楊鵬，張杰，李麗，劉杰，周文浩，劉衛(wèi)華(.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西西安7003;.山東壽光巨能特鋼有限公司，山東濰坊67)

冷軋管機(jī)連續(xù)軋制管縫位置檢測(cè)控制系統(tǒng)

楊鵬1，張杰1，李麗1，劉杰1，周文浩1，劉衛(wèi)華2
(1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西西安710032;2.山東壽光巨能特鋼有限公司，山東濰坊262711)

冷軋管機(jī)的管縫檢測(cè)問(wèn)題一直制約著高速冷軋管機(jī)的發(fā)展，高速生產(chǎn)的冷軋管機(jī)由于無(wú)法及時(shí)觀察管縫位置的變化，會(huì)造成諸多生產(chǎn)事故。利用現(xiàn)有的檢測(cè)設(shè)備，搭建合適的控制系統(tǒng)框架，并且研究相對(duì)應(yīng)的工藝算法編寫合適的的程序，將已有的距離問(wèn)題轉(zhuǎn)化成軋制次數(shù)問(wèn)題，并通過(guò)該控制系統(tǒng)自動(dòng)完成各個(gè)生產(chǎn)流程的工藝動(dòng)作，避免了人為操作的失誤。

管縫檢測(cè)控制系統(tǒng);工藝算法;軋制次數(shù)

0　前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，近年來(lái)在核電、熱電、化肥、化工、化纖、醫(yī)藥衛(wèi)生、食品、石油鉆探、軸承制造業(yè)、煤炭開采、航天航空和軍事工業(yè)等領(lǐng)域需求大量的冷軋無(wú)縫鋼管，同時(shí)，我國(guó)每年也要向國(guó)外出口大量的鋼管。因此，市場(chǎng)大量需求高速全自動(dòng)冷軋管機(jī)。在高速冷軋管機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)前后兩根管材的管縫進(jìn)入主機(jī)座時(shí)，因?yàn)檐堉扑俣容^快，操作工人無(wú)法及時(shí)觀察管縫的具體位置。由于管縫位置的不確定性，操作工人也無(wú)法相應(yīng)的做到對(duì)軋機(jī)各部件的協(xié)調(diào)動(dòng)作，容易造成以下故障:1)入口卡盤未及時(shí)打開，管端撞壞入口卡盤;2)出口卡盤未及時(shí)打開，管端撞壞出口卡盤，并造成芯棒孔型損壞，軋機(jī)悶車;3)快速拉出裝置未及時(shí)工作，導(dǎo)致兩只管材相叉或同時(shí)擠在出口卡盤的空心軸內(nèi)，無(wú)法取出;4)管縫進(jìn)入軋制區(qū)時(shí)，主機(jī)未及時(shí)降速，導(dǎo)致前后兩管相叉，造成生產(chǎn)事故。

冷軋管機(jī)正朝著連續(xù)高速的軋制方向發(fā)展，設(shè)備自動(dòng)化程度越來(lái)越高，在軋制過(guò)程中，根據(jù)前后兩管接縫(以下簡(jiǎn)稱管縫)實(shí)時(shí)的位置，軋機(jī)各部件動(dòng)作要相應(yīng)自動(dòng)調(diào)整，以滿足生產(chǎn)要求，其中當(dāng)管縫進(jìn)入口卡盤時(shí)要將入口卡盤卡爪打開，以免管端頂?shù)娇ㄗ?管縫進(jìn)入軋制區(qū)時(shí)要求降速軋制，以免造成前后兩管相插。前一根子管子軋制完后，要將出口卡盤卡爪打開，管子由快拉裝置自動(dòng)快速拉出，防止前后兩管相插或同時(shí)擠在出口卡盤的空心軸內(nèi)無(wú)法取出，造成生產(chǎn)事故。當(dāng)前一根管子完全拉出后，后一根管子進(jìn)入出口卡盤當(dāng)中時(shí)，出口卡盤關(guān)閉，主機(jī)升至正常軋制速度。以往的低速不連續(xù)上料軋機(jī)，這些過(guò)程全由人工操作完成，而高速軋制的全自動(dòng)連續(xù)上料軋管機(jī)生產(chǎn)速度較快，每分鐘擺動(dòng)次數(shù)近200次，依靠人工觀察十分困難，管縫位置的不確定會(huì)帶來(lái)諸多生產(chǎn)事故，產(chǎn)品的質(zhì)量也無(wú)法得到的保證，同時(shí)也無(wú)法高效的實(shí)現(xiàn)冷軋管機(jī)的連續(xù)全自動(dòng)化生產(chǎn)。本文的實(shí)際意義在于提供一種新型的檢測(cè)方法，解決現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題。

