直縫焊管（guǎn）預彎機數控係統的改造
2018-3-21 來源：中國石（shí）化集團石油工程機（jī）械有限公司沙（shā）市鋼管 作者： 陳亮 閱（yuè）建東 劉建傑
摘要:針對焊管預彎機原同步性控製采用數控DNC60，存在同步控製係統可靠性差、設備故障率高的問題，對該（gāi）控製係統進行了升級改造。采用力士樂（lè）HNC-4四軸數控代替原數控DNC60 ,提高（gāo）了焊管預彎機M1和M2的4個油缸的同步性，增加（jiā）了HNC與PLC之間的PROFIBUS-DP協議通訊，改進了（le）PLC的同步配（pèi）合程序，並自行（háng）開發了HNC-4與PLC之間數據交（jiāo）換的通用程序模塊。改進（jìn）後（hòu）控製係統的4個油缸同步性提高，有效地降低了設（shè）備的故障率，提高（gāo）了生（shēng）產效率。
關鍵詞:焊管;預彎機;控製係（xì）統;力士（shì）樂HNC-4
中國石化集（jí）團石油工（gōng）程機械（xiè）有（yǒu）限公司沙市鋼（gāng）管廠(以下（xià）簡稱沙市鋼管廠（chǎng）)使用的天水某設備廠生產（chǎn）的（de）焊管（guǎn）預彎機目前故障（zhàng）頻繁，嚴重影響車間的正常排產。從2011年至今，同（tóng）步可（kě）靠性(含光柵)的（de）故障占（zhàn）總故障的44%。經過調研，同行其（qí）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（yù）彎機進行了技（jì）術改造，效果良好。為了提高生產效率，沙市鋼管廠（chǎng）擬對焊管預彎機進行技術改造，從成本和（hé）改造（zào）的重要點分析，決定先改造預彎機的控製係統（tǒng）。
該焊（hàn）管預彎機原同步性控製采用的是數控DNC60。數控DNC60已停產（chǎn）多年.目前又缺少相關的技術支（zhī）持，給設備維護帶來了很（hěn）大困難。為此，擬（nǐ）選用市場通用性較好的力士樂4軸數控（kòng）HNC-4作為同（tóng）步控（kòng）製的核心來進行焊管預彎機的升級改造。
1、改造方案
改造後的焊管預彎機數控係統總（zǒng）體控製線路如圖1所示。該係統（tǒng）整體（tǐ）改（gǎi）造方案如下:
(1)采（cǎi）用力士樂HNC 100多軸（zhóu）控（kòng）製器替代現有DNC60控製器，進行油（yóu）缸位置同步控製。位置檢（jiǎn）測（cè）元件采用BALLUFF-SSI位移傳感器，取消原有封閉（bì）式光柵尺，提高係統的同步控製精度。
(2)控製過程（chéng）中采用位置和（hé）壓力雙閉環檢測反饋。
(3)對PLC控製（zhì）程序中液壓開關閥配合度進行相應優化（huà）調整。
(4)開發HNC與PLC數據交換通（tōng）用程序塊。
圖1 改造後的焊管預彎機（jī）數控係統總體控製示意圖
2、同步性能升級分析
2.1 HNC-4相對DNC 60 PS的同步性能優勢（shì）。
原焊管（guǎn）預彎機同步控製使用的DNC60是2軸數控。現場預彎機M1(2個軸)和M2 (2個軸)每（měi）邊都用一（yī）個DNC60，設置同步精度時不能（néng）同時給M1和M2共四個軸設（shè）置一個同步精度，運行時一個數控DNC60負責M1的2個軸同步，另一（yī）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，並通過PLC來判斷M1和M2是否都同時到（dào）了PP點(工進開始點)或END點(開始（shǐ）保壓點)，再通過點對點回傳到DNC。這種點對點的傳遞（dì）會產生延時，對於高壓力的成型設備來說，延時容易造（zào）成成型對象產生（shēng）不該有的變形。
