西门子6ES7315-6FF04-0AB0安装调试
一、前言
三辊轧管机轧制的钢管精度高（其外径公差为 ±0.5%，壁厚公差为 ±5%），轧制节奏快（max 2.5 支/min），投资较连轧管机少，所以,该机具有很强的技术和经济优势，非常适合国内外众多中小型无缝钢管企业新建或改造的需要。压下装置是三辊轧管机的主要机构，在轧制不同规格钢管时，压下装置可调整轧辊压下量，得到工艺要求的轧辊位置及辗轧角，并显示压下量的数据。三辊轧管机有三个轧辊，三个轧辊构成毛管变形所需的孔型。每个轧辊有一套压下装置，三辊轧机共有三套压下装置。目前，三辊轧管机压下装置通常采用一个PLC集中控制，到现场操作点都用电缆连接。调整时手动操作，人工检测压下量，调整时间长，精度低，影响生产效率和钢管质量。因此，采用压下装置自动调整技术减少调整时间及**调整精度是十分必要的。
二、压下装置的组成
压下装置的机械部分由压下电动机、涡轮减速机、压下丝杆等组成。电控系统在分析多家自动化产品的性能和价格基础上，经过反复论证，决定使用性价比优的罗克韦尔自动化公司自动化集成架构产品。其方案为，A-B Controllogix系列作为主PLC，进行逻辑运算和控制；现场操作台采用FlexLogix系列作为远程I/O，编码器信号进入现场操作台；主操作台的监控系统采用A-B人机接口PanelView，实现数据设定、数据显示等，通过ControlNet网连接起来；压下调整采用带内制动的交流电动机传动，通过行程检测光电编码器和相应的计数控制器构成位置控制系统，传动装置采用A-B 1336系列变频器；。调整压下装置时，按工艺要求，在PanelView上设定需要的压下量数据，压下电动机通过蜗轮减速机驱动压下丝杆的快速升降，慢速压下。慢速压下用于轧辊**定位。编码器检测压下位置的数据并反馈到现场操作台，实现轧辊压下量的调整，达到工艺要求後自动停止。根据工艺需要，可单独或集中进行三个轧辊的压下量的调整，灵活性较大。这样，采用压下装置自动调整技术，完成轧辊压下量调整的自动控制，极大减少调整时间和复杂的调整工作，**三辊轧管机生产率和产品精度。
三、压下装置自动控制技术
轧管机主PLC选用Controllogix系列，PLC机架为A13，CPU为L55M13，它是生产过程的控制核心。主PLC通过1756-CNB ControlNet通讯模块与下设子站进行通讯，子站选用FlexLogix系列，通过1794-ACN15通讯模块,1786-TPS网络分支器与主站联接起来。压下调整电机采用带内制动的交流电机传动, 传动装置采用A-B 1336系列变频器,电机的输出轴通过链轮与光电编码器相连接,编码器信号进入现场操作台的高速计数模块,进行位置检测,其逻辑运算在主PLC内完成;在主操作台上设有A-B PanelView,通过其完成对轧辊压下量的自动调整。其系统结构如图一：
图一 系统结构
轧辊自动压下调整是调整轧辊的压下量。其工艺调整过程：先用标准棒找到三个轧辊的零位，编码器清零，使六个编码器处于零位；此时，按照标准棒的直径在PanelView上设定标定值，这时编码器的实际位置就是标定值，以后的调整就是在此基础上进行，这时轧辊的调零完成。压下调整时, 在PanelView上设定目标值即实际的压下量,按下启动键,进行自动调整,到达设定位置自动停止,此时各电机的实际压下量在PanelView上显示，其操作界面如图二。
图二 监控画面
自动调整的有两种工况：成组和整体。整体是三套压下装置同时调整；成组是压下装置的入口压下电机和出口压下电机分别调整。其工艺流程如图三：
图三 工艺流程
编码器信号进入现场操作台远程I/O的1794-VSHC高速计数模块，高速计数模块采集编码器的脉冲数，其通过ControlNet网传到主PLC上，在主PLC里将脉冲数变成实际压下量，实际压下量与标定值进行比较，比较后的输出值大于B1时，电机高速运行；输出小于B1时，电机低速运行，便于**定位；当比较值小于A1时，输出为零，电机停止，**定位。
