某司鍛軋車間軌道交通車輪軋機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)

杜國(guó)坤，鐘捷，張超

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

近年隨著國(guó)家鐵路網(wǎng)的建設(shè)，國(guó)內(nèi)城市軌道交通的建設(shè)，以及一帶一路中歐班列加大貨運(yùn)列車等因素的影響，市場(chǎng)對(duì)軌道車輪的需求逐步增加，對(duì)車輪的質(zhì)量要求也更加嚴(yán)格。隨之而來(lái)的技術(shù)、產(chǎn)能等不確定因素給中國(guó)軌道交通制造企業(yè)帶來(lái)一定的挑戰(zhàn)，企業(yè)需要迎接挑戰(zhàn)并發(fā)現(xiàn)機(jī)遇，為市場(chǎng)提供足量產(chǎn)品的同時(shí)進(jìn)一步提升產(chǎn)品質(zhì)量。

在此背景下，某軌道交通公司對(duì)鍛軋車間一現(xiàn)有陳舊軌道車輪臥式軋機(jī)進(jìn)行控制系統(tǒng)現(xiàn)代化升級(jí)。

1 軋機(jī)現(xiàn)狀及問(wèn)題

該生產(chǎn)線于1997年從加拿大CSW輾鋼整體引進(jìn)的軌道車輪專用生產(chǎn)設(shè)備，后經(jīng)過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和技術(shù)創(chuàng)新，建成了中國(guó)第二條輾鋼整體軌道車輪生產(chǎn)線，設(shè)計(jì)目標(biāo)年產(chǎn)車輪20萬(wàn)片。

但設(shè)備現(xiàn)狀已經(jīng)老舊，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)多為指針式儀表，控制方式多為手動(dòng)，精度控制無(wú)法滿足需求，軋制外徑差異化比較大，無(wú)法完成年產(chǎn)目標(biāo)，造成產(chǎn)能低能耗高的情況。軋機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軋機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 調(diào)速設(shè)備現(xiàn)狀

原傳動(dòng)調(diào)速電機(jī)為直流電機(jī)，先已故障頻發(fā)且維護(hù)成本較大。直流調(diào)速裝置多次發(fā)生可控硅損壞情況，嚴(yán)重影響生產(chǎn)使用。

1.2 定位設(shè)備現(xiàn)狀

原位置微調(diào)機(jī)構(gòu)為定速或手搖方式，有些機(jī)構(gòu)已經(jīng)喪失調(diào)節(jié)能力，無(wú)法快速對(duì)軋制位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，且不具備位置記憶功能。原位置微調(diào)機(jī)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 原位置微調(diào)機(jī)構(gòu)參數(shù)

1.3 液壓系統(tǒng)現(xiàn)狀

原液壓系統(tǒng)為分散式油站模式，分布在現(xiàn)場(chǎng)，不易維護(hù)，多種閥門已經(jīng)損壞，現(xiàn)有儀表不具備信號(hào)遠(yuǎn)傳功能。

1.4 外徑測(cè)量現(xiàn)狀

原車輪外徑測(cè)量裝置為鋼絲繩連接主軋輥移動(dòng)機(jī)架，帶動(dòng)指針式轉(zhuǎn)盤進(jìn)行位置顯示，完全靠人工判斷是否軋制到位，導(dǎo)致外徑大小差異較大。

1.5 設(shè)備聯(lián)鎖

上下料系統(tǒng)為獨(dú)立系統(tǒng)，與軋機(jī)都不具備信號(hào)交互能力，設(shè)備間容易出現(xiàn)互相干涉的情況，存在安全生產(chǎn)問(wèn)題。

2 控制需求

2.1 總體框架

需要配套PLC控制系統(tǒng)，做到軋制過(guò)程自動(dòng)控制且可人為干預(yù)。設(shè)置上位畫(huà)面控制系統(tǒng)，具備重要參數(shù)可更改、查看、記錄等功能。

2.2 傳動(dòng)能力

主軋輥、上、下邊輥傳動(dòng)電機(jī)改為交流變頻電機(jī)并具備過(guò)載能力[2]。電機(jī)可以承載2.5倍過(guò)載為5秒，1.5倍過(guò)載為20秒。

2.3 軋制時(shí)序

車輪軋制時(shí)間為45秒，一個(gè)循環(huán)節(jié)拍為72秒。傳動(dòng)調(diào)速控制需具備按設(shè)定斜率加速、減速的功能，并根據(jù)工藝軋制需求調(diào)節(jié)傳動(dòng)速度。速度控制時(shí)序圖如圖2所示。

