河钢宣钢生产制造部 河北省张家口市宣化区 075100
摘要：打捆机又名捆扎机，是钢铁厂现代化连轧生产线上的一种重要的辅助设备，也是精整包装工段自动化包装的核心设备。它制约及影响轧钢生产的效率和质量，以及企业的产品形象和销售。在研究国内外多种打捆机的基础上，提出一种新型全自动棒材打捆机。介绍该打捆机机、电、液子系统的结构和工作原理。该打捆机中，采用基于西门子300系列PLC的模块控制系统，不但保证了打捆的速度和可靠性，而且具有良好的人机交互性；液压系统高效节能，液压元件分布于整机结构的表面，易于装卸检修。
关键词：棒材打捆机；控制系统；研究；应用
1、前言
钢材打捆机是钢铁厂现代化连轧生产线上的棒材、线材成品包装的一种重要的辅助设备。新型全自动棒材液压打捆机（以下简称打捆机）具有结构紧凑、操作方便、可靠性高、成本低、可适应不同辊道的特点。它采用液压驱动，使用8的热轧盘条进行打捆，送丝力不大于3000N，扭结拧转540°～720°，一次打捆时间小于10s。作者将系统地介绍打捆机的机、电、液子系统。
2、打捆机的机械结构及工作过程
作者应用Solidworks软件，对打捆机进行三维实体建模。打捆机的机械结构主要由车体、拧丝机构、抱臂体和防甩箱等构成，用于设备的支撑和最终执行。电气系统包括控制柜、各种检测开关、电缆和可编程控制器等，是设备的控制核心。液压系统则包括泵站、控制阀、液压缸、马达等，是设备的动力源。
打捆机一般可分为送丝系统、抽丝及蓄丝系统、拧丝系统以及与其配合的辅助元部件。其工作过程如下：等待捆扎的钢捆在滚道中运送到位后，打捆机顺序执行以下动作：（1）导丝槽闭合；（2）台车定位后，拧丝缸伸出到指定位置；（3）送丝马达开始送丝；（4）防脱。该动作由液压缸驱动一个杠杆机构，将捆丝末端卡住，以防止捆丝被蓄丝机构抽回；（5）抽丝。将打捆机导丝槽中的捆丝反向抽回，使捆丝抱紧钢捆，同时抽出的捆丝存储在防甩箱中；（6）合钳。将捆丝夹住，防止捆丝松脱；（7）防脱缸复位，抽丝停止；（8）导丝槽打开；（9）拧丝缸执行拧丝操作；（10）松钳，拧丝缸复位；（11）挤平，复位，准备执行下一个打捆命令。此外，打捆机还设有水平及垂直调整机构，以利于打捆机工作位置的调整，使打捆机适应于各种钢捆捆径的打捆包装。
3、液压系统分析
其液压系统工作过程如下：在卸荷状态下启动电机，给溢流阀18通电，使系统压力上升，同时对蓄能器14充油，当系统压力超过压力继电器11设定的最高值时，溢流阀18失电卸荷，这时蓄能器14出油维持系统的工作压力，直到系统压力降到压力继电器13规定的最低工作压力为止。在液压系统的运行过程中，油箱的温度由温度传感器进行监测，并设定了油箱的正常工作温度范围，当油温升高到最高值时，启动冷却系统，油温降低，直到系统温度降到温度传感器规定的最低工作温度为止。此外，液压系统还设有液位、油滤堵、温度等故障报警点，以确保液压系统的长期稳定运行。液压系统图如图1所示。
图1 液压系统原理图
该打捆机的液压系统由多个回路组成，主要是利用蓄能器的辅助供油和设置压力继电器实现了液压系统的高低压运行，以达到降低液压系统发热量的目的。下面是打捆机液压系统的几个关键部分。
3.1液压泵站系统
液压泵站由油箱、泵组、电磁阀组和自循环的冷却/过滤系统组成。它是液压系统的心脏，是其他系统的动力源。液压泵的控制装置为压力和流量控制，工作压力为16MPa。系统工作压力由溢流阀来调节。溢流阀18起安全阀作用，其设定压力约为25MPa，当压力超过此界限时，系统溢流。
3.2打捆机拧丝系统回路
该系统主要是在盘条抽紧后，给拧丝缸提供动力。该回路由液压缸5，可调单向节流阀12以及换向阀5.1、5.2组成，采用并联闭式回路。PLC通过控制三位四通换向阀5.2中油路的变换，来完成打捆拧丝系统的夹紧、扭转、扭转头前进3个动作，系统的工作压力为10MPa。
3.3打捆机行走定位回路
