榮勝波 ，李中祥，張環(huán)宇，朱 軍，史 勃

RONG Sheng-bo1 , LI Zhong-xiang2, ZHANG Huan-yu1, ZHU Jun1, SHI Bo1

（1.中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所，沈陽 110016；2.寶雞鋼管遼陽鋼管廠，遼陽 111000）

0 引言

螺旋焊管是將低合金結(jié)構(gòu)鋼或者低碳碳素結(jié)構(gòu)鋼鋼帶由成型機(jī)組按一定的螺旋線成型角卷成管坯，再將管縫內(nèi)外焊接起來制成。大口徑螺旋焊管主要用于石油、天然氣的輸送管線，焊管質(zhì)量顯得尤為重要，而焊管質(zhì)量的提高已不僅僅依賴于個(gè)別生產(chǎn)環(huán)節(jié)工藝的提高，更大程度上依賴于螺旋焊管機(jī)組乃至整個(gè)生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度的提高。目前國內(nèi)的螺旋焊管生產(chǎn)已基本實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化，對于成形內(nèi)外焊接已實(shí)現(xiàn)焊接過程的全自動(dòng)調(diào)節(jié)，無需人員干預(yù)，大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量。但就整體而言，自動(dòng)化程度還有待提高[1]。本文的所設(shè)計(jì)的自動(dòng)優(yōu)化切割系統(tǒng)是車間數(shù)字化改造的一個(gè)組成部分，旨在降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高鋼管的成材率。

1 螺旋焊管生產(chǎn)工藝流程

螺旋焊管生產(chǎn)工藝流程，如圖1所示。成卷帶鋼放入生產(chǎn)線后，通過開卷、校直、對焊、二次校直、銑邊等工位，進(jìn)入成型機(jī)中成型與內(nèi)外焊，再由飛剪小車完成剪切，已成型的螺旋焊管再經(jīng)過x射線探傷，管端處理，水壓試驗(yàn)，超聲波探傷，管端檢測，稱重測長等工位最終合格入庫。

圖1 焊旋燭管工藝流程

帶鋼從開卷到卷板成形切割這一過程中共經(jīng)歷以下幾道工序：開卷、校直、板頭剪切、對焊、二次校直、銑邊、校直推送、成形、剪切。其中前四道工序是移動(dòng)焊車上完成的。移動(dòng)焊車的引入可以保證在成形及焊接作業(yè)不停車的情況下完成開卷到對焊等工作，從而提高生產(chǎn)效率并保證成形焊接過程的一致性。目前這幾道工序都是在人工操作及監(jiān)督下完成的，自動(dòng)化程度較低，而切割管長的確定和切割也都是依據(jù)操作工人的經(jīng)驗(yàn)來實(shí)施完成的。經(jīng)過了解目前的切割過程是先由工人根據(jù)鋼卷的理論重量、理論寬度和厚度得出帶鋼的理論板長，根據(jù)理論板長初步預(yù)估出管的長度和數(shù)量，并據(jù)此進(jìn)行切管操作；等整卷帶鋼放完，工人會(huì)依據(jù)焊縫在地溝內(nèi)的位置及地面上所標(biāo)示的長度對此時(shí)的剩余板長進(jìn)行估計(jì)并重新做出剩余管長和數(shù)量的判斷，從而調(diào)整切割管長。

這種操作方式一方面易造成切割管長偏差大，易出現(xiàn)偏離估計(jì)的情況造成切廢。另一方向，整個(gè)過程是一個(gè)不斷重復(fù)的過程，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，易疲勞且不能充分體現(xiàn)工人的勞動(dòng)價(jià)值。

螺旋焊管成型機(jī)組的主要工藝參數(shù)是成形角α。其他理論數(shù)據(jù)主要包括來料板寬B1、板厚δ、整卷鋼帶重量W、成形板寬B2。目標(biāo)參數(shù)是成形管徑D。這幾個(gè)參數(shù)之間有固定的理論計(jì)算公式，公式如下：

成型角α：

單卷帶鋼理論長度l：

理論板管比t：

單卷帶鋼理論可成型管長度L：

在實(shí)際操作過程中，由于各項(xiàng)指標(biāo)都存在誤差，所以以上公式對于實(shí)踐僅具有指導(dǎo)意義，并不能將公式直接用于控制過程[2]。在成形過程中最主要的工藝參數(shù)是成形角，一旦成形角確定，成形板寬與成形管徑就有確定的對應(yīng)關(guān)系從而板管比（成形1米管需要的板長）也基本確定。據(jù)此我們可以通過實(shí)測得到實(shí)際的板管比，從而根據(jù)板長來計(jì)算管長，這是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。

2 螺旋焊管優(yōu)化切割系統(tǒng)硬件組成

在本文上一部分通過分析工藝的理論計(jì)算公式，確立了通過實(shí)測板長、板管比計(jì)算管長的設(shè)計(jì)思想，據(jù)此設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)的硬件架構(gòu)。