圖2 傳動(dòng)速度控制時(shí)序圖

2.4 定位功能

位置微調(diào)機(jī)構(gòu)需具備快速調(diào)節(jié)功能，并具備位置記憶功能。每次更換車輪品種后都要根據(jù)車輪輞寬、輞厚等數(shù)據(jù)對(duì)微調(diào)機(jī)構(gòu)進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，當(dāng)某一品種車輪調(diào)節(jié)成型后需將位置數(shù)據(jù)按該品種型號(hào)記錄保存下來(lái)，方便后續(xù)快速更換車輪品種。

2.5 液壓軋制

重新設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)，將原有的多個(gè)油站模式，更改為共用一個(gè)油站的模式。并設(shè)置在線監(jiān)測(cè)傳感器，實(shí)現(xiàn)軋制壓力自動(dòng)控制的功能[4]。壓力控制時(shí)序圖如圖3所示。

圖3 液壓軋制壓力時(shí)序圖

2.6 節(jié)能需求

控制過(guò)程中考慮節(jié)約能源的環(huán)節(jié)，為生產(chǎn)的節(jié)能減排做好基礎(chǔ)。

2.7 安全聯(lián)鎖

與上下車輪機(jī)械手進(jìn)行信號(hào)交互，并對(duì)設(shè)備動(dòng)作進(jìn)行安全聯(lián)鎖。

3 實(shí)施方案

3.1 控制系統(tǒng)

PLC信號(hào)采集及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)PROFINET總線與CPU通訊控制。變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)放置在控制室，CPU控制柜放置在操作室，在通訊端口比較集中的地方使用交換機(jī)通訊。

3.2 位置檢測(cè)

增設(shè)上輥壓下機(jī)構(gòu)等位置的檢測(cè)元件[1]，選用柔性連接的磁位移傳感器，代替原有的機(jī)械限位開(kāi)關(guān)，固定方式具有自適應(yīng)功能，受到外力振動(dòng)時(shí)能安全可靠運(yùn)行。

3.3 傳動(dòng)電機(jī)

軋機(jī)主軋輥電機(jī)選用額定功率為160KW，額定轉(zhuǎn)速600轉(zhuǎn)/分的交流電機(jī)，上、下軋邊輥傳動(dòng)電機(jī)選用額定功率為450KW，額定轉(zhuǎn)速750轉(zhuǎn)/分的交流電機(jī)，在電機(jī)后端安裝編碼器來(lái)檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。上下輥電機(jī)電機(jī)選用水冷方式。

3.4 變頻控制

傳動(dòng)變頻器采用共直流母線供電，選型與電機(jī)過(guò)載能力匹配?？刂品绞讲捎瞄]環(huán)矢量變頻控制。

3.5 稀油潤(rùn)滑

軋機(jī)稀油潤(rùn)滑泵遠(yuǎn)程控制，對(duì)各稀油潤(rùn)滑點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)狀態(tài)接入PLC并與系統(tǒng)進(jìn)行連鎖控制。監(jiān)測(cè)的主要潤(rùn)滑采集點(diǎn)有：

1）三個(gè)稀油站泵前壓力，

2）三個(gè)過(guò)濾器后油流，

3）主軋輥末端油流，

4）上輥和減速箱末端油流，

5）下輥末端油流。

3.6 干油潤(rùn)滑

增加干油潤(rùn)滑控制系統(tǒng)。具備一鍵遠(yuǎn)程潤(rùn)滑，其中4塊雙線分配器，8塊遞進(jìn)式分配器，46個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)部位24°/分鐘。

3.7 定位伺服控制

位置微調(diào)機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，配置多圈絕對(duì)值編碼器。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境將裝置電機(jī)防護(hù)等級(jí)配置為IP65。采用直流-交流伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行位置控制，具備快速調(diào)節(jié)、位置信息讀取記錄的功能。

3.8 液壓系統(tǒng)及配套

液壓系統(tǒng)采用共用油站的模式，安裝至集中的液壓泵站房。上扎邊充液方式改為充液箱和高壓油箱分離的方式，設(shè)備上配無(wú)壓充油箱，集中泵站配泵自動(dòng)給充液箱補(bǔ)油。系統(tǒng)油站配溫度、液位等監(jiān)測(cè)并接入PLC系統(tǒng)，各液壓支路配置開(kāi)關(guān)量電磁閥完成設(shè)備的方向動(dòng)作，配置伺服閥及壓力傳感器完成設(shè)備的壓力控制等。