1　管縫檢測(cè)控制系統(tǒng)的硬件組成

管縫檢測(cè)控制系統(tǒng)的硬件包括PLC控制器、人機(jī)界面HMI、主電機(jī)調(diào)速裝置、電磁閥繼電器、出入口卡盤液壓裝置、渦流環(huán)形管縫檢測(cè)儀器、送進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置和主機(jī)編碼器。如圖1所示，其中，PLC控制器分別通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接人機(jī)界面HMI、通過(guò)控制電纜與渦流環(huán)形管縫檢測(cè)儀器相連，通過(guò)SECROS光纖與送進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置相連，通過(guò)Profibus網(wǎng)同主電機(jī)調(diào)速裝置相連，PLC的輸出模塊通過(guò)控制電磁閥繼電器連接出入口卡盤液壓裝置，送進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置輸入端通過(guò)特殊電纜與主軸編碼器相連。

圖1　管縫檢測(cè)系統(tǒng)硬件配置圖Fig.1Thehardwareconfigurationofseamdetection diagram

各硬件之間均由主PLC來(lái)協(xié)調(diào)控制，分別完成各程序段的動(dòng)作輸出。

2　管縫檢測(cè)控制系統(tǒng)的檢測(cè)步驟

圖2為軋管機(jī)主機(jī)座與管縫檢測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。該冷軋管機(jī)管縫檢測(cè)控制方法，包含如下步驟:

圖2　主機(jī)座與管縫檢測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2Themillstandandtheseamdetectionsystem schematicdiagram

(1)通過(guò)人機(jī)界面HMI輸入測(cè)量好的渦流環(huán)形管縫檢測(cè)儀器1與入口卡盤卡爪前端的距離L1、入口卡盤卡爪前端與卡爪末端的距離L2、入口卡盤卡爪末端與主機(jī)座內(nèi)軋制區(qū)內(nèi)軋制第一點(diǎn)的距離L3、軋制區(qū)內(nèi)軋制第一點(diǎn)到芯棒上軋制完成點(diǎn)的距離L4、軋制完成點(diǎn)到出口卡盤卡爪末端的距離;

(2)通過(guò)輸入PLC內(nèi)的程序計(jì)算得出管縫分別走完渦流環(huán)形管縫檢測(cè)儀器與入口卡盤卡爪前端的距離L1、入口卡盤卡爪前端與卡爪末端的距離L2、入口卡盤卡爪末端與主機(jī)座內(nèi)軋制區(qū)內(nèi)軋制第一點(diǎn)的距離L3、軋制區(qū)內(nèi)軋制第一點(diǎn)到芯棒上軋制完成點(diǎn)的距離L4、軋制完成點(diǎn)到出口卡盤卡爪末端的距離的不同軋制次數(shù);

(3)當(dāng)管縫到達(dá)渦流環(huán)形管縫檢測(cè)儀器與入口卡盤卡爪前端的距離L2時(shí)，程序自動(dòng)輸出，通過(guò)PLC控制器的輸出端接通電磁閥繼電器和出入口卡盤液壓裝置，打開入口卡盤;

(4)當(dāng)管縫到入口卡盤卡爪前端與卡爪末端的距離達(dá)L3時(shí)，程序自動(dòng)輸出，通過(guò)PLC控制器的輸出端接通電磁閥繼電器和出入口卡盤液壓裝置，關(guān)閉入口卡盤;

(5)當(dāng)管縫到達(dá)入口卡盤卡爪末端與主機(jī)座內(nèi)軋制區(qū)內(nèi)軋制第一點(diǎn)的距離L3時(shí)，程序自動(dòng)輸出，PLC控制器通過(guò)主電機(jī)調(diào)速裝置將主機(jī)速度降至原有速度的80%，主機(jī)降速反應(yīng)給主機(jī)編碼器，同時(shí)通過(guò)送進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置降低送進(jìn)電機(jī)送進(jìn)頻率。

(6)當(dāng)管縫到達(dá)軋制區(qū)內(nèi)軋制第一點(diǎn)到芯棒上軋制完成點(diǎn)的距離L4時(shí)，程序自動(dòng)輸出，通過(guò)PLC控制器的輸出端接通出口卡盤打開電磁閥繼電器、打開出口卡盤。檢測(cè)到出口卡盤打開后，快速拉出輥道電機(jī)工作，將軋制好的前一根管材快速?gòu)男景羯侠?

