在越來(lái)越趨向于自動(dòng)化的工業(yè)生產(chǎn)中，PLC在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中是一種重要的自動(dòng)控制設(shè)備，它是一種體積小巧功能強(qiáng)大的通用型可編程控制器，能適合于自動(dòng)化工程中的各種應(yīng)用場(chǎng)合。PLC的基本組成包括中央處理器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口、外部設(shè)備等。它是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制理論發(fā)展來(lái)的，作為一種特殊形式的計(jì)算機(jī)控制裝置，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件組成、軟件結(jié)構(gòu)、用戶(hù)人機(jī)界面等方面有其特殊性。它采用緊湊模塊化結(jié)構(gòu)，具有循環(huán)周期短、處理速度快，指令集功能強(qiáng)大、可用于復(fù)雜功能，免維護(hù)且支持多種通訊協(xié)議的特點(diǎn)，同時(shí)具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，編程組態(tài)方便等特點(diǎn)。

2 拉伸機(jī)工藝控制順序

拉伸機(jī)主要由移動(dòng)拉伸頭裝置、固定拉伸頭裝置、拉伸缸裝置、承壓梁裝置和對(duì)中裝置等組成。

通過(guò)調(diào)整和控制固定拉伸頭的位置，使兩拉伸頭間的距離滿(mǎn)足拉伸不同板長(zhǎng)的需求，拉伸機(jī)工藝控制順序簡(jiǎn)圖如圖1。

圖1 工藝控制順序簡(jiǎn)圖

需要拉伸矯直的板材通過(guò)上、下料裝置(行車(chē)或?qū)Ｓ蒙舷铝显O(shè)備)人工放到兩個(gè)拉伸頭之間的板材支架和高度對(duì)中裝置上。

先通過(guò)高度對(duì)中，液壓缸完成高度自動(dòng)對(duì)中控制，再通過(guò)寬度對(duì)中裝置的對(duì)中臂移動(dòng)完成寬度對(duì)中。

控制移動(dòng)拉伸頭預(yù)夾緊缸夾緊板材，固定拉伸頭預(yù)夾緊缸夾緊板材，高度對(duì)中裝置下降到最低位，兩個(gè)拉伸頭參與夾持的夾緊缸推動(dòng)夾鉗進(jìn)一步夾緊板材，喂料夾緊完成。

拉伸過(guò)程分兩步進(jìn)行，即預(yù)拉伸和拉伸兩個(gè)過(guò)程。正常情況下，兩個(gè)過(guò)程在拉伸機(jī)上是連續(xù)自動(dòng)完成的，過(guò)程中的相關(guān)控制和操作由設(shè)備自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，不需人工干預(yù)。

控制夾鉗回程松開(kāi)板材，移動(dòng)拉伸頭寬度對(duì)中裝置夾緊板材，板材從固定拉伸頭鉗口移出，固定拉伸頭寬度對(duì)中裝置夾緊板材，板材從移動(dòng)拉伸頭鉗口移出，高度對(duì)中裝置下降至最低位，通過(guò)下料裝置將拉伸好的板材吊離設(shè)備，松夾和卸料完成，控制系統(tǒng)自動(dòng)讓各設(shè)備回到起始位置，重復(fù)前述控制和操作拉伸下一塊板材。

3 自動(dòng)化控制系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)以往工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合60 MN拉伸機(jī)經(jīng)過(guò)多次升級(jí)改造后的控制設(shè)備特點(diǎn)，選用切合實(shí)際的PLC系統(tǒng)，PLC各種功能模塊可以較好地滿(mǎn)足和適應(yīng)自動(dòng)控制任務(wù)，各種單獨(dú)的模塊之間也可進(jìn)行廣泛組合以用于擴(kuò)展；由于PLC簡(jiǎn)單實(shí)用的分散式結(jié)構(gòu)和多界面網(wǎng)絡(luò)能力，使應(yīng)用十分靈活。自動(dòng)化系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程和本地I/O，具有快速反應(yīng)性質(zhì)的傳感器信號(hào)、主控信號(hào)等直接進(jìn)入本地I/O；現(xiàn)場(chǎng)其它檢測(cè)儀表、傳感器等的信號(hào)進(jìn)入遠(yuǎn)程I/O站。

