西门子S7-200 PLC在焊缝滚压设备中的应用*

李天真，童嘉阳，慎建民

(1.湖州职业技术学院，浙江 湖州 313000;2.诺丁汉大学，英国 诺丁汉 ng72rd;3.久立集团股份有限公司，浙江 湖州 313000)

不锈钢焊管在材质和力学性能方面都要优于不锈钢无缝管，但不锈钢焊管内、外焊缝余高，特别是内焊缝余高的去除问题一直困扰着不锈钢焊管生产企业。根据ASTM-A249标准须对整管或仅对焊缝进行余高去除处理，虽然有内置刮刀或内磨装置等去除办法，但实际使用效果并不理想，特别是对一些薄壁管，去除效果更是无法达到企业的产品质量控制要求［1-2］，而在化工或电站换热器用焊管的生产过程中，需对管子端部进行胀管，如果胀管过程中内焊缝有余高过大就无法进行。现在焊缝冷轧处理已成为美国焊管制造商的标准生产方式。

本公司拥有10多条生产大型电站、锅炉换热器用焊管的自动化生产线，其中三条配备进口的焊缝滚压设备，对管材的纵向焊缝进行处理，但其调试困难，故障率高，维修难;而其它的生产线尚无配置此类设备。因此，为满足生产需要，利用西门子S7-200 PLC和EasyView触摸屏为主要控制核心研发适合本公司生产线的焊缝滚压设备便成为当务之急。

1 焊缝滚压设备简介

焊缝滚压设备主要由轧辊、内芯棒、液压气动系统、电液气控制系统和内外焊缝整平机架等组成。其中，滚压辊组成如图1所示，在机架前装有一对导向辊用于焊缝纠偏，保证焊接后的焊缝位于正上方。水平辊安装于往复运动的机架上，其上有一对上下方式安装的轧辊，下轧辊固定，上轧辊由液压缸拖动可作上下运动。立辊装于下机架上，位于水平辊后面，用于管子复圆。

图1 滚压辊组成简图

在管子中间有一个芯棒，利用气缸通过钢丝绳牵引可以将它往回拉，通过轧制小车的水平往复运动和上轧辊的上下动作，从而完成对焊缝的冷轧处理。

2 焊缝滚压处理工作流程

带有内、外焊缝余高的不锈钢焊管经过导向辊纠偏后，使焊缝位于正上方;再经由水平辊滚压后，内、外焊缝余高被去除，焊管截面成为一个椭圆，而芯棒在焊管内被卡住跟随焊管前行，经后面的立辊挤压后，变成正圆，芯棒与管子分离并在机架返回时被气缸拉回到适当位置，进行下一个循环［3］。其工作过程如图2所示。

图2 焊缝滚压工作过程流程框图

根据生产工艺的要求，在整个机架向前运动的行程内，要求其中的一段作为有效的滚压行程［4］，滚压行程可根据滚压效果调节，也就是图2中下压点和提辊点之间的行程;滚压速度能够根据不同的焊接速度进行调节;在滚压行程的头尾，均有加速、减速的过程，且其加速度大小可分别进行调节。在滚压行程结束后，滚压机架回到起始点，在回程的头尾，也有加、减速的过程，并且其加速度大小也可分别进行调节。机架运动速度曲线如图3所示。

图3 机架运动速度曲线

图中:轧制加、减速度是根据触摸屏设置的加、减速时间值(由设置的死区值加速至滚压速度或减速至比例阀阈值A)进行计算得到;同理，回程加速和回程减速也可用同样方法得到。传感器1、传感器2和传感器3的位置可以在一定的范围内调整，以期得到最佳的滚压效果。

针对电磁阀的特性，设置两个阈值，如图3中阈值A和阈值B，其大小可根据不同的电磁阀分别设置，在电磁阀换向时，加速过程从正向阈值开始，减速过程在反向阈值结束［5］，以期得到电磁阀的快速响应，克服电磁阀的死区。

3 PLC控制系统设计

3.1 系统总体结构

采用西门子S7-200CPU+EM235模拟量输入输出模块和EasyView触摸屏为控制核心设计焊缝滚压设备的PLC控制系统。

S7－200CPU有二组通讯口Port0和Port1，Port0口作为与计算机的通讯口，编程和维护用，Port1口作为与人机界面的通讯口，同时其自带的开关量I/O输入输出点正好满足系统要求，不需要增加数字量扩展模块。

