基于PLC的液壓伺服比例閥在無縫鋼管生產(chǎn)過程中的應(yīng)用

1  引言    無縫鋼管生產(chǎn)線按工藝流程一般分為三個區(qū)域：穿孔區(qū)；連軋區(qū)；定徑區(qū)（張減區(qū)）。穿孔區(qū)主要負(fù)責(zé)把坯料加工成為中空的鋼管（毛管）；連軋區(qū)主要負(fù)責(zé)把毛管軋制成為符合要求的半成品（荒管）；定徑區(qū)（張減區(qū)）主要負(fù)責(zé)對荒管進(jìn)行外徑的微小修正。穿孔區(qū)的工藝為斜軋，對毛管質(zhì)量起著關(guān)鍵作用的設(shè)備是主軋機(jī)及三輥抱芯。三輥抱芯由液壓伺服比例閥控制，其主要作用是保證三輥抱芯的實際位置位于參考位置的偏差范圍內(nèi)，從而起到導(dǎo)向作用。 2  三輥抱芯功能簡介    三輥抱芯裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1  三滾抱芯的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖    三個導(dǎo)輥按照120o分布，其中下面兩個導(dǎo)輥，上面一個導(dǎo)輥，三滾的內(nèi)切圓直徑即為其導(dǎo)向物料的外徑。三個導(dǎo)輥由同一個液壓缸控制，油缸的動作通過一系列的機(jī)械機(jī)構(gòu)可以同時改變?nèi)齻€導(dǎo)輥的位置，（三輥的內(nèi)切圓直徑）。一般根據(jù)工藝不同，穿孔區(qū)一般安裝6組三輥抱芯裝置，每個三輥抱芯前有2對熱探。    軋制前三輥抱芯位于頂桿位置，對頂桿起到導(dǎo)向作用。軋制過程中，隨著坯料被軋制成為毛管，6對三輥抱芯在得到各自的熱探信號后，依次打開到毛管位，對毛管進(jìn)行導(dǎo)向。當(dāng)軋制結(jié)束后，三輥抱芯同時旋至打開位置，翻料臂將毛管翻出。更換頂桿后，三輥抱芯再次旋至頂桿位，重復(fù)以上過程，軋制另一個毛管。    在一根毛管軋制的過程中，三輥抱芯要動作3次，即頂桿位，毛管位，打開位，而這些動作均要求在0.5-1s內(nèi)完成，并且保證1mm之內(nèi)的位置偏差。所以三輥抱芯位置的精確度，動作快慢直接關(guān)系到整條生產(chǎn)線的運(yùn)行以及產(chǎn)品的質(zhì)量。 3  三輥抱芯控制 3.1 基本控制原理    三輥抱芯的控制基本分為兩種。    （1）采用機(jī)械調(diào)整和節(jié)流閥配合驅(qū)動。這種方法的優(yōu)點是驅(qū)動控制簡單，設(shè)備動作時間短，即使用常規(guī)的三位四通閥，節(jié)流閥來控制液壓缸的行程，但是這種方式的缺點也很明顯，就是每次更換軋鋼規(guī)格的時候都需要手動進(jìn)行調(diào)節(jié)，浪費(fèi)了大量的時間。其次是控制的精度比較低，對軋鋼的質(zhì)量造成很大的影響。

圖2  液壓伺服比例系統(tǒng)    （2）用液壓伺服比例閥進(jìn)行控制，這種控制方法能很好的保證三輥抱芯的精度，一般誤差都可以控制在0.5-1mm，此外如果采用單獨的液壓站來驅(qū)動6個三輥抱芯，系統(tǒng)壓力比較穩(wěn)定的情況下，其動作時間也能控制在0.5s內(nèi)。更換軋鋼規(guī)矩的時候，僅僅需要從HMI改變參考位置，節(jié)省了大量的時間。液壓伺服比例系統(tǒng)的控制如圖2所示。伺服比例閥通過自帶的集成線性放大器，可以連續(xù)地調(diào)節(jié)伺服比例閥的開度，這是與普通液控閥的最大不同。由于伺服比例閥的開度是連續(xù)可調(diào)的，因此供給油缸的流量也是連續(xù)可調(diào)節(jié)的。這樣就實現(xiàn)了對油缸的速度、推力的連續(xù)調(diào)節(jié)和控制，保證了三輥抱芯的位置總是在參考的位置范圍內(nèi)。 3.2  控制系統(tǒng)配置及軟件實現(xiàn)    采用ABB公司的AC450系列PLC控制。油缸的行程由內(nèi)置的位移傳感器給出4-20mA的模擬量輸入信號。經(jīng)過系統(tǒng)分析處理后，把開度指令轉(zhuǎn)換成4-20mA的模擬量信號發(fā)送給伺服比例閥的集成放大器，控制其開度。由于輸入的位移信號與三輥抱芯的開口度為線性關(guān)系，所以很容易推出它們之間的關(guān)系。具體步驟如圖3所示（輸入信號X；三輥抱芯的參考直徑Y(jié)；輸出信號Z，皆為4-20mA）。

