沈斌杰

(浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州313008)

一種新型無(wú)縫管脫脂線的工藝及自動(dòng)控制流程

沈斌杰

(浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州313008)

介紹了新型無(wú)縫管在線脫脂線的工藝自動(dòng)化控制流程。該脫脂生產(chǎn)線采用全自動(dòng)化生產(chǎn)模式，大幅度降低人工工時(shí)，摒棄傳統(tǒng)不銹鋼的酸洗工藝，與傳統(tǒng)工藝相比，提高了生產(chǎn)率，在一定程度上改善了鋼管過(guò)度腐蝕的問(wèn)題，并大幅降低了對(duì)環(huán)境的危害，滿足了工業(yè)自動(dòng)化的要求。脫脂裝置采用外脫脂和內(nèi)脫脂相結(jié)合的方式，分別由300PLC和200PLC全線控制，界面清晰、操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，對(duì)鋼管脫脂線的規(guī)劃和自動(dòng)化設(shè)計(jì)具有一定的借鑒作用。

在線脫脂；DP通訊；傳感器；二維碼打標(biāo)

0 前言

伴隨著社會(huì)工業(yè)自動(dòng)化的不斷推進(jìn)，無(wú)縫管生產(chǎn)工藝也不斷進(jìn)行著更新，鋼管生產(chǎn)中的傳統(tǒng)酸洗工藝由于勞動(dòng)強(qiáng)度高，環(huán)境污染嚴(yán)重等原因慢慢被新型的脫脂工藝所取代，自動(dòng)化的脫脂生產(chǎn)線正是未來(lái)無(wú)縫管生產(chǎn)工藝中的重頭戲。它具有污染大幅降低，設(shè)備自動(dòng)化取代人工程度高，規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化，機(jī)動(dòng)性高，更便于流水線式的工藝流程。且設(shè)備采用工控主流西門(mén)子300PLC控制具有可靠性高、便于后期維護(hù)及運(yùn)行穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

1 在線脫脂工藝流程

1.1 在線鋼管外表面清洗工藝

鋼管外表面脫脂采用在線進(jìn)行，由前道變形設(shè)備送出的鋼管進(jìn)入在線外脫脂噴淋機(jī)構(gòu)中心進(jìn)行脫脂環(huán)洗、旋轉(zhuǎn)環(huán)刷、脫脂環(huán)洗，后經(jīng)壓縮空氣風(fēng)刀吹干，二維碼打標(biāo)，再由外脫脂機(jī)后道夾送機(jī)構(gòu)把鋼管送入齊料V型輥道。 鋼管由軋機(jī)以2 m/min速度和31°～57°的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)入鋼管外表面脫脂線。進(jìn)入脫脂設(shè)備前在鋼管前端用軟塞塞住后，進(jìn)入在線外脫脂噴淋機(jī)構(gòu)中心(鋼管起初前進(jìn)動(dòng)力由前道設(shè)備出口機(jī)提供，鋼管軋制結(jié)束后，由軋機(jī)給外脫脂設(shè)備發(fā)送完成信號(hào)，后由外脫脂夾送機(jī)構(gòu)夾送) 。如圖1所示，脫脂液在一定的溫度(60～75 ℃)和壓力(0.3～0.5 MPa)進(jìn)行360°脫脂環(huán)洗、旋轉(zhuǎn)360°環(huán)刷、360°脫脂環(huán)洗，經(jīng)過(guò)四次環(huán)洗和一次旋轉(zhuǎn)環(huán)刷后，經(jīng)風(fēng)刀吹干，由夾送機(jī)構(gòu)將鋼管在V型輥道送至齊平一端，并由拔料機(jī)構(gòu)將單根鋼管拔至自動(dòng)打標(biāo)機(jī)構(gòu)打標(biāo)工位，對(duì)鋼管齊平一端進(jìn)行自動(dòng)徑向打標(biāo)碼，如圖2所示；鋼管在儲(chǔ)料斜臺(tái)架上存儲(chǔ)(斜臺(tái)架帶氣缸振動(dòng)裝置)，后由分料撥料機(jī)構(gòu)將儲(chǔ)料斜臺(tái)架上的鋼管單支撥入外表面清洗設(shè)備前的V型輥道，再由四輪四驅(qū)夾送裝置輸送進(jìn)入外表面清洗工序。