3.9 數(shù)據(jù)通訊

軋機(jī)控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線PROFINET與上下車輪機(jī)械手進(jìn)行通訊，并互相傳遞交互區(qū)域安全聯(lián)鎖信號(hào)。

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

4.1 具體軋制流程

1）選擇自動(dòng)開(kāi)始→2、軋機(jī)上軋邊輥、壓緊輥、主軋輥到起始位-→3、上料機(jī)械手到軋機(jī)上料位→4、軋機(jī)壓緊輥、主軋輥到上料位→5、上料機(jī)械手松開(kāi)，毛坯放到接料架上-→6、上料機(jī)械手抬起，退回原位-→7、壓緊輥、坯料、主軋輥運(yùn)行至軋制位-→8、上、下軋邊輥、導(dǎo)向輥夾緊毛坯-→9、上、下軋邊輥、主軋輥以1檔速度運(yùn)轉(zhuǎn)-→10、壓緊輥、上邊輥、主軋輥開(kāi)始加壓-→11、上、下軋邊輥由1檔速度提升至2檔速度，上軋邊輥以一定斜率加壓到設(shè)定壓力，主軋輥保持壓力，壓緊輥以一定斜率加壓至設(shè)定壓力-→12、根據(jù)車輪尺寸的要求，壓緊輥、主軋輥裝置上配置的位移傳感器經(jīng)計(jì)算處理數(shù)據(jù)，精確確定車輪終軋位置-→13、車輪終軋到位，壓力輥快速卸壓、傳動(dòng)輥停止轉(zhuǎn)動(dòng)-→14、打開(kāi)上、下軋邊輥-→15、導(dǎo)向輥退回到后限位-→16、壓緊輥、毛坯、主軋輥運(yùn)行至軋機(jī)下料位-→17、軋機(jī)下料手抓緊車輪-→18、主軋輥、壓緊輥退回到起始位-→19、軋機(jī)下料手夾緊車輪完成下料，至此整個(gè)車輪的軋制過(guò)程結(jié)束[3]。自動(dòng)軋制流程如圖4所示。

圖4 自動(dòng)軋制流程圖

4.2 控制網(wǎng)絡(luò)及方式

根據(jù)方案將現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備通過(guò)Profinet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高速連接，提高信號(hào)交互速率。生產(chǎn)線采用觸摸屏、工控機(jī)操作為主，選擇開(kāi)關(guān)、按鈕為輔的操作方式。通過(guò)觸摸屏和工控機(jī)的界面，顯示生產(chǎn)過(guò)程的設(shè)定值和實(shí)際值，顯示和控制各傳動(dòng)裝置，顯示輔助設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，系統(tǒng)又擁有完善的故障診斷功能，對(duì)機(jī)組控制系統(tǒng)進(jìn)行在線診斷和事故報(bào)警監(jiān)視。控制網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。

圖5 控制網(wǎng)絡(luò)圖

4.3 軟件計(jì)算邏輯

在軋制過(guò)程中，車輪直徑不斷擴(kuò)展，壓緊輥逐漸向前推進(jìn)，主軋輥不斷退回，外徑測(cè)量數(shù)據(jù)隨著軋制過(guò)程不斷變化，最終在軋制到位后停機(jī)。PLC通過(guò)接收外徑測(cè)量系統(tǒng)測(cè)回的數(shù)據(jù)，對(duì)車輪是否軋制到位做出判斷，做出是否停機(jī)的指令。PLC控制邏輯如圖6所示。

圖6 PLC計(jì)算邏輯圖

4.4 變頻矢量調(diào)速

傳動(dòng)設(shè)備采用交流電機(jī)傳動(dòng)，變頻調(diào)速設(shè)備的傳動(dòng)均采用直-交矢量調(diào)速，控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)全部采用全數(shù)字式控制系統(tǒng)。傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)速度控制、張力控制、緊急停車控制、故障診斷和顯示報(bào)警、與上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊等功能。軋制過(guò)程采用速度環(huán)飽和轉(zhuǎn)矩限幅的控制方式。在設(shè)備調(diào)試期進(jìn)行速度閉環(huán)優(yōu)化，記錄并優(yōu)化傳動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)，做到軋制的快速精度反應(yīng)。速度閉環(huán)優(yōu)化如圖7所示。

