□李 鋼□張 輝□韓保材

1北鋼管業(yè)（營口）有限公司 遼寧營口 115007

2中冶京誠工程技術有限公司 北京 100176

直縫埋弧焊管生產線自動化控制系統(tǒng)

□李 鋼1□張 輝2□韓保材1

1北鋼管業(yè)（營口）有限公司 遼寧營口 115007

2中冶京誠工程技術有限公司 北京 100176

概述了直縫埋弧焊管生產線自動化控制系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的主要功能與控制設備。在實際應用中，這一控制系統(tǒng)體現(xiàn)了技術先進性、適用性與可靠性，確保了整條生產線的安全穩(wěn)定運行，應用效果良好。

北鋼管業(yè)（營口）有限公司新建了1626mm直縫雙面埋弧焊管（JCOE）[1]生產線，設計年產直徑406～1 626mm大口徑直縫埋弧焊管（LSAW）25萬t，產品品種為管線管、結構管、流體管?？刂葡到y(tǒng)由中冶京誠工程技術有限公司設計制造，主要控制鋼板上料裝置、鋼板輸送平輥道、鋼板對中裝置、鋼管輸送V形輥道、鋼管縱橫向輸送小車、中間存放臺架、板面清掃裝置、內外焊縫清理裝置、光電檢測裝置和液壓潤滑系統(tǒng)等。

1 控制系統(tǒng)概述

自動化控制系統(tǒng)采用成熟、可靠、先進、實用的控制技術和設備，硬件設計時，在確保設備完整性、可靠性、先進性的同時，兼顧操作方便、維護簡單。硬件設備選型盡可能統(tǒng)一品牌、型號，以降低硬件設備的備品備件數(shù)量。軟件設計方面，以標準化、模塊化、參數(shù)化為原則，保證控制系統(tǒng)控制算法精良、功能豐富、可靠性高和自動化程度高。

電控系統(tǒng)由兩級自動化系統(tǒng)、數(shù)據采集系統(tǒng)構成，通過兩類通信網絡連接，組成并行運算、集中管理、分散控制、資源共享的分布式計算機控制系統(tǒng)。以西門子ST系列可編程序控制器（PLC）[2]為核心，以標準化、模塊化的控制軟件包為前提，針對PROFIBUS-DP協(xié)議網絡通信全數(shù)字變頻裝置進行設計?？刂葡到y(tǒng)[3]與傳動系統(tǒng)之間完全通過網絡交換信息，構成全數(shù)字化控制系統(tǒng)?？刂菩畔⒑拖到y(tǒng)狀態(tài)信息通過以太網和輸入輸出PROFINET或PROFIBUS協(xié)議網絡進行交換，由人機界面（HMI）計算機和通信網絡構成全廠監(jiān)控系統(tǒng)。

先進硬件與可靠控制軟件的組合，使系統(tǒng)具有如下主要特點。

（1）先進的傳動及控制性能，在硬件上保證了系統(tǒng)的可靠性。

（2）獨立開發(fā)的標準化、模塊化、參數(shù)化控制軟件，自動化程度高，功能全面，選擇靈活，軟件上保證了系統(tǒng)的可靠性。

（3）完善的HMI系統(tǒng)，畫面生動形象，信息豐富。

（4）采用全中文顯示，具備在線幫助畫面，容易掌握。

2 系統(tǒng)主要控制功能描述

2.1 系統(tǒng)集成

生產線工藝設備主要由單機設備和運輸系統(tǒng)設備組成，單機設備通過運輸系統(tǒng)[4]連接在一起。各單機設備均帶有獨立的電控系統(tǒng)，單機設備自帶的液壓站由各單機成套控制。運輸系統(tǒng)由運輸輥道、小車及各區(qū)域液壓站等設備組成。將所有單機及運輸設備無縫集成在一起，實現(xiàn)生產線所需要的控制功能，保持整個系統(tǒng)的完整性。

運輸系統(tǒng)可與各個單機分別通信，通信方式根據單機實際情況確定，主要有點對點硬接線、PROFIBUS-DP DP/DP耦合器以及以太網。

2.2 小車電氣設備與主線供電、通信連接方式

自動引導運輸車（通常稱小車）上設置獨立的中央處理器（CPU）。CPU用作主站，以PROFIBUS協(xié)議與車載變頻器、編碼器通信。CPU用作從站，以PROFINET或PROFIBUS協(xié)議與主線CPU通信。液壓站[5]及行走傳動電機控制中心（MCC）與變頻器安裝在小車上，小車焊接電氣設備可以放置在焊接系統(tǒng)的電氣柜中。