该系统由升降系统和行走系统组成，它使打捆机的机体能够沿45°机架前后运动，使打捆机准确定位，以满足打捆工况的要求。它采用闭式并联回路。升降系统是PLC通过三位四通换向阀控制升降液压缸的伸缩来推动机体。该系统行进到极限位置时，其位置上的行程开关发出信号，系统停止。行走系统是由行走马达提供动力，通过换向阀来操纵液压油，使马达正转、反转。其系统压力同样由溢流阀、液控单向阀控制。
3.4打捆机抱臂系统
该系统是由上抱臂和下抱臂系统组成，因为其主要结构为导丝槽，构成捆丝盘条的路径。当导丝完成时，导丝槽打开，以进行下一动作。该系统同样采用闭式并联回路。其工作过程是由PLC控制三位四通换向阀的电磁阀心控制油路的变换，来控制抱臂体的开合。其油路走向：油箱来的高压油推开单向阀12，经过节流阀、液控单向阀进入抱臂液压缸。
4、电控系统分析
4.1PLC控制硬件设计
以西门子300系列PLC为核心的控制系统包括：PLC控制器及扩展模块、液压控制元件、各种机械执行机构（驱动台车的电动机、各种液压电磁阀、信号指示灯以及报警器等）、触摸屏、各种信号采集检测元件（接近开关、报警器等）。
SIEMENSS7系列PLC具有运行速度快、通用性好、可靠性高等特点，用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修更换模块也很方便，比较适合钢铁厂的作业环境。按照有利于程序设计和安装接线的原则合理分配I/O端点。利用开关量输入点输入操作控制与状态信号，模拟量输入点检测。作者设计的打捆机PLC系统由以下模块构成：
（1）PLC控制器。分析整套打捆流程，进行I/O分配，需要输入点数为43，输出点数为38，PLC型号可选用SIEMENSS7-300，有串行通讯模块和功能扩展模块，使用特殊功能模块或功能扩展模块，可实现模拟量控制、位置控制和联网通讯控制。
（2）其他模块。CPU-314、数字量I/O模块SM323、模拟量输入输出（AI/AO）模块（SM334/SM335）、电源PS307和ET200通讯模块。模块之间通过牢固的总线连接器连接。作为操作员与CPU之间的操作接口，CPU-314模块之间通过RS-485接口，用点－点连接电缆PPI连接。
4.2控制系统抗干扰设计
PLC具有可靠性高、抗干扰能力强等特点。但由于工业现场环境非常恶劣，为了确保PLC系统的运行稳定性和安全性，作者在PLC与液压阀之间加入了中间继电器，通过控制继电器来控制液压阀线圈的通断，从而保证液压系统的运行。而一旦打捆运行发生故障或单机调试时，可以通过中间继电器，把PLC控制切换到手动开关控制，便于故障诊断及排除。
4.3PLC控制系统的软件设计
新型打捆机的PLC控制系统的软件设计包括PLC的程序设计以及和其相关的触摸屏的操作程序设计。
（1）对于PLC的程序设计，作者采用了典型的模块化结构方式进行生产程序设计，其中包括打捆机台车定位程序，送丝轮的抽送丝程序、剪断程序和抱臂体开合等子程序。PLC程序采用梯形图编制，程序包含手动和自动方式切换、自动延时顺序启动和停机、状态监测和故障报警、系统运行（打捆机台车前进、打捆机送丝）等子程序。
（2）对于触摸屏程序设计，则根据打捆机的控制和操作要求，对其操作主界面、打捆信号监控报警界面、液压参数设置界面、液压参数显示界面等进行软件设计。
5、结束语
作为棒材生产线上的集机、电、液于一体的新型打捆包装设备，具有很好的市场前景。而上述改进打捆机试运行良好，包装质量完全符合包装标准。此打捆机丰富了精装包装设备的种类，能够在满足包装技术要求的情况下，实现包装自动化。
参考文献：
［1］沈鑫刚． 全自动钢管打捆机的研究与开发［D］． 杭州：浙江大学，2005．
［2］马纪明，付永领，王亮． S7-200PLC 在全自动打捆包装机器人中的应用［J］． 电气自动化，2004（6）：26．
论文作者:谢晖
论文发表刊物:《防护工程》2018年第19期
论文发表时间:2018/11/1
标签：系统论文; 模块论文; 液压系统论文; 液压论文; 回路论文; 压力论文; 液压缸论文; 《防护工程》2018年第19期论文;