圖1 外脫脂箱示意圖

鋼管外表面清洗采用在線進(jìn)行，鋼管進(jìn)入在線外表面清洗噴淋機(jī)構(gòu)中心進(jìn)行熱水環(huán)洗、旋轉(zhuǎn)環(huán)刷、熱水環(huán)洗，熱風(fēng)風(fēng)刀干燥，再由夾送機(jī)構(gòu)把鋼管送入下一工序鋼管頭尾端自動(dòng)鋸切倒棱。

圖2 打標(biāo)示意圖

完成打標(biāo)后, 鋼管由夾送機(jī)構(gòu)以20～30 m/min速度進(jìn)入鋼管外表面清洗噴淋機(jī)構(gòu)中心進(jìn)行清洗。熱水在溫度60～75℃和壓力0.3～0.5 MPa進(jìn)行360°熱水環(huán)洗、旋轉(zhuǎn)360°環(huán)刷、360°熱水環(huán)洗，經(jīng)過(guò)四次環(huán)洗和一次旋轉(zhuǎn)環(huán)刷后，后經(jīng)進(jìn)入風(fēng)刀干燥室，經(jīng)帶蒸汽U型管360o熱風(fēng)風(fēng)刀吹干，進(jìn)入下道工序。

1.2 內(nèi)表面脫脂工藝

該工藝道次主要功能是去除軋制完成后鋼管內(nèi)表面的油污，保證鋼管內(nèi)表清潔。

當(dāng)管架上接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)到某個(gè)工位的鋼管存在時(shí)，引導(dǎo)機(jī)從停車(chē)位(停車(chē)位根據(jù)同批次最長(zhǎng)鋼管的長(zhǎng)度設(shè)定)起動(dòng)，向鋼管方向前進(jìn)。引導(dǎo)機(jī)上安裝的紅外高清視覺(jué)捕捉攝像頭，主要根據(jù)鋼管外壁鏡面反射程度對(duì)下方物體進(jìn)行探測(cè)(如圖3)。并根據(jù)來(lái)料規(guī)格設(shè)定檢測(cè)范圍，檢測(cè)到鋼管后，把管頭位置信息反饋給PLC，由PLC根據(jù)計(jì)算出的管頭所在位置，指示機(jī)構(gòu)向鋼管運(yùn)動(dòng)。然后根據(jù)PLC計(jì)算出的位置停下，伸出抓手抓住鋼管，然后將噴嘴套入鋼管端部，自動(dòng)密封后開(kāi)動(dòng)液體電磁閥沖洗管腔。每次沖洗后，都自動(dòng)用壓縮空氣吹掃管腔。吹氣結(jié)束這時(shí)鋼管自動(dòng)向前一工位撥位，同時(shí)翻料機(jī)構(gòu)又將下一支鋼管運(yùn)送上來(lái)。每一根鋼管都經(jīng)過(guò)3道脫脂液加一道清水和最后一道打棉球后由輸送輥道運(yùn)送到下道工序。

圖3 內(nèi)脫脂抓管原理圖

2 控制系統(tǒng)硬件

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如圖4所示, 外脫脂控制系統(tǒng)主要由PLC300、變頻器、變頻電機(jī)、傳感器、氣缸、電磁閥、ET200等組成。

