1 引言
某大修廠千噸封頭拉深水壓機主要用于中厚板、薄板封頭熱拉深生產。原控制系統以繼電器為主控元件，故障率高，維護維修困難,不能實現工藝所必需的壓力和流量控制，不能進行點動、手動及半自動操作。鑒于原水壓動力系統元部件無廠家生產，將系統傳動介質改為液壓油，改水壓機為液壓機，并綜合應用PLC控制與比例閥、變量泵技術于千噸水壓機控制系統改造中，實現無級調定壓力和流量。通過互鎖控制及三地操作，保證了設備安全和操作的方便性。
2 工藝原理分析
在受到液壓機原有本體設備格局的束縛、無法對整體框架進行改造的情況下，將壓機本體改造為三梁四柱式結構。執行機構包括主缸、提升缸、頂出缸和大小壓邊缸。其中，小壓邊缸置于活動橫梁內，用于壓制小于Φ1000mm封頭;大壓邊缸固定于活動橫梁前后兩側，用于壓制大于Φ1000mm封頭。改造后的壓機拉深封頭的一次工作循環為:動梁上行→上料→壓邊圈快速下行→主缸充液(快速行程)→主缸加壓(工作行程)→動深回程→懸空停止。電磁鐵動作表如表1所示。
表1 電磁鐵動作表
3 PLC電控系統設計
3.1 硬件設計與軟件實現
系統中所用的斷路器、
接觸器、熱繼電器、轉換開關、按鈕、指示燈等控制元件均選用可靠性高、電氣壽命長的IEC標準優質產品。泵站、壓機、高位油箱上的配線,采用包塑金屬軟管,并配有軟管接頭，打有管夾,可防止線纜拔脫和線纜的機械損傷。壓力傳感器選用電流輸出形式，壓力傳感器至控制臺數字面板表的信號傳輸采用屏蔽信號電纜，克服了信號傳輸過程中的衰減和干擾，保證面板表顯示數據的準確性。
PLC選用西門子公司的模板式可編程控制器，主要模板包括:一塊CPU941模板，三塊32點輸入模板(430)，一塊16/16點輸入/輸出模板(482)，一塊32點輸出模板(451)，兩塊16點輸出模板(454)。I/O總點數112/80點，實際使用96/74點,留約10%的裕量，以備功能修改時點數擴展。用戶程序模塊選用EEPROM(375)，容量為8K，實際程序量約為6K字節。各輸入輸出模板的編址見表2所示：
表2 各輸入輸出模板的編址
壓機改造后屬萬能壓機類。除壓制封頭時，主缸總有一個“保壓后卸載”的工藝過程。若卸載過程處理不好，則主缸換向必定產生強烈振動和噪聲。傳統的方法是采用溢流閥卸荷，難以實現卸荷壓力從0-32MPa間的任意變化，所以卸荷的效果欠佳。而采用比例溢流閥則能滿足卸荷壓力在0-32MPa間的任意控制和調節，再加上PLC控制后,其卸荷功能會更好。比例電磁鐵接線如圖1所示。
圖1 比例電磁鐵接線圖
應用軟件采用模塊化結構，其中的組織塊(OB)和程序塊(PB)及其控制功能如表3所示。
表3 模塊及控制功能
3.2 三地操作
(1) 本地操作臺即主操作臺，對所有電動機進行遠程啟停操作;加熱器加熱、停止控制;所有工藝過程進行遠程自動操作控制(如主缸、提升缸升降,頂出缸頂出、縮回，大小壓邊缸升降,壓制大小封頭的工進等);對設備的運行狀態進行集中指示(電動機的運行、停止,各缸的進、退,泵的工作、卸荷等)，使設備整體運行狀況一目了然;對系統的故障(橫梁超上下限，液壓系統超壓、超高低液位、超高低溫等)進行集中聲光報警;對主壓力、大小壓邊力、系統壓力進行數字顯示;對主壓力、大小壓邊力進行遠程手動調定;對數字面板表進行定度等。
(2) 機旁操作箱，對主缸、提升缸、大小壓邊缸、頂出缸的升降，對大小封頭工進進行集中點動操作控制，方便生產過程的上料和卸料。
(3) 遠地操作臺即液壓站旁操作箱，對主泵、循環泵、加熱器進行本地啟停操作控制，本地、遠程控制切換，泵的卸荷控制等，方便調試及維修。
4 PLC可靠性保護措施
系統采用多種措施,以保護PLC及其輸出點。如每一模板都設一單極自動開關(2A/3A/5A)進行短路保護;當輸出點需驅動交流接觸器線圈時，經直流
中間繼電器轉換，且接觸器線圈兩端并聯阻容吸收塊。454模板單點最大輸出電流為2A(24VDC),可直接驅動閥用電磁鐵(DC24V/1A)，考慮到輸出點的保護，電磁鐵線圈并接吸收二極管，且串聯2A熔斷管。
4.1 電動機組保護
三臺160SCY14-1B型高壓變量柱塞泵，加之閥臺控制，可以實現對流量的無級調節。三泵兩用一備進行冗余，由三臺75kW電動機驅動，并采用卸荷啟動、卸荷停止方式，啟動負載較輕。同時三臺電動機采用自動Y-△降壓啟動方式，一方面提高了泵和電動機的使用壽命，另一方面可減少對電網的沖擊。電動機組、液壓站及站旁操作臺如圖2所示。
圖2 電動機組、液壓站及站旁操作臺
4.2 機械設備的保護
活動橫梁上、下各設兩極限位,即上極限位、工作上限位、工作下限位、下極限位。每一極限位采用兩個行程開關，進行冗余，分別安裝在相對的兩立柱上。當活動橫梁行進到工作上限位或工作下限位時，就有液壓閥回中位，聲光報警。若因液壓閥卡死而造成活動橫梁行進到工作上位或工作下位時不能停止，活動橫梁繼續上行或下行到達上極限位或下極限位時，停泵保護。加之系統中設置了壓力繼電器的保護措施，提高了設備運行的安全性，可避免設備事故的發生。壓制過程如圖3所示：
圖3 液壓機壓制過程
系統設有指示燈故障測試和運行狀態報警控制，并采用嚴格的電氣聯鎖，加之采用了多種編程技巧及三地點操作優先級管理程序組織塊保證即使是誤操作也不會發生任何意外事故。
5 結束語
改造后壓機可實現液流方向、流量及壓力的就地、遠程控制，實現了點動調模、手動和半自動操作。使該電控系統具有較高的先進性和自動化程度，運行安全可靠，操作簡單方便，維護維修性好。自改造后，設備一直運行良好。
本文摘自《PLC&FA》
