直缝焊管水冲洗设备的电气设计概要

黄国华 刘尚 王晓璐

摘 要本文简述了中冶辽宁德龙钢管有限公司水冲洗设备的电气构成和工艺流程。重点阐述系统电气设计和系统控制编程的要点。

【关键词】水冲洗 恒压供水 一拖二控制 变频器 PLC

1 引言

我厂是大口径直缝钢管生产企业，年产量30万吨ERW直缝钢管。钢管生产中，内毛刺伴随着钢管的产出而出现的。国内直缝钢管企业多采用传统的内毛刺清理---靠人工拉拽。通常连续作业在二十分钟左右拉拽一次，每次大概拉出百余米的内毛刺。我厂投产初期，也采用上述方法，四个月里出现三起内毛刺划伤事故。为解决该问题，设计一套处理内毛刺方案。增加一台斩断机和一套水冲洗设备，斩断机安装在高频焊机后，用来斩断钢管中的内毛刺，使其成10CM长的短毛刺。在钢管下线处安装一个水冲洗设备，用来冲洗管内的内毛刺和杂物。通过两年多的运行证明，效果非常的完好。其中水冲洗设备是自行设计，这里重点论述电气部分。

2 系统的组成及电气控制概要

2.1 硬件配置

系统采用1台西门子S7-216型PLC做为主站和1台S7-214分站、4块西门子EM223I/O扩展模块、1块西门子EM235模块、1台西门子MM430变频器、1台西门子MM440变频器、2个电控气动阀、12个电磁阀、2个压力变送器。

2.2 系统组成

水冲洗设备主要有四部分组成：钢管传送装置、水路系统、油路系统和控制系统。钢管传送装置负责钢管的进出传送，水路系统负责产生高压水流清洗管内杂物，油路系统负责钢管的拦截和升降，控制系统以PLC为核心负责整个设备的运行。供电包括一个PLC柜、两个变频交流柜和一个操作台，供电概况如图1所示。

2.3 电气控制概要

2.3.1 链台电机控制

电机功率为37.5KW。为满足主机线的不同速度，采用变频控制。速度可调、电机行走的步长可调。步长的实现是通过减速机的转轴上安装等弧度叶轮，靠近叶片安装接近传感器，通过PLC编程就可以控制电机移动的位移。这样每接收一个钢管信号，链台移动一定的步长。

2.3.2 冲水小车控制

主要是冲水小车上的高压水枪对准钢管的调节。冲水小车的前进后退电机和上升下降电机的控制，满足了不同管径及不同长度的调节。

2.3.3 起升机构控制

主要是油路的控制，液压系统主要来源于车间平头辊道的液压站。采用无触点继电器控制。起升机构主要由六个相同液压的升降旋转辊组成，由传感器限定起升高度，起升后沿水流方向成一定的角度，有利于冲洗效果。液压马达左右可旋转。

2.3.4 恒压供水控制

为保证恒压供水采用独立的供水系统，水罐的容积3.5立方米，水气混合充有2/3的气和1/3的工业水（或卤化液）。气由厂房集中提供0.5～0.6Mpa，两台水泵的控制是一拖二变频控制。水的杂质多，对泵的选择原则是按介质，扬程，流量选择。根据设计要求，选择7.5KW水泵电机。

3 简述控制流程要点及运行方式

3.1 控制流程

PLC每次接收到下线钢管信息后，驱动链台电机以一定的步长运行。当水冲洗设备满足冲洗条件时，链条台上的钢管被检测到后，由挡料器拦截再由升降旋转辊以一定角度托起钢管，到位后旋转辊转动的同时高压水枪打开，冲洗开始。冲洗的同时挡料器下降，当冲洗结束升降旋转辊下降，链条运走钢管。此时等待下一个循环的开始。程序控制如图2所示。

水冲洗运行的条件是系统的液压站，空压站，恒压供水首先正常运行。

3.2 运行方式

有手动、半自动和自动三种方式。

（1）手动运行用于系统检修或调试时测试系统各部分是否正常。

（2）半自动运行用于对一根钢管的冲洗。当需要冲洗的钢管由链条托运到水冲洗工位，按半自动按扭，系统完成对钢管的一次水冲洗循环。无论手动还是半自动，供水环节1#、2#泵在变频器的控制下分别运行，同时PID控制发挥作用，水罐压力不会超过设定压力。

（3）自动运行用于对大量钢管冲洗需要。当水冲洗满足自动条件下，选择自动运行。各机构在PLC为核心互相连锁，以实现全自动冲洗状态。水罐里的水气始终保持平衡状态，保证连续高压出水。

