80MN快锻压机电气控制设计要求

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1、 80MN快速锻造液压机组电气系统设计要求 刘崇民 张海燕 孙茂 上海兰石重工机械有限公司 201108 摘要:提出80MN快锻压机组电气系统设计要求, 采用带有网络控制功能的可编程控制器(PLC)、工业现场总线控制单元、工业控制计算机(IPC)和工业监控计算机联网组成机组实时控制网络系统是80MN快锻机组电气系统设计最佳选择。 关键词：快锻压机，PLC，IPC，现场总线 ，程序控制 快锻液压机的电控系统是按锻造工艺要求，控制整个机组地组织和指挥中心，是机组设备达到设计性能的根本保证；其中压机锻造尺寸精度控制，操作机行走、旋转步进控制及压机与操作机的联动控制是电气系统的中心任务。 80MN快速

2、锻造液压机组结构庞大、动作复杂、控制对象和监测点多，尤其是精整锻造时压机的工作频次达到120次/分以上,因此只有优秀的电气控制系统才能实现。电气系统配置见图1。 图1 电气系统配置简图兰石重工已生产了110多套快速锻造液压机组，尤其是对德国PAHNKE公司10MN正玄泵控制压机液压，电控系统的整体改造的成功经验，使我们对80MN快速锻造液压机组电控系统地设计具备深厚的技术基础。80MN快锻液压机组电气控制系统要求采用以工业控制计算机(IPC)为主的，通用工业现场控制总线（PROFIBUS-DP）系统结构，分布式控制，由带有网络控制功能的德国SIEMENS可编程控制器(PLC)、工业现场总线控制

3、单元、工业控制计算机(IPC)和工业监控计算机联网组成机组实时控制网络系统。整个控制系统采用模块化控制，即将整个系统分为压机控制系统模块、操作机控制系统模块、操作台控制模块三个模块，通过现场总线实现各模块间的信号传输及控制1主电源控制装置 主电源控制装置为整个电气控制系统提供电源，其中包括AC10kV、AC380V动力电源，三相四线制，AC220V控制电源，DC24V控制电源。 AC10kV、AC380V动力电源开关柜采用下进线，用于整机的动力电源供给和保护，使压机组主控电源与工厂网线及车间电源隔离。 电网实行单独接地，计算机电源浮地，电源系统设置交流稳压电源和电源净化器，降低电源噪声干扰；直

4、流稳压电源要求采用免维护一体化电源。 55kw以上电动机启动方式采用软启动，其余电动机采用直接起动；为避免大电流冲击，要求系统联锁控制各台主泵电动机分别依次启动。AC10kV、AC380V、AC220V动力供电全部集中于泵站电控室，机组中的电气设备、检测、发讯元件和电磁铁线圈均采用DC24V电压。控制电源变压器总容量应留出适当裕量，防止过热或烧毁。1.1电控设备构成 主电源控制设备包括动力柜和控制柜，要求采用封闭式、前后开门框架式结构，1个操作台，若干个总线控制箱和若干个接线盒。电控柜要具有通风或冷却装置，防护等级IP40。辅助泵及交直流控制电源，空开、接触器、热继电器等元件采用法国SCHNE

5、IDER公司产品。1.1.1 AC10kV高压柜要求采用小车式，操动机构为电动并可手动，柜体外壳防护等级不低于IP40。柜内主要电器元件，断路器、隔离开关、接地开关、电压、电流互感器等均选用法国SCHNEIDER公司产品。1.1.2 总电源开关柜，采用下进线，负责对机组主机与辅机的低压电机控制柜提供动力电源和保护，应使压机组的电控系统与工厂电网或车间电源隔开，总开关柜上设有电流表、电压表和电能表。1.1.3 电机柜，提供压机组的低压电机的控制，泵启动的联接继电器。柜上设有电流表、电压表。1.1.4 控制电源柜，提供DC24V稳压电源和部分中间继电器，包括输入、输出接口电源、PLC、IPC内部电