圖7 傳動(dòng)速度閉環(huán)優(yōu)化圖

4.5 外徑測(cè)量及計(jì)算

車輪外徑測(cè)量采用磁致伸縮傳感器，安裝于密閉無(wú)桿油缸內(nèi)，滿足在線實(shí)時(shí)測(cè)量并顯示，傳感器控制分辨率為0.1mm，車輪最終軋制精度達(dá)到±1.0mm。車輪軋制過(guò)程外徑數(shù)據(jù)曲線如圖8所示。

圖8 車輪軋制外徑曲線圖

4.6 軋制壓力

上軋邊輥、壓緊輥、主軋輥、導(dǎo)向輥在無(wú)桿腔液壓油路裝有壓力傳感器，實(shí)時(shí)采集軋制過(guò)程中的壓力數(shù)據(jù)并反饋至PLC，根據(jù)軋制壓力需求控制伺服閥開(kāi)度，做到軋制壓力閉環(huán)控制。在系統(tǒng)各壓力泵出口液壓管路上配置壓力傳感器，對(duì)各系統(tǒng)壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，增強(qiáng)壓力監(jiān)測(cè)報(bào)警功能。壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)如圖9所示。

圖9 壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)圖

4.7 上位控制

控制系統(tǒng)上位機(jī)軟件，滿足軋機(jī)所需要的操作和監(jiān)控，可以保存需要的生產(chǎn)參數(shù)和過(guò)程數(shù)據(jù)，具有設(shè)定、存儲(chǔ)、調(diào)取各產(chǎn)品工藝參數(shù)的功能。將參數(shù)設(shè)定按等級(jí)設(shè)置權(quán)限，防止出現(xiàn)誤操作的情況。將各報(bào)警進(jìn)行集中顯示，對(duì)找到故障原因和故障歷史起到輔助作用。將過(guò)程數(shù)據(jù)生成趨勢(shì)，方便隨時(shí)分析軋制數(shù)據(jù)。

4.8 控制數(shù)據(jù)記錄

上下軋邊輥、主軋輥傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)和軋制過(guò)程數(shù)據(jù)等在上位機(jī)中顯示，并形成曲線以提供診斷依據(jù)，如電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)電流、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間、電機(jī)溫度、冷卻水時(shí)長(zhǎng)和溫度、驅(qū)動(dòng)器溫度等。在監(jiān)視數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，對(duì)故障狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)報(bào)警，并提供報(bào)警內(nèi)容和處理建議，必要時(shí)停機(jī)。

4.9 設(shè)備保護(hù)

液壓站泵使用軟啟動(dòng)方式控制電機(jī)啟停，并對(duì)大功率電機(jī)設(shè)置一鍵順序啟動(dòng)功能，防止同時(shí)啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)電壓的影響。

4.10 壓力曲線

壓緊輥、上軋邊輥、主軋輥、導(dǎo)向輥等液壓設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)和軋制過(guò)程數(shù)據(jù)等在上位機(jī)集中顯示，并可以形成曲線提供診斷依據(jù)?？赏ㄟ^(guò)上位機(jī)軟件或觸摸屏調(diào)整加壓壓力和加壓時(shí)間等參數(shù)，PLC根據(jù)加壓斜率自動(dòng)調(diào)節(jié)軋制過(guò)程數(shù)據(jù)。軋制壓力數(shù)據(jù)曲線如圖10所示。

圖10 軋制壓力數(shù)據(jù)曲線圖

4.11 溫度檢測(cè)

紅外測(cè)溫儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、采集、反饋車輪軋前溫度并在上位機(jī)上顯示。溫度測(cè)量范圍在800℃--1200℃，軟件通過(guò)比較實(shí)時(shí)溫度進(jìn)而記錄下來(lái)料的最高溫度。來(lái)料溫度低于950℃預(yù)警，以顏色區(qū)分。

4.12 節(jié)能控制

交流調(diào)速裝置是直流電源輸入、交流電源輸出的工作模式，所以采用一臺(tái)整流回饋單元統(tǒng)一提供直流電源，這種配置方式使得處于發(fā)電或電動(dòng)狀態(tài)的控制單元之間可以通過(guò)中間回路進(jìn)行能量交換、降低電力損耗，并能實(shí)現(xiàn)將過(guò)余電能回饋至電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)約電力能源的作用。

軋制過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻水和吹掃空氣的自動(dòng)控制，對(duì)冷卻時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行記錄、保存。并可以設(shè)定自動(dòng)啟停時(shí)間，實(shí)現(xiàn)節(jié)約氣能和水能源的作用。