四、结束语
由罗克韦尔自动化公司集成架构产品组成的压下装置自动调整技术,实现了轧辊压下快速和**自动调整。该技术已应用在湖南某钢管企业的三辊轧管机技术改造项目中，在时间紧任务重的情况下，仅用几天时间就调试成功，其轧辊压下精度达到0.2mm，满足了工艺要求。为整个系统的调试节省了时间。该企业的三辊轧管机组从热负荷试车成功至今一直运行正常，班产可达1000根高质量的无缝钢管，为企业创造很大的经济效益。
通过对三辊轧管机压下装置自动调整技术的调试，对罗克韦尔自动化公司集成架构产品有深入理解，罗克韦尔自动化公司产品具有功能齐全、操作简单、使用可靠、维护方便等特点。
1 注塑机控制的方法和原理
注塑机的控制要解决的主要问题包括:机械运动控制、动力控制、温度控制等。
1. 1 机械运动控制
机械液压式注塑机是目前塑料行业广泛使用的注塑机,它的机械运动控制的重点是开合模运动控制。双肘式开合模机构运动原理如图1所示。
图1 双曲肘合模机构运动原理图
开合模运动控制的对象是动模板C ,而动模板是由油缸通过双曲肘机构驱动的,因此,需要建立油缸活塞位置与动模板位置的相互关系,以及油缸活塞在某一位置时活塞运动速度(由液压系统开合模油缸**决定) 与动模板运动速度的相互关系,即进行合模机构的线性化工作。
根据图1 所示的运动原理,可以确立开合模油缸活塞与动模板的位置和速度的关系。控制系统软件中,以一个通用线性化子程序实现这部分的运算,以便进行准确控制。
为减少CPU 的运算负荷,**控制系统实时性,比较好的做法是以上述关系为基础,编制计算机软件,计算出活塞与动模板运动的一一对应关系,形成数据模块,开合模运动控制时从数据模块中直接读取活塞和动模板的关系。
1. 2 动力控制
注塑机的动力传递以液压传动为主,注塑机的动力控制,要解决好两方面的问题:一是压力和**的控制,它是决定设备精度的主要因素；二是设计合理的工艺动作流程和液压动作时序图。
1.2.1 压力**控制
与现代注塑机采用比例阀进行压力**连续控制不同,早期注塑机液压系统大多采用压力**组合式离散控制。大型注塑机的多级压力控制阀,是由6 个控制电磁阀组合动作,线性叠加进行压力控制,因此,首先需要测定控制电磁阀对控制压力的贡献(压力权) 。
通过实验测定,6 个电磁阀的压力权分别为: P1 = 0.218 75 MPa ； P2 = 0.437 5 MPa ；
P3 = 0.875 MPa ； P4 = 1.75 MPa ； P5 = 3. 5 MPa ； P6 = 7. 0 MPa 。
多级压力控制阀的控制工作压力P 可以用以下式表示:
P = K1 P1 + K2 P2 + K3 P3 + K4 P4 + K5 P5 + K6 P6 (1)
K1 ～ K6分别表示6 个多级压力控制电磁阀的开启系数, 取值0(不通电动作) 、1(通电动作) 。根据式(1) ,使用循环判断的算法很容易实现根据设定压力自动确定多级压力控制阀电磁阀的动作组合。
**的控制与压力相类似。
1.2.2 工艺动作控制
对设备的工艺动作设计如图2 所示。
图2 注塑机的工艺动作流程
设计液压系统动作时序图,就是要确定工艺动作对应的阀门动作逻辑顺序。不同系统不尽相同。
1. 3 温度控制
注塑机的温度控制,主要是指料筒温度控制。参数自整定PID 控制是现代注塑机使用较多的控制方式。系统设计分为如下步骤:
(1) 温控系统硬件的设计。把料筒分为7个控制温区,各温区使用温度传感器( K 型热电偶) 探测温度,信号经放大、A/ D 转换(由B&R PCC 2003 家族的模拟量输入模块A T 664 实现) 后输入到PCC ,PCC 进行运算及处理后控制7 组控制器件(接触器或无触点过零型固态继电器SSR) ,从而控制电阻加热器对料筒加热。