6、源、压力传感器、位移传感器及编码器电源等。2工业计算机（IPC）控制系统 80MN快锻液压机组压机的行程位置、操作机的行走位移、钳头旋转的角度、平移对中这四个参数，除手动方式以外，都必需进行精确控制。由于快锻频次达到120次/分以上，需要采用工业控制计算机来完成压机的半自动、自动和程序工作方式，并对系统的压力、位移、温度等参数进行实时采集，并通过Profibus-DP传输，在显示屏实时显示。 IPC控制系统接收操作台的状态信息，协调压机和操作机的运动关系，并根据接受的命令和数据以及位移传感器的位置反馈信号构成压机位置闭环、操作机大车行走、钳头旋转、平移对中闭环系统进行控制。 2.1 IPC控制

7、系统的人机界面（HMI）可选用台湾研华工业计算机，采用Siemens公司Wincc组态软件，能够实现压机、操作机、锻造机械手的行程、速度、压力参数设定与实时显示，对设备状态进行实时监控，液压系统仿真；显示工艺参数包括钢锭材质、钢锭温度、锻造工艺的设定与显示、查询、记录。 对控制、工艺、生产数据库中的数据进行处理。并通过液晶触摸屏、键盘，可以实现与快锻压机组的对话： -机组各设备的设定和实际数值的显示， -手动与自动模式在线视窗显示， -误信号和报警信息的状态显示 -道次明细表的储存与显示， -扫描道次表进行程序锻造， 2.2 机组中央控制台 机组中央控制台采用人性化设计，一人操作。不锈钢面板的

8、V形控制台应具有优良的可操作性和可视性，操作台分成显示、设定和控制区域。 面板布置分为手动操作手柄、工作方式设定、辅助系统控制开关、急停开关和HMI等几部分，全部元件均要求采用进口件。 中央控制台上可实现：-压机、操作机、锻造机械手实行集中控制操作；-机组的工作制度、工艺制度以及压机、操作机的工作参数、工作状态等均可在触摸屏上方便地设定完成； -锻件尺寸、加压点、回程高度、步进距离、旋转角度等参数的设定值和实际值在显示屏或触摸屏显示； -设定区域可预设、复制压机、操作机、锻造机械手的相关参数； -控制区域可以分别操作主令开关、脚踏开关、按钮控制压机、操作机、锻造机械手等设备。2.3 要求计算机

9、控制系统通过对液压油泵输出压力在25MPa35MPa之间采用功率控制，使压机在输出70%额定能力情况下功率消耗约为稳定消耗的60%，从而达到节能的良好效果。2.4计算机控制系统应采用伺服比例控制概念，使液压系统的流量控制按正弦曲线进行，由计算机控制主泵，比例伺服阀地开关时间和顺序，提高快锻压机对系统快速响应和平稳性的要求。2.5 能通过以太网和用户的局域网相连接，实现生产信息共享和远程诊断功能。3可编程控制（PLC）系统 根据80MN快锻液压机组动作复杂、结构庞大、控制对象和监测点较多、分布范围广且较为分散的特点；要求调整控制策略，结合兰石公司在自动控制方面的成功经验，拟采用SIMATIC_E

10、T200 I/O结构，由带有网络控制功能的可编程控制器、工业现场总线控制单元、工业控制计算机和工业监控计算机联网组成机组实时控制网络系统。3.1 80MN快锻液压机组PLC控制系统需要完成压机及操作机的手动工作方式、各种辅机动作、故障报警与诊断、模拟显示等任务，还要能完成整个网络的管理和协调。 整个机组的PLC系统以德国SIEMENS公司S7-400系列PLC为核心，可编程控制器（PLC）选用德国Siemens SIMATIC S7-416系列产品，该系统CPU程序存储容量大、运算速度快。PLC编程软件采用STEP 7，标准模块化设计，各模块之间可进行任意组合及扩展以满足各种工况要求。并能通过

