直縫焊管預彎機數(shù)控系統(tǒng)的改造
2018-3-21 來源：中國石化集團石油工程機械有限公司沙市鋼管 作者： 陳亮 閱建東 劉建杰
摘要:針對焊管預彎機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、設備故障率高的問題，對該控制系統(tǒng)進行了升級改造。采用力士樂HNC-4四軸數(shù)控代替原數(shù)控DNC60 ,提高了焊管預彎機M1和M2的4個油缸的同步性，增加了HNC與PLC之間的PROFIBUS-DP協(xié)議通訊，改進了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。改進后控制系統(tǒng)的4個油缸同步性提高，有效地降低了設備的故障率，提高了生產(chǎn)效率。
關鍵詞:焊管;預彎機;控制系統(tǒng);力士樂HNC-4
中國石化集團石油工程機械有限公司沙市鋼管廠(以下簡稱沙市鋼管廠)使用的天水某設備廠生產(chǎn)的焊管預彎機目前故障頻繁，嚴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)過調研，同行其他鋼管廠所用的該類焊管預彎機也存在同樣的問題。有些鋼管廠對該預彎機進行了技術改造，效果良好。為了提高生產(chǎn)效率，沙市鋼管廠擬對焊管預彎機進行技術改造，從成本和改造的重要點分析，決定先改造預彎機的控制系統(tǒng)。
該焊管預彎機原同步性控制采用的是數(shù)控DNC60。數(shù)控DNC60已停產(chǎn)多年.目前又缺少相關的技術支持，給設備維護帶來了很大困難。為此，擬選用市場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進行焊管預彎機的升級改造。
1、改造方案
改造后的焊管預彎機數(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HNC 100多軸控制器替代現(xiàn)有DNC60控制器，進行油缸位置同步控制。位置檢測元件采用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)控制過程中采用位置和壓力雙閉環(huán)檢測反饋。
(3)對PLC控制程序中液壓開關閥配合度進行相應優(yōu)化調整。
(4)開發(fā)HNC與PLC數(shù)據(jù)交換通用程序塊。
圖1 改造后的焊管預彎機數(shù)控系統(tǒng)總體控制示意圖
2、同步性能升級分析
2.1 HNC-4相對DNC 60 PS的同步性能優(yōu)勢。
原焊管預彎機同步控制使用的DNC60是2軸數(shù)控。現(xiàn)場預彎機M1(2個軸)和M2 (2個軸)每邊都用一個DNC60，設置同步精度時不能同時給M1和M2共四個軸設置一個同步精度，運行時一個數(shù)控DNC60負責M1的2個軸同步，另一個DNC60負責M2的2個軸同步，M1與M2之間的同步需要以PLC作為判斷中介，并通過PLC來判斷M1和M2是否都同時到了PP點(工進開始點)或END點(開始保壓點)，再通過點對點回傳到DNC。這種點對點的傳遞會產(chǎn)生延時，對于高壓力的成型設備來說，延時容易造成成型對象產(chǎn)生不該有的變形。
HNC-4是四軸數(shù)控，只需將M1(2個軸)和M2(2個軸)共4個軸的基準點在HMI上設置好，運行過程中，這四個軸是否同時到達PP點或END點，HNC-4能自動判斷，并通過HNC配套的WINPED 7.0調試軟件編程設置。如果軸1,軸2、軸3或軸4中存在未能同時到PP點的情況，先到的軸就會處于等待狀態(tài)，待其他軸到位后，再同時轉換為工進狀態(tài);同樣，如果軸1,軸2、軸3或軸4中存在未能同時到END點的情況，先到的軸也會處于等待狀態(tài)，待其他軸到位后，再同時轉換為卸壓狀態(tài)。
2.2 優(yōu)化檢剛提高平衡控制可靠性
原控制系統(tǒng)在快進，工進和保壓這幾個階段中，M1(2軸)單純通過2個光柵尺的數(shù)據(jù)比較來判斷M1內部兩個軸是否在同一位置值，M2也是類似。由于現(xiàn)場抖動，或油污會污染光柵尺面，破壞光柵尺線條紋分布，易引起測量誤差，導致同步誤報警或者不報警。
為防止同步誤報警情況的出現(xiàn)，就要更換掉光柵尺這個對現(xiàn)場環(huán)境要求較高的位置檢測傳感器。經(jīng)調研選用了BALLUFF磁滯直線位移傳感器，該傳感器抗灰塵、油污能力強，且理論精度較高，為0.001 mm。使用BALLUFF磁滯直線位移傳感器能有效避免原位移檢測傳感器對灰塵、油污等敏感而帶來的誤差。
另外，對焊管預彎機出現(xiàn)的活塞缸頭在系統(tǒng)未報警時被拉斷的情況進行了分析，發(fā)現(xiàn)其原因可能是光柵尺檢測數(shù)據(jù)不準確而導致控制系統(tǒng)做出的錯誤反應。因此，對控制系統(tǒng)進行了改進，更換了新型位移傳感器，并增加了油缸壓力檢測。改進后，當4軸位移誤差和壓力誤差中任何一個超過設定值時，系統(tǒng)均會停止動作，提醒相關報警，故障排除后，繼續(xù)工作，從而防止了各軸拉力桿應力不同步導致的拉斷現(xiàn)象的發(fā)生。
改造后檢測報警系統(tǒng)控制流程如圖2所示。
圖2 改造后檢測報警系統(tǒng)控制流程