小車上電氣設備與主線供電、通信連接分為兩種方式。

（1）供電和通信均采用拖鏈硬接線，地面設置接線端子箱，從地面端子箱到小車上電氣箱采用拖鏈軟電纜。

（2）供電采用安全滑觸線，通信則采用無線方式。

小車供電及通信方式見表1。

小車無線通信方式方如圖1所示。

表1 小車供電及通信方式列表

2.3 小車定位控制

四輪橫移小車如圖2所示，用于將鋼管橫向從輸入輥道移送至緩沖、加工工位或輸出輥道。小車升降通過液壓驅動，橫移通過變頻電機驅動（焊接縱向小車采用伺服電機）。小車橫移定位通過編碼器實現(xiàn)，定位誤差在±4 cm以內。

由于小車定位工位較多，每個定位過程累加之后時間就比較長，因此如能實現(xiàn)快速定位，則能節(jié)省較多時間。傳動控制采用不帶編碼器的矢量控制[6]。小車定位采用中冶京誠的專有技術，按照給定波形移動，通過位置增量限幅控制最大移動速度，使位置逐步給定，再根據反饋逐步檢查，最后達到精確定位。相比常規(guī)定位控制，這一控制方式精度和可靠性高，時間短，很好地解決了穩(wěn)定性問題。

2.4 小車運料控制

小車運料控制以最大程度滿足設備工藝生產節(jié)奏為原則。小車運料工位用一個狀態(tài)字來表示，單個小車運料時，采取入口優(yōu)先或出口優(yōu)先兩種模式。出口優(yōu)先模式時，運料方向使狀態(tài)字變小，即向出料方向運料。兩個小車聯(lián)合運料時，對于進管車而言，放管工序控制等級最高，取管工序次之，倒管工序最低；對于出管車而言，取管工序等級最高，放管工序次之，倒管工序最低?？膳R時改變運料優(yōu)先策略。

2.5 鋼管在輥道上的中心定位

鋼管中心定位通過兩個檢測元件[7]（PS1、PS2）和一個編碼器來完成，PS2同時可用于輥道工位檢查，編碼器[8]安裝在一個非傳動的測量輥上，檢測元件及測量輥安裝在運管小車前的運輸輥道之間，如圖3所示。

圖1 小車無線通信方式

圖2 四輪橫移小車實物圖

（1）當鋼管由輥道輸送通過測量輥，頭部到達檢測元件PS2位置時，PLC開始計數(shù)。

（2）鋼管繼續(xù)前進，當管尾到達PS1位置時，PLC采樣當前計數(shù)值。

（3）通過上述兩步，PLC測出鋼管的長度，計算出鋼管中心與小車中心線的距離，通過控制變頻輥道的運轉來實現(xiàn)鋼管中心的精確定位[9]。定位精度為±100 mm。

2.6 物料跟蹤[10]

物料跟蹤系統(tǒng)采用人工確認跟蹤方式，區(qū)域內局部自動跟蹤，進而實現(xiàn)物料流向控制。

人工確認跟蹤時，各單機設備以操作人員確認進行跟蹤，運輸輥道、小車等運輸設備及緩沖區(qū)域對鋼管原則上不進行識別及跟蹤。人工確認跟蹤方式實現(xiàn)簡單，實用可靠。

2.7 HMI功能

操作人員通過HMI與控制系統(tǒng)交換信息，HMI采用全漢字界面顯示，提供了方便靈活的選擇、設定和監(jiān)控功能。

HMI主要畫面和功能如下。

（1）設定畫面。提供生產設備組態(tài)、工藝和部分控制參數(shù)設定及修改功能。

（2）監(jiān)控畫面。提供傳動合分閘、自動控制功能選擇等操作功能，提供設備運行狀態(tài)、電機運行狀態(tài)、系統(tǒng)設定參數(shù)和實際運行參數(shù)等顯示。