11、Profbus-DP数据总线实现各模块间的通讯，将中央控制台、主控单元、液压站、操作机及锻造机械手集中控制。3.2 与 PLC相接的各种I/0模块应能够直接同电气元件(伺服比例阀力矩马达,比例阀控制器,电液阀线圈、按钮、接近开关、压力继电器、压力、温度、位置传感器、编码器)等连接，满足压机的位置、速度、压力的可靠控制，主、辅助机构动作的安全联锁。3.3能够通过PLC处理锻造工况过程的所有输入数据和反馈信号(编码器、传感器和限位开关等)，并且实现所要求的手动、自动和联动模式的过程控制。3.4可编程控制系统应用软件采用德国西门子公司的WINCC软件，其独立于工艺技术和行业的基本系统设计，模块化结构

12、以及灵活的扩展方式，非常适合80MN快锻压机的电气控制系统。软件界面具有Windows 风格，完全汉化使用，同时支持用户程序及监控软件的离线开发及调试，在线更改与调试程序也极为方便。3.5 整个PLC应能通过一个开放的标准化现场工业现场控制通讯总线(PR0FIBUSDP)连接各个部件与模块，允许CPU与I/O间进行快速通讯，PLC还需并具备调整和扩展功能。3.6 PLC输入输出系统需留有15 I/O的冗余量以备后用。4工业现场总线系统 80MN整个机组的自动化网络系统应以PROFIBUS DP连接，PROFIBUS DP 从I/O传送信号到控制器只需短至毫秒级的时间，它确保从单元层到现场层的集

13、成通信，作为一个开放的总线系统，它能够实现现场设备连接到控制装置并保证在各个部件之间的一致性通信。 4.1网络模块应采用分布式ET200系列，其I/O基板的多样化，使设计者能依据现场不同的控制对象进行最优化配置，所有模块的参数都可以方便地在STEP 7工具软件中进行配置，方便灵活。ET200模块安装在离传感器和执行元件很近的位置，将节省大量的现场接线，提高整个系统的可靠性，其诊断功能和直观的LED显示，使得现场维护非常简单。4.2开放的标准化现场工业现场控制通讯总线能够连接各个模块，分布式的内部总线允许CPU与I/O间进行快速通讯。4.3通讯总线能实现将上位机系统连接到锻造压机和操作机的PLC

14、系统，进行控制信息的传输、数据交换和生产、工艺管理。5主泵驱动系统主泵驱动系统主要完成压机和辅助系统泵站电机的控制。主泵电机应采用高压电机，逐台直接启动；操作机与辅助系统泵站电机采用软起动方案，起动曲线和时间可依据现场情况设定。其目的减少启动时电流冲击及电网波动，改善启动性能，节省能源，延长电机使用寿命。其它电机容量较小，采用直接起动。要求主泵驱动系统对电气拖动的各类启动、运行实施切实有效地联锁和保护。6.监控系统（模拟显示屏）80MN快锻压机电气控制系统必须设计监控系统，模拟显示屏置于操作室内，它是以液压系统原理图为依据，在模拟屏上显示的控制简图，能够显示所有的电源信号、开关量状态和模拟量幅

15、值，具备声光报警功能。模拟屏的设计可使操作人员在机组运行时进行监控，便于维修人员分析、检查、排除故障，使系统易于维修，如图2所示。 图2 模拟显示屏7检测与监视系统电气控制系统还需设计检测与监视系统，对机组压机行程位移、操作机大车行走、钳杆旋转角度、钳杆平移对中等非电量参数进行检测，并通过各种传感器反馈给控制系统，这些检测元件必须先进可靠。压机活动横梁、移动工作台、砧子横向移动装置、操作机大车行走、钳杆旋转角度、钳杆平移对中采用光电编码器连续检测和自动控制，由PLC采集位置数字量信号；压机活动横梁上下极限位置处须设电器保护开关。在活动横梁与上横梁之间须设置两个绝对值位移传感器，将测得数值的计算