EM235模拟量输入输出模块共有四组模拟量输入和一组模拟量输出。根据操作者的习惯，用两个10kΩ线性电位器作为轧制速度和回程速度设定值的模拟量输入，分别用来设置轧制速度和回程速度，并能够在HMI界面中显示;模拟量输出作为液压比例阀控制放大器的输入，控制机架的运行速度。

用欧姆龙接近开关作行程头尾和轧制有效行程的传感器，其位置可在一定范围内调整。

EsayView的触摸屏内置有与S7－200PLC的通讯驱动程序，因此，可以很方便地实现人机界面与PLC的通讯。人机界面用EasyBuilder500组态，在其上面设置各个加减速时间、电磁比例阀控制死区值等参数、各个信号的状态显示、报警信息等。在用EasyBuilder500组态时，只要将所需数据一一对应即可。在组态时特别要注意数据格式的一致性，在数据通讯时，小数点需在PLC程序中处理。PLC与人机界面的通讯线可采用普通网线或普通4芯屏蔽线。

图4 控制系统硬件框图

其电气硬件系统框图如图4所示。其中:PLC模拟量输出-10V－+10V电压信号给一个电磁阀比例放大器，利用该放大器驱动一个比例换向电磁阀，而电磁阀控制液压缸拖动轧制小车作水平往复运动，其速度可由设定电位器(10kΩ线性电位器)调节，在换向时设置一定的初始加、减速度。

3.2 PLC 算法实现

3.2.1 PLC的输入输出变量 EM235模拟量输入输出模块有4路模拟量输入和1路模拟量输出。在西门子S7-200PLC中，单极性模拟量输入/输出的数据格式为0-32000，精度为12位;双极性模拟量输入/输出数据格式为－32000－+32000(电压输出)，精度为11位［6］，能够满足焊缝滚压设备的速度设定和运行速度控制输出的精度要求。相应的模拟量输入/输出分配如表1所示。

表1 滚压速度设定和控制输出模拟量分配表

3.2.2 程序结构 S7-200PLC主程序主要完成系统上电初始化、系统自检、触摸屏通讯参数初始化、参数计算等主要功能。当系统检测到中断信号时分别相应的中断子程序，包括:轧制加速中断程序、轧制减速中断程序、回程加速中断程序和回程减速中断程序，完成计算轧制加速、轧制减速、回程加速和回程减速的步进量计算。主程序流程图如图5所示:

图5 主程序流程框图

4 PLC输出控制时序图

根据焊缝滚压设备的工作流程，利用示波器测量控制系统逻辑控制输出、模拟量输出值与图6是完全一致的。

①轧辊下压阀在轧制速度加速到设定值时启动，检测到传感器2信号时关闭;

②轧辊抬升阀在下压阀结束后开始启动，定时一定时间后关闭;

③芯棒拉出阀在上升阀关闭后启动，在回程结束后关闭。

此时序图为正常启动时的波形图，即轧制小车停在原点位，如不在原点位置，小车在启动后将自动寻找原点或手动将小车停在原点后转为自动控制。

图6 PLC控制输出时序图

5结语

该控制系统充分发挥了S7-200的优异性能，系统结构简单紧凑，运行可靠稳定，操作维护简单方便，且造价低廉。在生产线上运用后，取得了良好的效果，目前已制作了10台套，其中一台用于进口辊轧设备的改造，完全能够满足生产工艺要求，节省了设备的购买成本，取得了良好的经济效益。更为重要的是，由于是自己设计的控制系统，在使用上更能适合本公司的生产工艺，在以后的维护上也更为方便。

［1］李 军，杨建国，翁路露，等.用旋转挤压方法控制薄板的焊接变形［J］.焊接学报，2008，29(11):25-28.

［2］安存喜，胡兆吉.冷加工封头的焊缝余高打磨及焊缝厚度控制［J］.化工装备技术，2001(2):25-27.

［3］李记科，高建忠，张永红，等.用挤厚-刮平法优化ERW钢管焊缝部位轮廓形状［J］.焊管，2007，30(1):70-71.

［4］刘世泽.埋弧焊钢管焊缝余高的控制［J］.钢管，2006，35(3):24-26.

［5］陈其卫，张世平，路新英.螺旋焊管管端焊缝自动磨削机［J］.焊管，2005(9):72-73.

［6］SiemensAG.SIMATICS7-200可编程序控制器系统手册［Z］.2008:8.