（3）物料跟蹤畫面。提供鋼管跟蹤信息顯示。

（4）診斷畫面。提供按區(qū)域、設備、信號、層次區(qū)分的診斷功能，由不同顏色進行狀態(tài)標記。

（5）報警畫面。提供報警信息的顯示、存儲與自動打印功能，提供傳動故障碼在線查詢功能。

2.8 遠程診斷

提供遠程診斷及服務功能，功能關系如圖4所示。遠程診斷的主要優(yōu)點如下。

（1）實現(xiàn)PLC遠程連接，可在線修改程序。

圖3 輥道鋼管中心定位示意圖

圖4 遠程診斷示意圖

（2）L1、L2工程師站遠程協(xié)助、實時交流。

（3）基于數(shù)據采集系統(tǒng)，實現(xiàn)實時數(shù)據采集分析、診斷。

（4）24 h在線提供支持服務。

（5）可減少維護人員，降低維護成本，提高維護效率，減少系統(tǒng)故障維護時間。

3 系統(tǒng)控制設備

3.1 PLC系統(tǒng)配置

選用西門子S7-300系列PLC。該系列PLC的邏輯及算術運算速度快，能滿足各種復雜、高速實時控制的要求，且具有很高的可靠性。

該系列PLC的主要特點如下。

（1）運算速度快，在比例積分微分算法和數(shù)學函數(shù)運算等方面特別突出，尤其適用于生產線自動控制。

（2）各種配套位置控制模塊齊全，性能優(yōu)越。

（3）支持多種網絡接口，適合在網絡化大系統(tǒng)應用。

（4）編程指令豐富，功能強，使用簡單方便。

（5）結構化編程功能強。

全線運輸系統(tǒng)分為4個控制區(qū)域，分別由單獨的PLC完成控制，CPU型號為319-3PN/DP，掃描時間不超過40 ms，資源占有率不超過70%。運管小車本體的控制采用ET200SCPU。區(qū)域性液壓站由單獨的PLC控制，隨液壓系統(tǒng)成套提供。

PLC配置如表2所示。

表2 PLC配置情況

3.2 分布式輸入輸出系統(tǒng)

采用ET200系列CPU，通過PROFIBUS-DP協(xié)議網絡與主PLC進行通信?，F(xiàn)場設置遠程輸入輸出站，所有現(xiàn)場信號就近進入遠程輸入輸出站內，以減少控制電纜長度。集中操作臺操作信號進入臺內遠程輸入輸出站，就地操作箱根據需要設置遠程輸入輸出站。

CPU框架及所有輸入輸出站設計時考慮15%的備用插槽，用于15%的數(shù)字量與模擬量輸入輸出備用信號。

3.3 操作臺、箱設置原則

（1）在運輸系統(tǒng)（運輸輥道、小車等）較復雜的單機操作室內設置集中操作臺。

（2）在加工、檢查、修磨等人工操作工位設置就地操作點。

（3）在原料入口及成品出口處設置就地操作點。

此外，對4組修補工位增加無線操作盒，具體位置以最終設計為準。

3.4 HMI系統(tǒng)

包括工程站在內，全線共設置12套HMI系統(tǒng)，配置見表3。其中，上料區(qū)HMI可以錄入鋼板信息，包括爐號、管號、材質、規(guī)格、客戶信息、生產班組、生產時間等。中央控制室HMI用于對軟件開放的單體設備和輔連設備進行監(jiān)控。

表3 生產線HMI系統(tǒng)配置

HMI系統(tǒng)采用研華工業(yè)計算機，軟件選用西門子WINCC，每臺工業(yè)計算機配置一套軟件。

4 結論

北鋼管業(yè)（營口）有限公司JCOE生產線的基礎自動化控制系統(tǒng)，在借鑒國內多家制管生產線輔連設備和電控系統(tǒng)，并結合國內現(xiàn)有JCOE生產線新技術的基礎上，進行設備優(yōu)化設計，保證了供貨設備和技術的先進性、適用性、可靠性，確保了整條生產線的順利可靠運行，實際生產運行效果良好。

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With an overview of automation control systems for LSAW pipe production line,introduced the main function and control equipment ofthe system.In practical situations,this control system embodies the technological sophistication,applicability and reliability that can ensure the safe and stable operation of the entire production line with sound performances in application.

直縫埋弧焊管；生產；自動控制；應用

LSAW Pipe；Production；Auto-control；Application

TH-39；TP278

B

1672-0555（2016）04-034-05

2016年6月

李鋼（1969—），男，碩士，工程師，主要從事直縫埋弧焊管生產與設備維護工作