楊正法，王東明

（天水鍛壓機(jī)床（集團(tuán)）有限公司，甘肅 天水741020）

鋼管擴(kuò)徑機(jī)組是輸送油、氣大口徑直縫鋼管生產(chǎn)線(xiàn)必備專(zhuān)用設(shè)備。其作用有三：其一，對(duì)鋼管徑向進(jìn)行擴(kuò)張到精確的圓度和直徑；其二，消除鋼管在冷折過(guò)程中產(chǎn)生的雜亂應(yīng)力，增加材料的屈服強(qiáng)度；其三，對(duì)鋼管進(jìn)行一次檢測(cè)[1]。該機(jī)組能提高大口徑直縫鋼管幾何精度、鋼管強(qiáng)度、增加鋼管安全性、延長(zhǎng)鋼管使用壽命。2006年之前，我國(guó)鋼管擴(kuò)徑機(jī)組全部依賴(lài)進(jìn)口。

1 鋼管擴(kuò)徑機(jī)組機(jī)械設(shè)備配置及功能

鋼管擴(kuò)徑機(jī)組由擴(kuò)徑機(jī)主機(jī)和輔機(jī)共七臺(tái)套設(shè)備組成，基本配置和功能如下。

（1）進(jìn)、出料鋼管橫移車(chē)。包括進(jìn)料鋼管橫移車(chē)和出料鋼管橫移車(chē)。進(jìn)料鋼管橫移車(chē)完成將鋼管送入鋼管前沖洗工位，待前沖洗完成后將鋼管送入擴(kuò)徑工位。出料橫移車(chē)完成將擴(kuò)徑后的鋼管運(yùn)出擴(kuò)徑工位，送到鋼管后沖洗工位，待后沖洗完成后，將鋼管送到下道工序。

（2）擴(kuò)徑機(jī)主機(jī)。包括擴(kuò)徑機(jī)快速?gòu)?fù)合動(dòng)力油缸、擴(kuò)徑機(jī)拉桿、擴(kuò)徑頭等部件組成。

①快速?gòu)?fù)合動(dòng)力油缸。該油缸是擴(kuò)徑機(jī)的關(guān)鍵部件之一。由于鋼管擴(kuò)徑過(guò)程分為整圓、擴(kuò)脹成形、卸載回彈3 個(gè)階段，因此要求擴(kuò)徑速度快、時(shí)間短，為此設(shè)計(jì)了快速?gòu)?fù)合動(dòng)力油缸，將油缸工作劃分為快速進(jìn)給、快速擴(kuò)徑、緩沖卸壓、快速返程四個(gè)沖程。

②擴(kuò)徑頭。擴(kuò)徑機(jī)擴(kuò)徑頭涉及到擴(kuò)徑頭摩擦副材質(zhì)選配，擴(kuò)徑過(guò)程中錐體與模塊之間摩擦副材料選用以及熱處理工藝等關(guān)鍵技術(shù)。

③擴(kuò)徑機(jī)拉桿。擴(kuò)徑機(jī)拉桿是擴(kuò)徑機(jī)快速?gòu)?fù)合動(dòng)力油缸與擴(kuò)徑頭之間傳遞動(dòng)力的關(guān)鍵部件, 拉桿最小直徑覬310mm，長(zhǎng)度15m。

④擴(kuò)徑頭、擴(kuò)徑機(jī)拉桿潤(rùn)滑系統(tǒng)。擴(kuò)徑頭錐體與扇形塊之間相互滑動(dòng)面及扇形塊垂直滑動(dòng)面在工作行程承受很高的壓強(qiáng),因此必須實(shí)行主動(dòng)潤(rùn)滑, 潤(rùn)滑劑為親水型擴(kuò)徑機(jī)油,以便可用水清洗[2]。由于擴(kuò)徑頭承受力大，抗膠合能力差，對(duì)水基潤(rùn)滑油的抗膠合能力、抗磨損力要求很高，因此，對(duì)自動(dòng)潤(rùn)滑控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求較高。

（3）校直機(jī)系統(tǒng)。鋼管在擴(kuò)徑過(guò)程中利用五輥校直系統(tǒng)對(duì)鋼管進(jìn)行校直，提高擴(kuò)徑后鋼管直線(xiàn)度。