由圖2可見，與原焊管預彎機控制系統(tǒng)相比，改進后的控制系統(tǒng)增加了壓力差值與設定值比較，形成了雙閉環(huán)檢測反饋，有效避免了位移傳感器因現(xiàn)場抖動或位移傳感器本身信號線破損受十擾導致的誤報警。
2.3 PLC程序在同步控制中的優(yōu)化升級
原PLC程序在同步控制中，充當2個同步協(xié)調作用。第一個作用是接收M1的DNC 2軸數(shù)控TDC , PP和END點數(shù)字量信號，接收M2的DNC 2軸數(shù)控TDC , PP和END點數(shù)字量信號，PLC作出是否都到同一點的判斷后，通過數(shù)字量模塊回發(fā)給M1和M2的DNC。第二個作用如圖3所示，焊管預彎機各液壓閥除了比例閥P101和伺服閥P102由DNC控制外，在壓制過程中的各轉折點，由數(shù)控設備各軸發(fā)出轉折點信號給PLC，然后由PLC來控制M1開關閥Y01-Y08和M2開關閥Y01-Y08的開斷配合。
圖3 預彎機各液壓閥時序圖
經(jīng)過現(xiàn)場研究和觀察分析后認為，原控制系統(tǒng)在快進轉工進，工進轉保壓等液壓轉折點，開關閥Y01-Y08投人及切斷與伺服閥P102的配合度，決定著焊管預彎機在轉換點壓力的連續(xù)性。如果配合度高，壓力均衡，轉換就平穩(wěn)，否則就會產(chǎn)生較大振動。
另外，在PLC控制開關閥配合過程中，原PLC程序有漏洞。原PLC同步配合程序如圖4所示。
圖4 原PLC同步配合程序
由圖4可見，當M1到達PP點而M2未到PP點時，原程序是M1等待0.5 s后，M1和M2同時從PP點開始轉為工進狀態(tài)，M1和M2相關開關閥也轉為工進狀態(tài)。但M1等待的0.5 s ,M2是否達到PP點，原程序未做出判斷，沒有實現(xiàn)M1和M2的真正同步。因此，對PLC程序進行改進，當軸M1的軸1和軸2與M2的軸3和軸4任何一個軸先到PP點的，程序設置為先到的軸均處于等待狀態(tài)，直到4個軸全部到達PP點后，才開始同時工進，在同一時刻觸發(fā)液壓開關閥。改進后的PLC程序如圖5所示。
圖5 改進后的PLC同步配合程序
3、HNC一與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之間只有點對點的操作，沒有產(chǎn)生協(xié)議式通訊，且現(xiàn)場預彎參數(shù)設置都是在DNC自帶的設置屏幕上進行，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HMI。根據(jù)力士樂公司的官方資料，要把4軸基準點、位移誤差、壓力誤差和同步精度等設置參數(shù)寫人HNC，需要先把這些參數(shù)存儲到 PLC,然后由PLC通過DP總線以力士樂公司的相關技術規(guī)定傳給數(shù)控HNC，而PLC也需要讀取HNC當前的壓制步數(shù)，當前位置等參數(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的實際位移量為例(實際位移量存儲在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:
//綁定THNC DP地址17
L 17
T "db41/fc133".STATO DB4I.DBBO //選定HNC讀操作權限
L 1
T "db41/fc133".STAT1 DB4I.DBB1//選定要讀取的HNC數(shù)據(jù)類型BV
L’BV’
T "db41/fc133".STAT2 DB4I.DBW2//選定BV存儲區(qū)B00
L 0
T "db41/fc133".STAT3 DB4I.DBW4 //選軸選號(這里b變量是全局量，與軸無關。)
L 1
T "db41/fc133".STAT4 DB4I.DBB6//調用FC122讀取HNC B00數(shù)據(jù)
CALL "for FC 133/fc 134" FC 122//將讀取的數(shù)據(jù)存儲至PLC DB43.DBD0存儲區(qū)
L "db41/fc133".STAT7 DB4I.DBW12
T "read value from hnc".STATO DB43.DBW0
L "db41/fc133".STAT8 DB4I.DBW14
T "read value from hnc".STAT1 DB43.DBW2 //由于讀取HNC的數(shù)據(jù)都是擴大了1 000倍后才傳給PLC的，需要處理。
L DB43.DBD 0
L 1.00OOOOc+003/R //處理后的數(shù)據(jù)存至PLC DB43.DBD10
T "read value from hnc".STATOI DR43.DRD100
4、結語
由于焊管預彎機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，設備故障率較高，故對該控制系統(tǒng)進行了升級改造。采用力士樂HNC-4四軸數(shù)控與PLC相結合的方式，提高了焊管預彎機M1和M2的4個油缸的同步性，并增加了HNC與PLC之間的PROFIBUS-DP協(xié)議通訊，改進了PLC的同步配合程序。改進后控制系統(tǒng)的4個油缸同步性提高，有效地降低了設備的故障率，提高了生產(chǎn)效率.
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