PLC控制器CPU與遠(yuǎn)程I/O站之間通過(guò)PROFIBUS DP進(jìn)行通訊。PROFIBUS DP是一種用于具有有限數(shù)量站點(diǎn)的單元級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)子網(wǎng)，它是與制造商無(wú)關(guān)的開(kāi)放式通訊系統(tǒng)，PROFIBUS DP(分散的外圍設(shè)備)協(xié)議適用于分散的外圍設(shè)備(如ET200M)的連接，具有快速的響應(yīng)時(shí)間。改造后的自動(dòng)化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置圖見(jiàn)圖2。

圖2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

拉伸機(jī)改造電氣控制系統(tǒng)的PLC控制器處理單元選用CPU315-2DP。設(shè)置一個(gè)獨(dú)立操作臺(tái)(帶遠(yuǎn)程I/O站和TP系列觸摸屏)，設(shè)置兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制箱(固定頭和移動(dòng)頭遠(yuǎn)程子站)，設(shè)置一個(gè)液壓站現(xiàn)場(chǎng)操作控制箱(液壓站遠(yuǎn)程I/O站)。

HMI系統(tǒng)選用觸摸屏，用于完成新增設(shè)備和泵站的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置、故障報(bào)警及顯示記錄。

PLC控制軟件采用專(zhuān)用編程軟件SIMATIC STEP 7 V5.5編制，操作臺(tái)觸摸屏畫(huà)面采用TIA Portal Wincc comfort V14簡(jiǎn)體中文版開(kāi)發(fā)。

拉伸機(jī)的新增現(xiàn)場(chǎng)IO信號(hào)、操作信號(hào)及液壓站的IO信號(hào)采用遠(yuǎn)程I/O站(ET200M)，通過(guò)Profibus DP總線(xiàn)與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。拉伸機(jī)新增PLC與原電控系統(tǒng)PLC控制器采用DP耦合器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，用以完成控制信號(hào)的對(duì)接。

4 自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要控制功能和實(shí)現(xiàn)方法

4.1 60 MN拉伸機(jī)主要控制功能

固定拉伸頭裝置移動(dòng)位置計(jì)算和控制；

固定拉伸頭裝置行走控制；

固定拉伸頭鎖緊銷(xiāo)鎖緊或松開(kāi)控制；

內(nèi)、外輥高度對(duì)中控制；

板材寬度對(duì)中控制；

固定拉伸頭和移動(dòng)拉伸頭夾緊力的計(jì)算和控制；

固定拉伸頭預(yù)夾緊位置同步控制；

移動(dòng)拉伸頭同步預(yù)拉伸控制；

移動(dòng)拉伸頭同步拉伸控制；

移動(dòng)拉伸頭預(yù)夾緊位置同步控制；

固定拉伸頭和移動(dòng)拉伸頭夾鉗提升控制；

夾持板材的夾鉗數(shù)量計(jì)算和控制；

設(shè)備聯(lián)鎖控制；

泵組控制；

MCC控制；

油位、溫度和壓力監(jiān)視；

油箱油溫控制；

與原PLC控制器的通訊。

4.2 60 MN拉伸機(jī)控制實(shí)現(xiàn)的方法

60 MN拉伸機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)改造后智能化程度高，具有友好的人機(jī)對(duì)話(huà)界面。在人工輸入鋁板板材的長(zhǎng)度、寬度、厚度、延伸率、屈服強(qiáng)度極限、抗拉強(qiáng)度極限等相關(guān)參數(shù)后，控制系統(tǒng)將根據(jù)這些參數(shù)自動(dòng)計(jì)算出固定拉伸頭位置、預(yù)拉伸力、預(yù)拉伸速度、拉伸力、拉伸速度、回程速度、喂料行程、板材夾持長(zhǎng)度、高度對(duì)中裝置的行程位置、寬度對(duì)中裝置的行程位置、寬度對(duì)中裝置夾持力、夾緊缸工作壓力、預(yù)夾緊缸工作壓力、拉伸長(zhǎng)度、預(yù)夾緊缸位置控制等參數(shù)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)固定拉伸頭位置調(diào)整和走位，移動(dòng)和鎖緊同時(shí)反饋移動(dòng)拉伸頭位置參數(shù)，自動(dòng)控制和判斷采用哪幾組夾鉗夾緊投入；能夠自動(dòng)確定預(yù)夾緊缸和夾緊缸的壓力；能夠自動(dòng)預(yù)夾緊和夾緊板材等。從而自動(dòng)實(shí)現(xiàn)和完成拉伸機(jī)的控制。