(7)當(dāng)管縫到達(dá)軋制完成點(diǎn)至出口卡盤卡爪末端的距離L5時(shí)，程序自動(dòng)輸出，通過(guò)PLC控制器的輸出端接通出口卡盤，關(guān)閉電磁閥繼電器，關(guān)閉出口卡盤。PLC控制器通過(guò)主電機(jī)調(diào)速裝置將主機(jī)升速至正常工作速度，主機(jī)升速后反應(yīng)給主機(jī)編碼器，同時(shí)提高送進(jìn)電機(jī)送進(jìn)頻率，程序恢復(fù)至原有的工作狀態(tài)。

3　管縫檢測(cè)方法中的軋制次數(shù)的計(jì)算

根據(jù)步驟(2)的敘述，程序需要提前編好，編寫程序的首要前提就是要有一個(gè)合適的計(jì)算方法。該文的核心也正是選擇合適的計(jì)算方法。

軋機(jī)空車運(yùn)轉(zhuǎn)，無(wú)送進(jìn)時(shí)，管縫保持不動(dòng);管縫未進(jìn)軋制變形區(qū)時(shí)，在送進(jìn)接通后，管縫會(huì)以設(shè)定好的送進(jìn)量向出料方向移動(dòng);當(dāng)管縫進(jìn)入軋制區(qū)時(shí)，管縫會(huì)以比設(shè)定的的送進(jìn)量還快的速度向出料移動(dòng)。軋制工藝規(guī)格、送進(jìn)量、管子尺寸偏差均會(huì)影響到管縫的移動(dòng)速度，為了準(zhǔn)確的確定管縫的位置，將已有的長(zhǎng)度和軋制速度的問(wèn)題轉(zhuǎn)換成求解一段區(qū)間內(nèi)的軋制次數(shù)，由此本文計(jì)算原理:管子軋制前和軋制后管子的總體積保持不變。

圖3為變形段送進(jìn)示意圖(序號(hào)4、7與圖2序號(hào)一致)，根據(jù)圖3設(shè)定變量。

圖3　變形段送進(jìn)示意圖Fig.3 Deformation to the schematic diagram

(1)L1和L2內(nèi)軋制次數(shù)計(jì)算。管坯在L1和L2內(nèi)送進(jìn)時(shí)管坯無(wú)變形發(fā)生，因此可以推算出該段內(nèi)的軋制次數(shù)就是的長(zhǎng)度除以送進(jìn)量和段的長(zhǎng)度除以送進(jìn)量。

管縫在渦流環(huán)形管縫檢測(cè)儀器與入口卡盤卡爪前端的距離內(nèi)的軋制次數(shù)n1為:

管縫在入口卡盤卡爪前端與卡爪末端的距離L2內(nèi)的軋制次數(shù)n2為

(2)L3內(nèi)軋制次數(shù)計(jì)算。管坯在L3內(nèi)發(fā)生變形，根據(jù)金屬變形后體積不變的原理，發(fā)生變形的管坯與送進(jìn)的管坯總量應(yīng)該體積相同。根據(jù)圖3所示，發(fā)生變形前的管坯是一個(gè)空心圓臺(tái)，定義送進(jìn)一次后的空心圓臺(tái)體積為Va，由圖3推出公式

管坯進(jìn)入軋制區(qū)后經(jīng)過(guò)變形可以等效為一個(gè)空心平截圓錐體，定義該區(qū)域內(nèi)的空心平截圓錐體體積為Vb，其體積為:

根據(jù)金屬變形后體積不變的原則，L3變形區(qū)的送進(jìn)次數(shù)n3應(yīng)該為變形區(qū)的管材總體積除以每次送進(jìn)的體積，即:

(3)L4和L5內(nèi)軋制次數(shù)的計(jì)算。當(dāng)管材進(jìn)入L4時(shí)金屬變形已經(jīng)完成，將軋制變形后的延伸系數(shù)定義為λ。延伸系數(shù)就是管坯橫截面積與成品管橫截面積的比值。通過(guò)工藝參數(shù)的已知量，管坯外徑D0，管坯壁厚t0，成品管外徑D1，成品管壁厚t1，可以計(jì)算出λ，即

軋制完成后發(fā)生金屬變形后的實(shí)際長(zhǎng)度應(yīng)該是原有長(zhǎng)度的λ倍。在L4和L5段內(nèi)管坯已經(jīng)徹底完成變形，實(shí)際送進(jìn)量變長(zhǎng)，設(shè)該實(shí)際送進(jìn)量為S1，即

由此可以計(jì)算出管縫在軋制區(qū)內(nèi)軋制第一點(diǎn)到芯棒上軋制完成點(diǎn)的距離L4內(nèi)的軋制次數(shù)n4:

管縫在軋制完成點(diǎn)到出口卡盤卡爪末端的距離L5內(nèi)的軋制次數(shù)n5為:

4　管縫檢測(cè)程序的編寫

根據(jù)前述的結(jié)果，結(jié)合已有的各種檢測(cè)設(shè)備來(lái)編寫相應(yīng)的程序，控制系統(tǒng)的流程圖如圖4所示，當(dāng)渦流檢測(cè)裝置檢測(cè)到管縫進(jìn)入時(shí)，該裝置向PLC發(fā)出信號(hào)，PLC調(diào)用已經(jīng)編寫好的管縫檢測(cè)程序。

首先記錄渦流環(huán)形管縫檢測(cè)儀器與入口卡盤卡爪前端的距離L1內(nèi)的軋制次數(shù)。我們通過(guò)安裝在曲軸箱側(cè)的編碼器可以反應(yīng)出實(shí)時(shí)的軋制角度，由于軋管機(jī)是一個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的工作狀態(tài)，可以通過(guò)一個(gè)減速箱將往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為一個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)。編碼器可以通過(guò)反應(yīng)圓周運(yùn)動(dòng)來(lái)得知軋管機(jī)主機(jī)架位置，圓周運(yùn)動(dòng)當(dāng)中的每一點(diǎn)或者每一個(gè)范圍都是不同的，因此只需要記錄任一角度范圍走過(guò)的次數(shù)，即可得到相應(yīng)的軋制次數(shù)。通過(guò)PLC的數(shù)值比較模塊以及計(jì)數(shù)器模塊就可以完成該任務(wù)。當(dāng)編碼器通過(guò)設(shè)定好的角度范圍時(shí)接通一個(gè)中間變量，同時(shí)讓該中間變量為計(jì)數(shù)器模塊CU1的輸入端，同時(shí)將計(jì)算值轉(zhuǎn)為該計(jì)數(shù)器的數(shù)值預(yù)置量。當(dāng)軋制次數(shù)到達(dá)n1時(shí)，計(jì)數(shù)器模塊輸出一個(gè)中間變量。通過(guò)該中間變量打開入口卡盤，同時(shí)接通L2區(qū)域內(nèi)的計(jì)數(shù)器CU2的輸入端。根據(jù)L1的控制過(guò)程類推后續(xù)各段的過(guò)程，當(dāng)軋制次數(shù)依次達(dá)到相應(yīng)的軋制次數(shù)n2，n3，n4，n5時(shí)，計(jì)數(shù)器模塊CU2，CU3，CU4，CU5分別輸出一個(gè)中間變量，這些中間變量相應(yīng)的接通各自流程內(nèi)的動(dòng)作。到達(dá)n2時(shí)關(guān)閉入口卡盤，到達(dá)n3時(shí)主機(jī)減速(根據(jù)工藝要求的速度)，到達(dá)n4時(shí)打開出口卡盤，同時(shí)快拉裝置啟動(dòng)將軋制好的鋼管迅速拉出，到達(dá)n5時(shí)關(guān)閉出口卡盤，同時(shí)主機(jī)升速至正常軋制速度。

圖4　控制系統(tǒng)流程圖Fig.4 Flow chart of control system diagram

5　結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)管縫檢測(cè)問(wèn)題的研究，找到了一種合適的算法，通過(guò)程序的編寫和控制系統(tǒng)硬件的搭配實(shí)現(xiàn)了管縫檢測(cè)的自動(dòng)化控制，將以往的人工控制改成了全自動(dòng)控制，提高了設(shè)備的安全性，對(duì)高速生產(chǎn)的設(shè)備有非常重要的意義。該方法已經(jīng)成功應(yīng)用于中國(guó)重型機(jī)械研究院生產(chǎn)的LG15、LG25、LG40、LG60等型號(hào)的高速冷軋管機(jī)上，并達(dá)到了預(yù)期效果。本研究項(xiàng)目獲得專利:ZL2013 2 0411158.9。

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Control system of cold pilger m ill seam detection

YANG Peng1，ZHANG Jie1，LILi1，LIU Jie1，ZHOUWen-hao1，LIUWei-hua2
(1.China National Heavy Machinery Research Institute Co．，Ltd．，Xi'an 710032，China; 2.Shandong Shouguang Juneng Special Steel Co．，Ltd．，Weifang 262711，China)

The problems of cold pilgermill seam detection always restrict the development of high-speed cold pilger mill，the lack of timely observation tube seam change of location uncertainty would cause lots of accidents．Under the present circumstances，a suitable control framework system is set up to study the corresponding process algorithm with writing appropriate programs，which lead the existing distance issue to a stroke time question．This controlling process could act flow action automatically，which avoid the error of artificial operation

system of seam detection;algorithm;stroke times

TG333

A

1001－196X(2015)02－0012－05

2014－10－11;

2015－01－21

楊鵬(1984－)，男，中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司工程師。