（4）托輥系統(tǒng)。由固定托桿輥、固定拖頭輥、擺動(dòng)托桿輥、擺動(dòng)拖頭輥、鋼管旋轉(zhuǎn)輥、鋼管送料輥等部件組成。主要完成擴(kuò)徑拉桿、擴(kuò)徑頭不擴(kuò)徑時(shí)的固定支撐與擴(kuò)徑時(shí)的擺動(dòng)避讓?zhuān)摴芎缚p12 點(diǎn)位置的旋轉(zhuǎn)找正，鋼管擴(kuò)徑時(shí)的輔助送料。

（5）鋼管送進(jìn)車(chē)系統(tǒng)。包括夾鉗升降伺服系統(tǒng)，鋼管送料系統(tǒng)。鋼管擴(kuò)徑時(shí)的定長(zhǎng)步進(jìn)送料，鋼管擴(kuò)徑完成后的快速返回均由鋼管送進(jìn)車(chē)完成。在鋼管擴(kuò)徑過(guò)程中夾鉗伺服系統(tǒng)配合校直機(jī)系統(tǒng)、自動(dòng)步進(jìn)升降，完成鋼管校直。

（6）前、后沖洗系統(tǒng)。由乳化液沖洗、擴(kuò)徑頭沖洗、清水沖洗等系統(tǒng)組成。前沖洗系統(tǒng)完成鋼管內(nèi)壁清洗，保證鋼管內(nèi)無(wú)焊渣、焊劑、氧化皮等雜物，保證鋼管擴(kuò)徑頭安全；清水沖洗系統(tǒng)將擴(kuò)徑過(guò)程中附著在鋼管內(nèi)壁的水基潤(rùn)滑油進(jìn)行沖洗；擴(kuò)徑頭沖洗系統(tǒng)沖洗擴(kuò)徑頭模片表面各種殘留物，確保擴(kuò)徑頭使用安全和壽命。圖1 給出了擴(kuò)徑機(jī)主機(jī)和輔機(jī)共七臺(tái)套機(jī)械設(shè)備配置。

圖1 鋼管擴(kuò)徑機(jī)組機(jī)械系統(tǒng)設(shè)備配置圖

2 鋼管擴(kuò)徑機(jī)組自動(dòng)控制軟硬系統(tǒng)

鋼管擴(kuò)徑機(jī)組完成鋼管擴(kuò)徑的全過(guò)程自動(dòng)控制。包括鋼管定長(zhǎng)步進(jìn)送進(jìn)；快速?gòu)?fù)合動(dòng)力油缸速度和位置電液比例控制，擴(kuò)徑力電液比例壓力控制；擴(kuò)徑機(jī)組機(jī)械參數(shù)、工作參數(shù)設(shè)定；當(dāng)前加工工序、工藝流程、故障實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（1）鋼管擴(kuò)徑機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)規(guī)劃。規(guī)劃為一個(gè)主操作臺(tái)從站；一個(gè)夾鉗送進(jìn)車(chē)從站柜；一個(gè)進(jìn)料橫移車(chē)從站箱；一個(gè)校直機(jī)從站柜；一個(gè)后沖洗從站柜；一個(gè)擴(kuò)徑頭電液比例控制從站柜；一個(gè)油泵控制、油箱控制從站柜；一個(gè)橫移車(chē)及前沖洗從站柜；一個(gè)出料橫移車(chē)從站箱；一個(gè)主站控制柜；一個(gè)校直機(jī)從站柜。每個(gè)柜（箱）內(nèi)配置有不同功能的CC-Link從站模塊。圖2 給出了鋼管擴(kuò)徑機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)主/從站柜（箱）站地址以及模塊名稱(chēng)。

（2）快速?gòu)?fù)合動(dòng)力油缸控制需要大流量、大通徑電液比例控制，實(shí)現(xiàn)復(fù)合動(dòng)力油缸四個(gè)沖程運(yùn)行中系統(tǒng)快速響應(yīng)穩(wěn)定運(yùn)行，完成油缸位置、速度半閉環(huán)控制。

