16/22MN双动冲压水压机控制系统
摘要:16/22MN冲压水压机是我厂设计人员自行设计开发的大型锻压设备主要用来压制锅炉等压力容器封头、各种钢板的弯曲整型及大型钢制门的压制,广泛应用于锅炉厂及机车车辆工厂,是我厂生产的主要锻压设备之一。本文简单介绍了16/22MN冲压水压机的设备性能;工艺流程,在电气自动控制系统的设计中结合冲压水压机的特点,选用了西门子公司SIMATIC S7-300可编成控制器(PLC)及TP270触摸屏作为主要的控制设备。再配以先进的WinCC flexible监控软件来实现水压机控制系统的各项功能, S7-300是模块化中小型PLC系统,可进行广泛组合,使其成为高性能的既方便又经济的解决方案,本文重点叙述了电气自动系统的硬件配置,网络结构,控制功能,以及所用的现场总线技术等。
关键词:冲压水压机;S7-300PLC;现场总线
1 冲压水压机设备组成及主要性能
冲压水压机机械部分主要由水压机本体、水泵蓄势站及操纵系统组成,其中水压机本体由底座、活动横梁、上横梁、立柱、顶出器和工作台等组成,底座和上横梁用立柱对螺帽连接组成一个整体机架形成封闭的受力系统,压机公称吨位:22MN, 最大行程:2500mm, 压机总高17500m,压制工件典型尺寸:3400mm。
水泵蓄势站作用是为水压机提供高压水,当水压机耗水量低于水泵平均总流量时水泵输出的高压水多余部分储存于蓄水罐中, 当水压机耗水量高于水泵平均总流量时水泵供水不足部分由蓄势罐补充,因此在任何情况下都可以满足压机连续工作。
操作系统主要有五个分配器(主分配器、压边分配器、移动工作台分配器、顶出分配器、锁紧分配器)、二个充液阀、主闸阀、高压自动阀、低压自动阀调压阀、高压缓冲阀、充水罐等组成。其中主分配器和压边分配器由交流调速电机拖动,用光电编码器操纵可实现主滑块和活动横梁空程、调压、加压、回程、停止等动作。移动工作台分配器和顶出器分配器及锁紧分配器由交流电机驱动凸轮轴转动,动作位置由主令控制器加直流制动单元调节。
2 控制系统的选型及特点
结合压机的工作特点及工艺要求,选用了西门子公司SIMATIC S7-300可编成控制器(PLC)。SIMATIC S7-300有多种性能递增的CPU和丰富且带有许多方便功能的 I/O扩展模块,当任务规模扩大并且愈加复杂时,可随时使用附加模块对PLC扩展。现场总线系统实现了数字和模拟量/输出模块,智能信号装置和过程调节装置与可编程逻辑控制器(PLC)之间的数据传输,把I/O通道分散使安装成本费用大大地节省,而且标准化的现场总线具有“开放”的通信接口允许用户选用不同制造商生产的分散I/O装置和现场设备,同时因为新产品开发未知量较多,修改方便。因此为重型机械产品中特别是新产品的集散控制系统的研制,设计,调试提供了极大的便利。PLC系统软件采用西门子STEP7 5.4编成软件包,完成硬件组态,程序编制,调试,监视和文档资料处理,系统诊断等工作,现场总线连接如图1所示。
3系统的硬件构成
系统硬件采用SIMATIC的S7-300可编程序控制器(PLC),系统组成:由一个S7-300(CPU315-2DP)主框架及五个ET200M二个ET200X,2个WAGO从站,采用PROFIEBUS-DP现场总线技术实现整个网络的主从站分布方式I/O控制。
16/22MN冲压水压机的PLC系统主从站号及模块分布如下:
HMI触摸屏 TP270( 6AV6 545-0CC10-0AX0 ); 压机PLC控制柜 主CPU模块 S7-300(CPU315-DP)6ES7 315-2AF02-0AB0;压机操作台ET200M (6ES7 153-1AA01-0XB0)开入模板3块开出模板2块;压机地下室接线箱ET200M(6ES7 153-1AA01-0XB0)开入模板3块开出模板2块;主分配器驱动电机变频器MM440DP接口模块(6SE6400-1BP00-0AA0);压边分配器驱动电机变频器MM440DP接口模块(6SE6400-1BP00-0AA0);水泵站PLC控制柜ET200M(6ES7 153-1AA01-0XB0)开入模板2块开出模板1块;水泵电机控制柜 ET200M(6ES7 153-1AA01-0XB0)开入模板2块开出模板1块;蓄势站接线箱 ET200M(6ES7 153-1AA01-0XB0) 开入模板3块开出模板1块。
4 问题分析及解决方案
主缸及压边缸分配器是压机最主要的操纵部件,为减少压机启动及停止时压机的震动并保证行走过程中水压机运行平稳,分配器的凸轮驱动电机由数字矢量型交流变频器驱动,位置反馈采用绝对式光电编码器,消除工作死角并在PLC程序中增加转矩补偿以提高控制精度和开闭阀速度。并且在HMI画面中定量数字显示压边缸及主缸分配器位置及模拟图。
蓄势罐压力、水位、水泵 电机及其他驱动电机的运行状态、温度检测等信号都连接至PLC 远程I/O控制箱再由PROFIEBUS-DP总线接口连接至PLC柜以便控制调节,按照设备生产工艺要求编制的程序放置在PLC的用户存储器中,根据输入指令和现场检测信号(水位,压力,温度)作出判断和逻辑处理,发出各种指令,保证水泵电机,阀门等各个部分按要求运行。
普通的编程适配器只能插在CP的接口上编程调试,对于较分散的现场设备的调试感觉非常不便,本设备中水泵蓄势站距水压机控制柜较远如只在CPU一侧调试是非常困难的, 在此系统中使用了5512卡(笔记本电脑用)可以在带DP接口任何一个站点进行调试编程,使调试的劳动量大大减少且非常方便。
本项目的主缸及压边缸分配器驱动电机采用的是SIMATIC MM440变频器系列产品和PROFIBUS-DP总线结构,过去使用的变频器控制方式一般都是采用端子硬接线方式,变频器信息的传送,如启动、停机、频率设定等都依靠数字或模拟量的输入/输出模板进行,在本次设计中全部采用DP总线方式,所有的信息均由网线来进行数据传送。
5 触摸屏(TP270)
(TP270) 触摸屏作为现场操作站非常方便。它以最少的设备数量可提供最大可能的信息,以帮助操作和设备维修人员快速准确的了解系统当前状况及相关信息。16/22MN冲压水压机PLC控制系统的现场时实监控和数据设定均在触摸屏上进行。(TP270)人机界面作为压机控制的重要组成部分,用于压机控制的各种数据的设定.显示.故障报警.以及相应操作和设备的在线调试和维护,在触摸屏上,分别设置了参数设定和运行监控等十几个画面。对报警信号进行了文字说明和历史记录,水压机工作状态显示,故障及各种异常内容的指示,水压机工作行程指示及安全保护等功能。以上内容均以中文画面的形式在操作台显示,操作方便直观。以便于操作人员能及时准确地掌握压机的运行状况, 触摸屏主要包括以下画面:
压机自动工作流程运行模拟图;压边缸及主缸行程数字显示及分配器参数设定;水泵-蓄势罐压力、水位、电机工作状态显示模拟画面;故障报警信息画面。报警记录 对于压机行程.供水压力等重要数据进行实时监控;变频器运行状态指示(运行频率,电机电流,转矩等)
结语
16/22MN冲压水压机PLC控制系统经现场调试使用,选型合理,工作可靠,梯形图逻辑满足16/22MN冲压水压机设备本身控制和工艺要求,用户均表示满意。本文在调试试车成功后完成。本系统的组成及PLC控制程序应用在其它规格的水压机或其它机型的PLC上,均有一定的参考价值。
参考文献
[1] 扬宪惠. 现场总线技术及其应用.清华大学出版社, 1999
[2] 李华德. 交流调速控制系统.北京: 电子工业出版社, 2003.
[3] SIMATIC STEP7程序设计编成手册.