HNC-4是四軸（zhóu）數控，隻需將M1(2個軸)和M2(2個軸)共4個軸的基（jī）準點在HMI上設置好，運行過程（chéng）中，這四個軸是否同時到達PP點或END點，HNC-4能自動判斷，並通過HNC配套的WINPED 7.0調試軟件編程設置。如果（guǒ）軸1,軸2、軸3或軸4中存（cún）在未能同時到PP點的情況，先到（dào）的（de）軸就（jiù）會處於等待狀（zhuàng）態，待其他軸到位後，再同時（shí）轉換為工進狀態;同樣（yàng），如果軸（zhóu）1,軸2、軸3或軸4中存在未能（néng）同時（shí）到END點的情況（kuàng），先到的軸也會處於等待狀態，待其他軸到位後（hòu），再同時轉換為卸壓狀態（tài）。
2.2 優化檢剛（gāng）提高平衡控製可靠性
原（yuán）控製係統（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（shān）尺（chǐ）的數據比較來判（pàn）斷M1內（nèi）部兩個軸是否在同一位置值，M2也是類似。由於現場抖動，或油汙會汙染光柵尺麵，破壞光柵尺線條紋分布，易引（yǐn）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，就要更換掉光柵尺這（zhè）個對現場環境要求較高的位置檢測傳感器。經調研選用（yòng）了BALLUFF磁滯直線位移傳感（gǎn）器，該傳感器抗灰塵、油汙能力強，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、油汙等敏感而帶來的誤差。
另外，對焊管預（yù）彎機出現的活塞缸頭在係統未報警時被拉（lā）斷的情況進行（háng）了分析，發（fā）現（xiàn）其原因可能是光柵尺檢測數據不準確而導致控製係統做出的錯（cuò）誤（wù）反（fǎn）應。因此，對（duì）控製係統進行了改進（jìn），更換了新型（xíng）位移傳感器，並增加了油缸壓力檢（jiǎn）測。改進後，當4軸位移誤差和壓力誤差中任何一個超過設定值時，係統均（jun1）會停止動（dòng）作，提醒相關報警，故障排除後，繼續工作，從而防止了各軸拉力杆（gǎn）應力不同步導致的拉斷現象的發生。
改造後檢測報（bào）警係統控製流程如圖2所示。
圖2 改造後檢測報（bào）警（jǐng）係統控製流程（chéng）
由（yóu）圖2可（kě）見，與原焊管（guǎn）預彎機控製係統相比，改進後的控製係統增加了壓力差（chà）值與設定值比較，形成了雙閉（bì）環檢測反饋，有效避免了位移傳感器因現場抖動（dòng）或位移傳感器本（běn）身信號線破損受十擾導致的誤報警。
2.3 PLC程序在同步控製中的優化升級
原PLC程序在同（tóng）步控製中，充當2個同步協調作用。第一個作用是接收M1的DNC 2軸數控TDC , PP和END點數字量（liàng）信號，接收M2的DNC 2軸數控TDC , PP和END點數字量信號，PLC作出是（shì）否都到同一點（diǎn）的判斷後，通過數字量模塊回發給M1和M2的DNC。第二個作用如圖3所示，焊管預（yù）彎機各液壓閥除了比例閥P101和伺服閥P102由DNC控製外，在壓製過程中的各轉折點，由數（shù）控設（shè）備各軸（zhóu）發出轉（zhuǎn）折（shé）點信號給PLC，然後（hòu）由PLC來（lái）控製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
經過現（xiàn）場研究和觀察分析後認為，原控製係統在（zài）快進轉工進，工進轉（zhuǎn）保壓等液壓轉折點（diǎn），開（kāi）關閥Y01-Y08投人及切斷與（yǔ）伺服閥P102的配合（hé）度，決定著焊管預（yù）彎機在轉換點（diǎn）壓力的（de）連續性。如果配合度高，壓力均衡，轉（zhuǎn）換就（jiù）平（píng）穩，否（fǒu）則就會產生較大振動。
另外，在PLC控製開關閥配（pèi）合過程中，原（yuán）PLC程序有漏洞。原（yuán）PLC同步配合程序如圖4所示。
圖4 原PLC同步配合程（chéng）序