①控制系統(tǒng)組成。油缸速度和位置反饋傳感器，通過(guò)掛接在CC-Link 總線(xiàn)的高速計(jì)數(shù)模塊（8#～11#從站），將油缸位置和速度信號(hào)反饋給Q02H-CPU，由Q02H-CPU 計(jì)算出油缸實(shí)時(shí)控制值，通過(guò)掛接在CC-Link 總線(xiàn)的模擬量輸出模塊（6# 從站），控制比例方向閥的開(kāi)度和方向，電液比例方向閥控制油缸運(yùn)行，組成速度、位置閉環(huán)電液比例控制系統(tǒng)。

圖2 鋼管擴(kuò)徑機(jī)機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D

②工作原理。高速計(jì)數(shù)模塊（8#～11#從站）的兩個(gè)通道CH1 和CH2 中，快速?gòu)?fù)合動(dòng)力油缸使用CH2通道。計(jì)數(shù)器控制字定義為“304H”,即計(jì)數(shù)器模式為非掉電保持型，周期計(jì)數(shù)模式，兩相輸入四倍頻。該計(jì)數(shù)器完成：參考點(diǎn)修正，目標(biāo)值與當(dāng)前值比較計(jì)算，發(fā)出電液比例系統(tǒng)快速、慢速、停止控制信號(hào)。

③D/A 轉(zhuǎn)換模塊（6# 從站）初始化與控制字的設(shè)置采用Gx Developer 編程軟件設(shè)置網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)刷新模塊參數(shù)。打開(kāi)該編程軟件，進(jìn)入“網(wǎng)絡(luò)參數(shù)”選項(xiàng)，打開(kāi)“遠(yuǎn)程設(shè)備站初始化設(shè)定”，進(jìn)行初始化設(shè)定，D/A 模塊控制字設(shè)定為“0000H”，即D/A 模塊的CH1 和CH2 通道輸出信號(hào)為正負(fù)0～10 伏電壓信號(hào)，數(shù)字量轉(zhuǎn)換范圍0～4095。

圖3 鋼管擴(kuò)徑機(jī)組PLC-MES 接口-MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接圖

（3）鋼管擴(kuò)徑機(jī)組自動(dòng)控制軟件系統(tǒng)。鋼管擴(kuò)徑機(jī)組軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)出符合鋼管擴(kuò)徑工藝流程要求程序。程序結(jié)構(gòu)的好壞直接影響到擴(kuò)徑機(jī)組工藝流程的順暢、程序的編程效率、通用性、可靠性、可讀性、可維修性以及程序編制的工作量[3]。擴(kuò)徑機(jī)組工藝流程主要以順序工作為主，因此軟件設(shè)計(jì)采用SFC（Sequential Function Chart）順序控制語(yǔ)言。

鋼管擴(kuò)徑機(jī)組SFC 軟件功能模塊分為高速計(jì)數(shù)模塊、D/A（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換模塊、A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換模塊、變頻器遠(yuǎn)程設(shè)備站、HMI 人機(jī)界面鏈接模塊、擴(kuò)徑機(jī)專(zhuān)用快速緩沖復(fù)合動(dòng)力油缸壓力、速度、位置計(jì)算方法模塊、比例方向閥、比例壓力閥控制模塊等。

3 鋼管擴(kuò)徑機(jī)組MES系統(tǒng)接口

MES（Manufacturing Execution System）是一種部署在企業(yè)生產(chǎn)車(chē)間的信息和通訊系統(tǒng)，可用在車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)收集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)生事件時(shí)提供實(shí)時(shí)反饋，根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行指導(dǎo)和處理[4]。