4.13 與二級(jí)系統(tǒng)交互

與生產(chǎn)線二級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)交互，現(xiàn)場(chǎng)總線采用PROFINET。數(shù)據(jù)內(nèi)容主要為車輪軋制過(guò)程數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)已文件形式保存在本地3個(gè)月。軋制數(shù)據(jù)自動(dòng)保存至文件如圖11所示。

圖11 軋制數(shù)據(jù)自動(dòng)保存文件圖

4.14 控制模式介紹

軋機(jī)控制系統(tǒng)具有模式轉(zhuǎn)換功能，包括自動(dòng)模式、手動(dòng)模式、急停模式（3秒內(nèi)停機(jī)，不斷電）等。當(dāng)有新品種車輪需要上線時(shí)可以根據(jù)車輪數(shù)據(jù)對(duì)軋制參數(shù)進(jìn)行初步設(shè)定，在實(shí)際軋制中對(duì)各參數(shù)進(jìn)行修正。也可將軋機(jī)切換至手動(dòng)模式，對(duì)新品種車輪進(jìn)行數(shù)據(jù)線上標(biāo)定，對(duì)軋制數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，在后續(xù)軋制中直接自動(dòng)調(diào)用記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行軋制。

4.15 定位數(shù)據(jù)配方功能

每次新尺寸車輪的位置調(diào)節(jié)成功后可以將位置微調(diào)伺服機(jī)構(gòu)的位置按配方進(jìn)行記錄，在以后再生產(chǎn)同品種車輪時(shí)，可按配方名稱調(diào)出進(jìn)而實(shí)現(xiàn)位置快速的調(diào)整。微調(diào)伺服機(jī)構(gòu)位置數(shù)據(jù)按車輪尺寸生成配方如圖12所示。

圖12 伺服位置數(shù)據(jù)配方圖

4.16 稀油自動(dòng)潤(rùn)滑

稀油潤(rùn)滑采用油泵供油、重力回油的方式，供油管道設(shè)置壓力傳感器，檢測(cè)信號(hào)反饋至PLC做為傳動(dòng)啟動(dòng)的聯(lián)鎖條件。各潤(rùn)滑之路進(jìn)行油流檢測(cè)，并對(duì)壓力實(shí)際值和油流信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和信號(hào)報(bào)警。

4.17 干油自動(dòng)潤(rùn)滑

干油潤(rùn)滑配有油位檢測(cè)傳感器，可滿足箱體潤(rùn)滑油的自動(dòng)補(bǔ)給?？刂葡渚邆溥h(yuǎn)程/本地切換功能，方便設(shè)備維護(hù)時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)潤(rùn)滑。

4.18 數(shù)據(jù)聯(lián)鎖

由于上下車輪機(jī)械手為獨(dú)立控制系統(tǒng)，通過(guò)加裝硬件PN-PN Coupler進(jìn)行PROFINET通訊，通過(guò)互相傳遞生命呼吸信號(hào)進(jìn)行通訊正常的判定，確保交互信號(hào)的有效性，并將異常信號(hào)做出蜂鳴輸出提醒現(xiàn)場(chǎng)人員，并進(jìn)行報(bào)警記錄。通過(guò)通訊將設(shè)備信號(hào)進(jìn)行了無(wú)縫傳遞，完成了動(dòng)作的連貫性，節(jié)省了軋制時(shí)間。

5 結(jié)語(yǔ)

本次升級(jí)完成了對(duì)車輪軋制的自動(dòng)控制，各設(shè)備點(diǎn)具備了自動(dòng)可控可調(diào)的能力，做到了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控并能長(zhǎng)期保存記錄。完成了與生產(chǎn)線其他設(shè)備的數(shù)據(jù)交互，并將車輪工藝數(shù)據(jù)上傳至工廠二級(jí)系統(tǒng)。對(duì)生產(chǎn)效率及車輪合格率等做到了極大的提升。

相繼完成了50件單小時(shí)設(shè)計(jì)產(chǎn)能，910件車輪單日設(shè)計(jì)產(chǎn)能，2730件連續(xù)72小時(shí)設(shè)計(jì)產(chǎn)能。成品外徑總體合格率達(dá)到了95%以上，較加入自動(dòng)控制之前提高了近8個(gè)百分點(diǎn)。成品外徑分布數(shù)據(jù)如圖13所示。

圖13 成品外徑分布數(shù)據(jù)圖

該項(xiàng)目已全面達(dá)產(chǎn)達(dá)效，以實(shí)際行動(dòng)推動(dòng)了規(guī)模性產(chǎn)生的疊加效應(yīng)，為全面推動(dòng)降本增效邁出堅(jiān)實(shí)一步。