16、平均值作为动梁位置闭环的反馈信号，两个差值反映活动横梁的水平度，在线监测活动横梁的运行倾斜度，用以对压机进行偏载保护。锻件厚度尺寸作为给定参数预先输入到计算机中，其实际值地测量控制通过活动横梁的位移传感器和操作机的行走测量编码器进行检测，误差信号自动送入IPC，当锻件尺寸不符合设定值时，可以立即纠正，并在触摸屏上显示偏差值。检测系统能够对机组的系统油温、液位、所有主泵的压力、主工作缸及回程缸的压力，通过各种传感器测量并反馈给控制系统；由PLC进行控制，并通过串行口与监测计算机通讯，所有参数均能在触摸显示屏上以量化和图形的方式实时动态显示。 在地下室各个角度应装有多个摄像探头，监视系统控制均要设

17、在操作台上，方便机组操作人员动态监视压机泵站，能及时准确反映监视现场的工况，使故障及早发现、及时排除。8程序控制软件 80MN快锻压机电控系统需要新增典型锻件程序锻造工艺软件,采用兰石集团锻热公司给出的锻件拔长的经验公式,转化为坯料的延伸量与压力、压下量、进给量的函数关系代表式，以此为依据开发出程序锻造软件。 在控制上以道次表作为程序锻造的控制方式，一个道次对应一条程序。复杂工艺先分解为几个简单工艺，再将简单锻造工艺分解为若干个道次, 每个锻造道次的锻件实际送进量，压下量，操作机钳杆旋转步进量设定在道次表上。计算机扫描道次表，控制压机、操作机、横向移砧装置等完成自动锻造，锻造过程采用压机优先模

18、式控制机组运行。 锻件发生弯曲后使程序锻造很难再进行下去，因此在压机与操作机联动过程中，必须选择合适的操作机平降速度。 锻件发生弯曲后能够进行人工干预，并能从该道次后重新开始程序锻造。 程序锻造软件还应包含工艺参数数据库，如钢锭材质、始锻温度，终锻温度锻后热处理等。每次新形成的数据均能存储在数据库中，并能对工艺、生产数据进行处理。9电控系统的功能 80MN快锻压机组电气控制系统应能实现以下功能：9.1机组能完成手动、半自动、自动和程序控制方式，实现快锻压机和两台操作机的联动操作；9.2能在中央控制台上实现各种工作方式之间的转换，并且能在自动和程序方式下手动干预；9.3实现电气拖动系统的各种启动

19、、联锁，对电机进行短路、过载、过流保护；9.4对压机、操作机、辅助系统的各种操作进行控制，横向移砧的三个砧位可实现自动快速移砧、准确定位；9.5应具备丰富地显示功能，通过IPC实时动态地显示各种工作状态和检测参数，并可记录打印，方便地调整压机和操作机的各项参数，为调试和维护机组正常运行提供便利；9.6故障信号均有指示和声、光报警功能,发生故障后，由计算机进行分析，直接提示操作者故障点、解决措施，这样操作者直接就可以根据提示进行故障排查。同时在显示器上也有相应的中文说明，使系统具备一定的自诊断功能;9.7可以实时进行锻造参数的设定和快速修改；9.8各类传感元件的参数可在触摸屏上更改，方便用户换型或改型，不影响系统的控制精度；9.9砧型操作方便，锻造过程中更换砧型，系统自动换算锻件尺寸值，无需人工换算；9.10 操作室外合适位置设置高亮度LED大字符屏，实时清楚地显示锻件尺寸；9.11能够记录机组设备各部件的运行时间，方便用户制定备件计划。9.12软件界面应具有Windows 风格，完全汉化使用，同时支持用户程序及监控软件的离线开发及调试，可远程在线更改与调试程序极为方便。9.13电控系统应用软件采兰石重工自主研发的专用锻造视窗控制软件，该软件基于工艺技术和行业的基本系统设计，具有广泛地应用基础。 参考资料 略