（1）采用三菱MES 接口模塊，可以直接把PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)采集并傳送到數(shù)據(jù)庫(kù)。將鋼管擴(kuò)徑機(jī)工作狀態(tài)信息、擴(kuò)徑工藝的實(shí)時(shí)分析和管理，建立一個(gè)可視化管理系統(tǒng)。通過(guò)管理鋼管擴(kuò)徑機(jī)錐體和模片的使用次數(shù)，根據(jù)鋼管擴(kuò)徑機(jī)歷史數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)其使用壽命，實(shí)現(xiàn)模片有計(jì)劃的更換和保養(yǎng)。將鋼管擴(kuò)徑機(jī)內(nèi)部控制參數(shù)，工藝參數(shù)等信息實(shí)時(shí)上傳，為大口徑直縫鋼管生產(chǎn)線(xiàn)MES系統(tǒng)提供“管控一體化”交互式基礎(chǔ)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)鋼管擴(kuò)徑機(jī)組與車(chē)間級(jí)MES系統(tǒng)的無(wú)縫鏈接。圖3 給出了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)從鋼管擴(kuò)徑機(jī)組PLC 到MES 接口再到車(chē)間MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的鏈接過(guò)程。

（2）PLC-MES 接口-MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)鏈接過(guò)程如下：①標(biāo)簽功能。將網(wǎng)絡(luò)上的各可編程控制器CPU 軟元件數(shù)據(jù)，以標(biāo)簽為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。②觸發(fā)監(jiān)視功能。監(jiān)視標(biāo)簽的值，在觸發(fā)條件成立時(shí)啟動(dòng)觸發(fā)緩沖功能。觸發(fā)條件由數(shù)值監(jiān)視、時(shí)間循環(huán)監(jiān)視和握手信號(hào)組成。③觸發(fā)緩沖功能。在觸發(fā)條件成立時(shí)，將數(shù)據(jù)緩沖到MES 接口的內(nèi)存中，為緩沖數(shù)據(jù)執(zhí)行（數(shù)據(jù)運(yùn)算和數(shù)據(jù)發(fā)送）作準(zhǔn)備。④SQL 文發(fā)送功能。MES 接口自動(dòng)生產(chǎn)的SQL 文（Structured Query Language 結(jié)構(gòu)化查詢(xún)語(yǔ)言）和數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行通訊的功能。選擇（select）功能通過(guò)將SQL 文發(fā)送到數(shù)據(jù)庫(kù)，將數(shù)據(jù)庫(kù)的值寫(xiě)入到標(biāo)簽要素，儲(chǔ)存到臨時(shí)變量中，為以后在其它動(dòng)作中作為變量使用。更新（update）和插入（insert）功能，將標(biāo)簽要素的值和臨時(shí)變量的值嵌入到QSL 文中，將值寫(xiě)入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。⑤運(yùn)算處理功能。對(duì)標(biāo)簽要素值進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果帶入標(biāo)簽要素或臨時(shí)變量中。⑥程序執(zhí)行功能。在作業(yè)活動(dòng)執(zhí)行之前和作業(yè)執(zhí)行之后，執(zhí)行應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)精確的信息鏈接。⑦DB（Data Base 數(shù)據(jù)庫(kù)）鏈接功能。在網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)的情況下，將未發(fā)送的SQL 文緩沖到MES 接口的存儲(chǔ)卡中，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后再將SQL 文發(fā)送到數(shù)據(jù)庫(kù)中，保證數(shù)據(jù)安全、可靠。

4 結(jié)束語(yǔ)

鋼管擴(kuò)徑機(jī)組自動(dòng)化與信息化系統(tǒng)成功應(yīng)用于我國(guó)首臺(tái)自主研發(fā)的鋼管擴(kuò)徑機(jī)組。2007年我公司出口墨西哥的鋼管擴(kuò)徑機(jī)組是按照美洲電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的[5]，結(jié)束了我國(guó)鋼管擴(kuò)徑機(jī)組長(zhǎng)期依賴(lài)進(jìn)口的局面。

[1]孫奎遠(yuǎn)，王東明，蔣文凱，等.鋼管擴(kuò)徑機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)：中國(guó)，200710018012[P].2011-02-16.

[2]杜喜代，杜海波.單頭機(jī)械擴(kuò)徑機(jī)拉力分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2010，45（1）.

[3]王東明.基于STEP7 的順序控制編程方法[J].機(jī)床電氣，2009，（2）.

[4]鄧 超，胡國(guó)奮，畢英杰，等.SJ/Z11362-2006 企業(yè)信息化技術(shù)規(guī)范制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[5]袁 鑫，平 偉.460V60Hz 三相異步電機(jī)在380V50Hz 電網(wǎng)下的試車(chē)策略[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2012，47（1）.