4 程序设计要点

4.1 冲水时间的设定

可由操作者根据不同的管长（6～18米）选择不同的冲水时间6秒、8秒、10秒、12秒。硬件选择上可用自锁选扭。根据用户需求也可选用西门子tp270触屏，系统有“主界面”、“报警”、“参数设定”等界面。

4.2 恒压供水控制的流程图

如图3，系统的实现是基于西门子PLC.S7-200和变频器共同作用，实现一拖二控制两台水泵的恒压供水。

4.3 通讯

通讯网络是通过两芯屏蔽双绞电缆进行联网的。S7-226型PLC有2组通讯口。一组P0通讯口与S7-224型PLC通讯，采用MODBUS 协议；另一组P1通讯口与两台变频器通讯，采用西门子的USS协议。

4.3.1 PLC主从控制

S7-226为主S7-224为从的主从控制方式。对于MODBUS通讯， 主站侧需要程序庫 "MBUS_CTRL" 和 "MBUS_MSG"， 从站侧需要程序库 "MBUS_INIT" and "MBUS_SLAVE"。

4.3.2 变频器的控制

利用S7-200的USS通讯协议技术实现远地控制，控制变频器的启动，停止，故障报警，故障复位等。不仅节省硬线连接，而且提高变频器的可靠运行。通讯线采用屏蔽交质线，PLC和变频器波特率设置都是19200 kbps ，变频器主要参数设置如表1。

4.3.3 压力信号采集和恒压控制

系统由一只量程为0～1.0Mpa的压力变送器检测水罐的气体压力和一只量程为50Kpa的压差变送器检测水罐液位高度。压力变送器将检测到的气体压力信号转换为4～20mA的电流信号，送到PLC的模拟量模块（EM235），通过PLC内部的PID运算，对高压水罐气体的执行机构进行控制进气或排气。气体控制采用阶跃控制方式。压差变送器将检测到的液位压力信号转换为4～20mA的电流信号，送到PLC的模拟量模块（EM235），把检测到的压力信号作为反馈值与PID运算的压力设定值进行比较，再经过PID运算得到调节后的修正值，通过模拟量输出到变频器的AIN1+，AIN1-（X3/X4引脚），作为变频器的频率控制信号，由于该信号是相对变频器工作频率上限的百分比，所以变频器将输入信号进行内部运算后转为真实工作频率。液位PID闭环反馈控制原理如图4。

4.3.4 变频和工频切换电路的控制

变频和工频切换电路是通过PLC控制接触器，来完成切换。应用变频器一拖二技术，实现了由一台变频器控制两台电机的技术。变频器一拖二供水的编程控制思路：系统运行时，1#泵在PID作用下变频运行，当变频已经达到50Hz，运行10秒后水罐水位反馈信号仍没达到要求，此时通过接触器1#泵由变频供电迅速切换成工频供电，完成由1#泵变频转换工频过程，此时变频器再启动2#泵，当水位达到要求时，1#泵工频停止，2#泵变频低速运行维持水位高度；当水位又低于规定的水位时，2#泵在PID作用下变频达到50Hz，运行10秒后水罐水位反馈信号仍没达到要求，此时通过接触器2#泵由变频供电迅速切换成工频供电，完成由2#泵变频转换工频过程，变频器再启动1#泵，周而复始。

注意事項：系统中水泵电机的变频到工频切换时，为防止变频器缺载产生报警错误，采取先停变频再切换，后再启动变频的过程。为了系统的快速响应，切换时间越短越好。本系统要求切换时间差0.5秒，所以各个泵的变频接触器与工频接触器应选择互锁接触器，电气线路与PLC程序中也有互锁功能，以免发生意外短路事故，也防止系统反向送电造成变频器烧毁。

5 结束语

利用一拖二变频技术，较好的解决了恒压供水。使水冲洗设备独立的运行，实现了对钢管自动化的冲洗。现场卫生环境也得到改善。内毛刺得到集中的回收，避免了内毛刺带来的危害。冲水时间的优化选择，也一定程度减少了设备运行的时间。水冲洗设备经过一段时间的运行证明，完全符合生产要求，系统运行稳定可靠，实现了无人值守的全自动冲洗，有推广的价值。

参考文献

[1]西门子（中国）有限公司自动化与控制集团.MICROMASTER 430通用型变频器使用大全130-J902845-02063.

[2]胡敏等.深入浅出西门子S7-200 PLC（第2版）[M].北京航空航天大学出版社出版发行，2005.

[3]黄国华，薛俊.压差式恒压智能水冲洗设备 专利号ZL020100200524200.4.

作者单位

中冶辽宁德龙钢管有限公司 辽宁省鞍山市 114031