圖3   液壓伺服比例系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)流程圖    （1）將標(biāo)準(zhǔn)管1（直徑已知）放入三輥抱芯內(nèi)，手動將三輥抱芯抱緊標(biāo)準(zhǔn)管。在次狀況下，可以得到內(nèi)置位移傳感器的輸入信號-X1,標(biāo)準(zhǔn)管的直徑已知-Y1。    （2）將另外一根標(biāo)準(zhǔn)管（直徑已知）放入三輥抱芯內(nèi)，手動將三輥抱芯抱緊標(biāo)準(zhǔn)管。在次狀況下，可以得到內(nèi)置位移傳感器的輸入信號-X2,標(biāo)準(zhǔn)管的直徑已知-Y2。    （3）將X1,X2,Y1,Y2帶入方程式Y(jié)=kX b,求得k,b,就可以得到實際位置。    （4）參考位置ref pos－實際位置act pos=Δpos,然后進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，得到4-20mA的模擬量輸出信號，作用于伺服比例閥的集成放大器，控制其開度。    （5）PID調(diào)節(jié)程序的流程如圖三所示。在本程序的PID調(diào)節(jié)器中，P，I調(diào)節(jié)是分開的。PLC系統(tǒng)首先檢查實際位置與參考位置的偏差Δ，當(dāng)偏差較大的時候，PI調(diào)節(jié)器均起作用，但主要是P（比例）調(diào)節(jié)，這樣響應(yīng)比較快，這時候PID調(diào)節(jié)器給出較大的開度，使油缸高速、大推（拉）力運(yùn)行；當(dāng)偏差較小的時候，P調(diào)節(jié)停止，只有是I（積分）調(diào)節(jié)，這時候PID調(diào)節(jié)器給出較小的開度，使油缸低速、小推（拉）力運(yùn)行。該程序在偏差不等于零的情況下，積分調(diào)節(jié)器就一直處于工作狀態(tài)，這樣就能保證實際位置無限靠近參考位置，一直處于動態(tài)調(diào)整中。 4  實際應(yīng)用效果及調(diào)試注意事項    PLC程序的PID控制在實際應(yīng)用中起到了非常好的效果，偏差均能保證在1mm之內(nèi)，動作時間能控制在0.5s。由于P，I調(diào)節(jié)是分開，當(dāng)偏差大的時候，P快速調(diào)節(jié)；偏差小的時間，I進(jìn)行微調(diào)。這樣能既能保證運(yùn)行時間又能保證定位的精度。實際調(diào)試中需要注意的幾點：    （1）6個三輥抱芯有時候同時動作，所以液體站必須保證穩(wěn)定的壓力，儲壓器要處于工作狀態(tài)。    （2）機(jī)械部件必須保證良好的潤滑，負(fù)責(zé)摩擦阻力會影響油缸的運(yùn)動。    （3）液體部件要保證良好的密封，否則對系統(tǒng)的運(yùn)行也十分不利。    （4）調(diào)試中，P（比例系數(shù)）的給定，積分系數(shù)，積分時間有比較好的配合； 此外PLC的掃描時間以及油缸位移傳感器的采樣時間要快，否則容易產(chǎn)生超調(diào)現(xiàn)象。 5  結(jié)束語    該系統(tǒng)已經(jīng)在衡陽無縫鋼管廠，成都無縫鋼管廠投入使用。系統(tǒng)運(yùn)行可靠，定位精度、動作時間均能達(dá)到要求，為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會效益。