拉伸機(jī)操作臺(tái)觸摸屏畫(huà)面的組態(tài)軟件采用TIA Portal Wincc comfort V14簡(jiǎn)體中文版開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)獲取PLC可編程控制器數(shù)據(jù)，利用圖形、圖表、文字、報(bào)警等方式動(dòng)態(tài)直觀反映60 MN拉伸機(jī)的動(dòng)作和工藝參數(shù)，并實(shí)時(shí)將操作人員設(shè)定參數(shù)發(fā)送給PLC，操作人員可以方便地監(jiān)視生產(chǎn)過(guò)程。人機(jī)界面包括主畫(huà)面、同步錯(cuò)誤處理畫(huà)面、夾鉗選擇畫(huà)面、傳感器標(biāo)定畫(huà)面、故障記錄畫(huà)面、報(bào)警畫(huà)面、液壓站畫(huà)面等共11個(gè)畫(huà)面，其主畫(huà)面見(jiàn)圖3。

圖3 60 MN拉伸機(jī)主畫(huà)面

5 工藝控制功能優(yōu)化

5.1 預(yù)夾緊缸同步功能優(yōu)化

斷帶是拉伸機(jī)不可避免的，當(dāng)板材發(fā)生斷裂時(shí)，鉗體快速回退形成的巨大沖擊載荷會(huì)直接或間接地作用到鉗口組件及預(yù)夾緊系統(tǒng)上，可能導(dǎo)致設(shè)備的損壞。在某鋁廠60 MN拉伸機(jī)改造項(xiàng)目中，多次出現(xiàn)預(yù)夾緊缸受斷帶震動(dòng)后，使上料側(cè)和操作側(cè)預(yù)夾緊缸位置大于允許偏差，位置同步出現(xiàn)異常，導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行或需要較長(zhǎng)時(shí)間來(lái)人工恢復(fù)。為此我們?cè)诳刂乒δ芎涂刂瞥绦蛏献髁藘?yōu)化處理，結(jié)合預(yù)夾緊缸同步控制和程序的優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加同步錯(cuò)誤處理功能，實(shí)現(xiàn)了出現(xiàn)斷帶后設(shè)備快速恢復(fù)及檢修。同步錯(cuò)誤處理畫(huà)面見(jiàn)圖4所示。

圖4 同步錯(cuò)誤處理畫(huà)面

5.2 夾鉗夾緊力的設(shè)定優(yōu)化

根據(jù)拉伸板材規(guī)格，自動(dòng)設(shè)定和計(jì)算夾鉗的總夾緊力，不需要人工設(shè)定和輸入；夾緊力的自動(dòng)設(shè)定和計(jì)算主要與板厚、板寬、板材屈服強(qiáng)度、夾持板材的夾鉗數(shù)量、夾緊缸活塞半徑等相關(guān)聯(lián)，在控制程序中實(shí)現(xiàn)計(jì)算自動(dòng)完成夾緊和預(yù)夾緊等控制功能。

6 結(jié)語(yǔ)

60 MN拉伸機(jī)改造在技術(shù)方案的制定及系統(tǒng)的配置中，既考慮到整個(gè)系統(tǒng)的先進(jìn)性，又充分考慮到系統(tǒng)配置的實(shí)用性及可升級(jí)性，從而使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到先進(jìn)的控制水平；該電氣控制系統(tǒng)運(yùn)用了先進(jìn)的控制思想和現(xiàn)代控制網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，在拉伸機(jī)工藝控制功能上實(shí)現(xiàn)多處優(yōu)化，增加同步錯(cuò)誤處理功能，便于出現(xiàn)斷帶后設(shè)備快速恢復(fù)及檢修?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基于PLC的60 MN拉伸機(jī)改造控制技術(shù)，能夠滿(mǎn)足工藝和市場(chǎng)需求，具有較高的應(yīng)用推廣價(jià)值。