圖2 現(xiàn)場工藝布局

整個(gè)系統(tǒng)采用PLC加上位機(jī)模式，PLC通過以太網(wǎng)與車間控制網(wǎng)絡(luò)相通，同時(shí)在移動(dòng)焊車上設(shè)置了一個(gè)S7-200的從站，該從站與主PLC通過無線的方式與主PLC通信。整個(gè)硬件系統(tǒng)圖如圖3所示。其中主PLC與上位計(jì)算機(jī)以及以太網(wǎng)HUB裝在位于成形機(jī)附件的操作臺中；而S7-200從而以及無線從站裝在移動(dòng)焊車的控制柜中；與S7-200連接的有一個(gè)板頭板尾檢測開關(guān)以及一個(gè)用于測量的編碼器。編碼器裝在校直機(jī)電機(jī)處，隨電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，編碼器脈沖信號連接在S7-200的高速計(jì)數(shù)通道。S7-200根據(jù)計(jì)數(shù)值通過減速比及校直輥的輥徑可以測量出板所走過的長度。板頭板尾檢測傳感器安裝在成形校直機(jī)的頭部，前卷的板尾與后卷的板頭在該位置會(huì)出現(xiàn)分離利于檢測。該開關(guān)一是用于檢測上卷的板尾并停止該卷長度計(jì)數(shù)，將計(jì)處的該卷總長傳送給主PLC，二是用來檢測下一卷鋼帶的板頭，用于啟動(dòng)下一卷鋼帶的長度計(jì)數(shù)。在與主PLC S7-300相連的有焊縫檢測裝置和一個(gè)測量編碼器。測量編碼器安裝在移動(dòng)焊車地坑出口的校直機(jī)上，同樣測量板所經(jīng)過的長度。焊縫檢測開關(guān)安裝在成形機(jī)的前端，當(dāng)焊縫行進(jìn)到該位置時(shí)，檢測開關(guān)會(huì)檢測到焊縫并發(fā)出信號，主PLC根據(jù)該信號可以結(jié)束當(dāng)前板長計(jì)數(shù)并開始下一卷板長計(jì)數(shù)。上位機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)人機(jī)界面，通過該界面可以對板的行進(jìn)過程及整個(gè)優(yōu)化切割過程有直觀的了解。

圖3 系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

3 螺旋焊管優(yōu)化切割系統(tǒng)軟件算法

螺旋焊管在成形后需要切割成一定的長度，然后通過輥道輸送到后續(xù)工序。長度的確定根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃及單卷管長確定。通常單根鋼管飛剪剪切規(guī)則如下：

1）目標(biāo)長度，可設(shè)定。通常設(shè)定在12米左右，該管長為優(yōu)等品管長；

2）最大管長，可設(shè)定。位于目標(biāo)管長與最大管長之間的管長為合格品，盡可能少；

3）最小管長，可設(shè)定。位于目標(biāo)管長與最小管長之間的管長為合格品，該管長盡可能少；

4）不允許出現(xiàn)最小管長以下的成型管。該區(qū)間為不合格品。

從以上規(guī)則可以看出，這是一個(gè)參數(shù)優(yōu)化問題，優(yōu)化的結(jié)果要求優(yōu)等品盡可能多，合格品盡可能少，不出現(xiàn)不合格品。

根據(jù)以上優(yōu)化目標(biāo)，本文設(shè)計(jì)了優(yōu)化程序，以總管長、目標(biāo)管長、最大管長和最小管長為輸出參數(shù)，得出落在各區(qū)間的管長及數(shù)量。程序框圖如圖4所示。

圖4 管長優(yōu)化程序框圖

螺旋焊管優(yōu)化切割系統(tǒng)的的優(yōu)化計(jì)算過程分二次完成，首次是在上卷、開卷后，此時(shí)根據(jù)理論板寬，理論板厚，整卷重量以及理論板管比或?qū)崪y板管比算出整卷鋼帶的理論長度以及可以成形的理論管長。利用該理論管長首次優(yōu)化出各段管長及數(shù)量，將得出的管長與數(shù)量提供給切管子程序。切管子程序按照計(jì)算的管長和數(shù)量進(jìn)行切管；二次優(yōu)化是在移動(dòng)焊車檢測到板尾信號，此時(shí)已測量出整卷的實(shí)際長度，減去主PLC側(cè)測量的長度再加上焊縫檢測開關(guān)到抱管小車位置所對應(yīng)的板長就是當(dāng)前剩余的實(shí)際板長，除以板管比就得出剩余管長，以該管長進(jìn)行二次優(yōu)化，得出的優(yōu)化結(jié)果再次提交給切管子程序，這樣就保證了切管的長度及優(yōu)等品率且該過程都是通過程序自動(dòng)執(zhí)行的。

螺旋焊管自動(dòng)優(yōu)化切割程序除了完成管長的優(yōu)化以外還要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切割以及對整個(gè)成形過程做數(shù)據(jù)記錄并提供給MES系統(tǒng)。為此將整個(gè)程序分成幾個(gè)模塊，主要有數(shù)據(jù)采集模塊、管長優(yōu)化模塊、切管控制模塊等。程序的大部分功能在PLC完成，部分功能通過上位機(jī)程序完成。上位機(jī)采用西門子的WINCC組態(tài)軟件開發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)定參數(shù)輸入，優(yōu)化計(jì)算及數(shù)據(jù)采集與存儲功能，并開發(fā)了友好的人機(jī)界面，使系統(tǒng)更加完整，易于使用。開發(fā)的人機(jī)界面如圖5所示。

圖5 人機(jī)界面主界面

4 結(jié)束語

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，螺旋焊管的社會(huì)需求不斷增長，對其產(chǎn)能和質(zhì)量提出的新的要求，本文所實(shí)施的數(shù)字化改造項(xiàng)目一方面使得產(chǎn)品的成品率成為一個(gè)可控的質(zhì)量指標(biāo)，提高了實(shí)際生產(chǎn)的優(yōu)等品率，同時(shí)也為工廠的信息化集成提供的基礎(chǔ)，隨著工業(yè)信息化及大數(shù)據(jù)分析的發(fā)展，工廠的信息化集成已成為發(fā)展趨勢，信息的集成為大數(shù)據(jù)分析提供了有待分析挖掘的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而可以推動(dòng)工廠的整體優(yōu)化改造。由于系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的各種狀態(tài)，可以在第一時(shí)間了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并可以對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)定的手動(dòng)干預(yù)，既實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化又提供了很高的靈活性，為生產(chǎn)的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)提供有力保障。

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