由（yóu）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後，M1和M2同時（shí）從PP點開始轉為工進狀態，M1和M2相（xiàng）關開關閥也（yě）轉為工進狀態。但M1等待的0.5 s ,M2是否達到PP點，原程序未做出判（pàn）斷，沒有實（shí）現M1和（hé）M2的真正同步。因此（cǐ），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（shè）置為先到的軸均處於等待狀態，直到4個軸全（quán）部到達PP點後，才開始同時工進（jìn），在同一時刻觸發液壓開（kāi）關閥。改進後的PLC程序（xù）如圖5所示。
圖5 改進後的PLC同步配合程序
3、HNC一（yī）與PLC數據交換通用模塊開發（fā）
原控製方案中，數控DNC與PLC之間隻有點對點（diǎn）的操作，沒有產生協議式通訊，且現場預彎參數設置都是在DNC自帶的設置屏幕上進行，不需要開發數控與PLC之間交換數據的程序。改造方案中，4軸數控（kòng）HNC-4與PLC之間通訊采用PROFIBUS-DP協議，且共用一塊上位機HMI。根據力（lì）士樂公司的官方資料，要把4軸基準點、位移誤差（chà）、壓力（lì）誤差（chà）和（hé）同步精度等設置參數（shù）寫人HNC，需要先（xiān）把這些參數存儲到 PLC,然後由PLC通過DP總線以力士樂公司的相關技術（shù）規定傳給數控HNC，而PLC也需要讀取（qǔ）HNC當前的壓製步數，當（dāng）前（qián）位置（zhì）等參數。這就需要開發（fā）HNC與PLC之間數據交換通用的程序塊。
自行開發的HNC-4與PLC之間數（shù）據交換通用程序模塊（kuài）邏輯流程如圖6所示。圖6中FC111, FC122,
FC133, FC123和FC136均為自行開發的PLC功能塊。
圖6 數據（jù）交換通用程序（xù）模（mó）塊（kuài）邏輯流程圖
以PLC讀取HNC軸1的實際位移量為例(實際位（wèi）移量（liàng）存儲在HNC軸（zhóu）1的BV00裏麵)，下麵（miàn）給出讀取（qǔ）HNC BV00數據的具體PLC STL程序，具體程序如下:
//綁（bǎng）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（de）HNC數據類型BV
L’BV’
T "db41/fc133".STAT2 DB4I.DBW2//選定BV存（cún）儲區B00
L 0
T "db41/fc133".STAT3 DB4I.DBW4 //選軸選號(這裏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數據
CALL "for FC 133/fc 134" FC 122//將讀取的數據存儲至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 //由於讀取HNC的數據都是擴大了（le）1 000倍後（hòu）才（cái）傳給PLC的，需要處理。
L DB43.DBD 0
L 1.00OOOOc+003/R //處理後的數據（jù）存至PLC DB43.DBD10
T "read value from hnc".STATOI DR43.DRD100
4、結語
由於焊管（guǎn）預彎機原同步性（xìng）控製采用的是數控DNC60，存在同步控製係統可靠性較差，設備故障率較高，故對該控製係統進行了升級改造。采用力（lì）士樂HNC-4四（sì）軸數控與PLC相結合的方式，提高了焊管預彎機M1和M2的4個（gè）油缸的同步性，並（bìng）增加了HNC與PLC之間的PROFIBUS-DP協議通訊，改進了（le）PLC的（de）同步配合程（chéng）序。改進（jìn）後控製係統的4個油缸同步性提高，有效地降低了設（shè）備的故障（zhàng）率，提高了生產效率.
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