基于PLC的液压伺服比例阀在无缝钢管生产过程中的应用

1  引言    无缝钢管生产线按工艺流程一般分为三个区域：穿孔区；连轧区；定径区（张减区）。穿孔区主要负责把坯料加工成为中空的钢管（毛管）；连轧区主要负责把毛管轧制成为符合要求的半成品（荒管）；定径区（张减区）主要负责对荒管进行外径的微小修正。穿孔区的工艺为斜轧，对毛管质量起着关键作用的设备是主轧机及三辊抱芯。三辊抱芯由液压伺服比例阀控制，其主要作用是保证三辊抱芯的实际位置位于参考位置的偏差范围内，从而起到导向作用。 2  三辊抱芯功能简介    三辊抱芯装置机械结构如图1所示。

图1  三滚抱芯的机械结构图    三个导辊按照120o分布，其中下面两个导辊，上面一个导辊，三滚的内切圆直径即为其导向物料的外径。三个导辊由同一个液压缸控制，油缸的动作通过一系列的机械机构可以同时改变三个导辊的位置，（三辊的内切圆直径）。一般根据工艺不同，穿孔区一般安装6组三辊抱芯装置，每个三辊抱芯前有2对热探。    轧制前三辊抱芯位于顶杆位置，对顶杆起到导向作用。轧制过程中，随着坯料被轧制成为毛管，6对三辊抱芯在得到各自的热探信号后，依次打开到毛管位，对毛管进行导向。当轧制结束后，三辊抱芯同时旋至打开位置，翻料臂将毛管翻出。更换顶杆后，三辊抱芯再次旋至顶杆位，重复以上过程，轧制另一个毛管。    在一根毛管轧制的过程中，三辊抱芯要动作3次，即顶杆位，毛管位，打开位，而这些动作均要求在0.5-1s内完成，并且保证1mm之内的位置偏差。所以三辊抱芯位置的精确度，动作快慢直接关系到整条生产线的运行以及产品的质量。 3  三辊抱芯控制 3.1 基本控制原理    三辊抱芯的控制基本分为两种。    （1）采用机械调整和节流阀配合驱动。这种方法的优点是驱动控制简单，设备动作时间短，即使用常规的三位四通阀，节流阀来控制液压缸的行程，但是这种方式的缺点也很明显，就是每次更换轧钢规格的时候都需要手动进行调节，浪费了大量的时间。其次是控制的精度比较低，对轧钢的质量造成很大的影响。

图2  液压伺服比例系统    （2）用液压伺服比例阀进行控制，这种控制方法能很好的保证三辊抱芯的精度，一般误差都可以控制在0.5-1mm，此外如果采用单独的液压站来驱动6个三辊抱芯，系统压力比较稳定的情况下，其动作时间也能控制在0.5s内。更换轧钢规矩的时候，仅仅需要从HMI改变参考位置，节省了大量的时间。液压伺服比例系统的控制如图2所示。伺服比例阀通过自带的集成线性放大器，可以连续地调节伺服比例阀的开度，这是与普通液控阀的最大不同。由于伺服比例阀的开度是连续可调的，因此供给油缸的流量也是连续可调节的。这样就实现了对油缸的速度、推力的连续调节和控制，保证了三辊抱芯的位置总是在参考的位置范围内。 3.2  控制系统配置及软件实现    采用ABB公司的AC450系列PLC控制。油缸的行程由内置的位移传感器给出4-20mA的模拟量输入信号。经过系统分析处理后，把开度指令转换成4-20mA的模拟量信号发送给伺服比例阀的集成放大器，控制其开度。由于输入的位移信号与三辊抱芯的开口度为线性关系，所以很容易推出它们之间的关系。具体步骤如图3所示（输入信号X；三辊抱芯的参考直径Y；输出信号Z，皆为4-20mA）。

图3   液压伺服比例系统控制调节流程图    （1）将标准管1（直径已知）放入三辊抱芯内，手动将三辊抱芯抱紧标准管。在次状况下，可以得到内置位移传感器的输入信号-X1,标准管的直径已知-Y1。    （2）将另外一根标准管（直径已知）放入三辊抱芯内，手动将三辊抱芯抱紧标准管。在次状况下，可以得到内置位移传感器的输入信号-X2,标准管的直径已知-Y2。    （3）将X1,X2,Y1,Y2带入方程式Y=kX b,求得k,b,就可以得到实际位置。    （4）参考位置ref pos－实际位置act pos=Δpos,然后进行PID调节，得到4-20mA的模拟量输出信号，作用于伺服比例阀的集成放大器，控制其开度。    （5）PID调节程序的流程如图三所示。在本程序的PID调节器中，P，I调节是分开的。PLC系统首先检查实际位置与参考位置的偏差Δ，当偏差较大的时候，PI调节器均起作用，但主要是P（比例）调节，这样响应比较快，这时候PID调节器给出较大的开度，使油缸高速、大推（拉）力运行；当偏差较小的时候，P调节停止，只有是I（积分）调节，这时候PID调节器给出较小的开度，使油缸低速、小推（拉）力运行。该程序在偏差不等于零的情况下，积分调节器就一直处于工作状态，这样就能保证实际位置无限靠近参考位置，一直处于动态调整中。 4  实际应用效果及调试注意事项    PLC程序的PID控制在实际应用中起到了非常好的效果，偏差均能保证在1mm之内，动作时间能控制在0.5s。由于P，I调节是分开，当偏差大的时候，P快速调节；偏差小的时间，I进行微调。这样能既能保证运行时间又能保证定位的精度。实际调试中需要注意的几点：    （1）6个三辊抱芯有时候同时动作，所以液体站必须保证稳定的压力，储压器要处于工作状态。    （2）机械部件必须保证良好的润滑，负责摩擦阻力会影响油缸的运动。    （3）液体部件要保证良好的密封，否则对系统的运行也十分不利。    （4）调试中，P（比例系数）的给定，积分系数，积分时间有比较好的配合； 此外PLC的扫描时间以及油缸位移传感器的采样时间要快，否则容易产生超调现象。 5  结束语    该系统已经在衡阳无缝钢管厂，成都无缝钢管厂投入使用。系统运行可靠，定位精度、动作时间均能达到要求，为企业带来了可观的经济效益和良好的社会效益。