(2) 料筒温控模型识别。研究结果显示,料筒温控数学模型可表示为一阶惯性加纯滞后环节,如式(2) 所示。
（2）
式中, t 为温度，u 为功率，τ为系统时滞，Kt 为系统时间常数，K 为系统常数，s 为拉氏变换因子。
数学模型各参数可采用阶跃响应法测得,见表1 。
表1 料筒各加热段数学模型参数
(3) 算法设计。确定参数自整定方式和PID 算法,采用参数继电自整定和增量式PID控制算法, 这方面的理论不少资料有详细的介绍。
2 注塑机控制系统的设计
下面以前面对注塑机控制的分析为基础,采用B&R 公司出品的可编程控制器为主体,构建注塑机控制系统。
2. 1 硬件系统
控制系统硬件配置方式采用现代设备通用的上下位机结构。上位机为操作监控制部分, 采用带486DX2CPU 的IPC2001 , 安装了B&R Automation Runtime V2.60 操作系统,TFT 真彩屏,面板附带注塑机专用30 键小键盘。下位机包括PCC 控制器及扩展模块,其配置主要考虑满足控制系统的现有功能需求,同时,适当预留功能扩展的需要。
由上、下位机构成的大型注塑机控制系统硬件组成及相互关系如图3 所示。
图3 系统硬件组成
2. 2 软件系统
2.2.1 任务设置
控制系统软件主要由上位机和下位机软件构成。上位机控制系统软件需要实现显示、通讯、数据存储、配方的读取和设置等功能,包括4大部分:程序模块、系统模块、数据模块及面板程序模块。下位机软件系统是整个注塑机软件系统的主要部分,它是按注塑工艺流程编写的应用程序。B&R PC 操作系统Automation Studio(AS) 是一个分时多任务操作系统,采用分时多任务机制构筑其应用软件的运行平台。它可以把任务分成数个具有不同优先权的等级,其中优先权高的任务等级有着较短的循环扫描时间,而且每个任务等级可包括多个具体任务,在这些任务中间可再细分其优先权的高低。在AS 操作系统管理下,优先权高的任务总是先被执行,剩余的时间再执行优先权较低的任务。因此,在软件设计中可以按应用程序的重要程度进行任务设置,从而使控制系统得到优化,具有较好的实时性。主要功能任务设置如表2 所示。
表2 主要任务级别设置
2.2.2 软件组织结构
软件系统用C 语言编写,采用结构化设计,组织结构采用金字塔形由上至下4 个层次的层级结构(如图4) 。
第1 层为组织层(主程序mode) ,进行注塑机动作状态的判断和处理；第2 层为注塑机各个状态(全自动、半自动、手动、设置、调模状态) 的运动组织和安全判断的互锁操作(动态互锁和静态互锁)；第3 层为各个动作或功能,它由第2 层进行组合调用；第4 层是指系统的压力**控制任务。
图4 主程序功能框图(部分)
3 运行结果
新设计的大型注塑机控制系统在投入生产后,在各方面显示出比原控制系统更加优越的特性,包括以下几个方面。
(1) 分时多任务可编程计算机控制器(PCC) 的应用,解决了传统PLC 控制系统扫描速度受制于程序大小的缺点,保证了注塑机控制的实时性和**性。
(2) 基于各个任务的重要性不同与特殊要求,进行任务级别的科学分配,在保证了注塑机功能全面实现的同时,确保了关键过程控制的快速性与准确性。
(3) 语言(标准C) 结构化的程序设计,使系统具有更好的维护性与可扩展性。
(4) 功能较齐全,满足注射成型的的各种工艺需要。比较科学的控制算法,使压力、**控制精度较原系统高;完善的轴互锁功能,使设备具有较高的安全性和可靠性。
(5) 整机自动化程度较高,温度控制系统参数自整定,动态和静态性能比常规PID 控制更优越。
本系统的开发,解决了旧注塑机在使用中存在的问题,对**设备功能、延长设备的使用寿命具有重要作用。