圖4 控制系統(tǒng)硬件組成

2.1.1 PLC的選型和主要控制方式

通過(guò)分析脫脂線的工藝流程,可以歸納出系

統(tǒng)對(duì)信號(hào)的處理集中為數(shù)字量的處理和伺服的控制。系統(tǒng)需要處理輸入/輸出點(diǎn)160多個(gè)，PLC要驅(qū)動(dòng)12個(gè)氣缸、5個(gè)伺服電機(jī)，根據(jù)系統(tǒng)的功能需求(控制系統(tǒng)信號(hào)的數(shù)量)和便于后期優(yōu)化的需要，采用西門(mén)子PLC315-2DP/PN。該CPU具有較強(qiáng)的數(shù)字運(yùn)算和處理能力，且兼DP通訊功能和TCP/IP以太網(wǎng)通訊功能，能較好的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制和監(jiān)控。前道變形工序發(fā)出完成信號(hào)后，CPU經(jīng)過(guò)內(nèi)部處理，然后通過(guò)對(duì)變頻器的控制來(lái)驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)，同時(shí)氣閥夾緊，把鋼管往外脫脂箱送。PLC通過(guò)傳感器反饋的信號(hào)判斷鋼管的實(shí)際位置，控制氣閥的夾緊和變頻電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。PLC的高速脈沖輸出點(diǎn)控制夾送輥?zhàn)冾l電機(jī)的高頻段輸出。PLC的I/O表如表1所示。

表1 主要I/O點(diǎn)概要

2.1.2 鋼管的打標(biāo)

外脫脂結(jié)束，鋼管由輸送輥道進(jìn)入齊頭打標(biāo)工位。當(dāng)鋼管到達(dá)打標(biāo)機(jī)前傳感器(脈沖上升沿)，系統(tǒng)把鋼管的位置信號(hào)通過(guò)I/O點(diǎn)的形式發(fā)送給打標(biāo)機(jī)，打標(biāo)機(jī)接收到來(lái)料信息后，提示操作人員將鋼管信息在上位機(jī)上錄入并由系統(tǒng)自動(dòng)匹配生成二維碼，打標(biāo)就緒。鋼管繼續(xù)前進(jìn)，進(jìn)入打標(biāo)，此時(shí)打標(biāo)機(jī)將正在打標(biāo)的狀態(tài)信息發(fā)送給PLC300，上位機(jī)顯示“鋼管正在打標(biāo)”。約60S當(dāng)打標(biāo)完成以后，打標(biāo)機(jī)將完成信息反饋給PLC300，氣閥再次夾緊，夾送輥反轉(zhuǎn)，鋼管離開(kāi)打標(biāo)機(jī)。當(dāng)打標(biāo)機(jī)前傳感器下降沿信號(hào)觸發(fā)，夾送輥停止，氣閥打開(kāi)，等待翻料機(jī)構(gòu)翻料。翻料機(jī)構(gòu)將鋼管翻上待料平臺(tái)，待料臺(tái)傳感器信號(hào)觸發(fā)，振動(dòng)氣缸小幅度振動(dòng)，使鋼管平穩(wěn)滾到待料臺(tái)最下方擋板，PLC計(jì)數(shù)。待料架儲(chǔ)存鋼管數(shù)量由上位機(jī)畫(huà)面設(shè)定，當(dāng)鋼管支數(shù)等于設(shè)定值時(shí)，擋板下降使一根鋼管掉落進(jìn)下方V型輸送輥后，擋板升起。當(dāng)鋼管進(jìn)入內(nèi)脫脂后繼續(xù)上料。

2.1.3 內(nèi)脫脂上料

關(guān)于內(nèi)脫脂的上料。鋼管在上內(nèi)脫脂之前，需要在兩頭切頭切尾并倒棱(在輸送輥道兩端各有一臺(tái)鋸切倒棱機(jī))。原理與打標(biāo)相似。當(dāng)鋼管尾部切頭倒棱完成以后，鋼管離開(kāi)鋸切倒棱機(jī)，鋸切機(jī)發(fā)送完成信號(hào)給PLC300。管尾離開(kāi)鋸切倒棱前傳感器時(shí)，PLC作出指令，氣閥打開(kāi)，夾送輥停止，等待翻料，進(jìn)入內(nèi)脫脂工序。內(nèi)脫脂分為5個(gè)工位，前3個(gè)位脫脂液，第4道為清水，第5道為打棉球。每根鋼管經(jīng)過(guò)5道工位后，內(nèi)脫脂完成，翻料進(jìn)輸送輥道，進(jìn)入下道工序。具體為：當(dāng)鋼管鋸切倒棱完成，在等待翻料位，PLC300把鋼管位置信息通過(guò)DP通訊的方式發(fā)送給內(nèi)脫脂控制中樞(200PLC)。每個(gè)工位的自動(dòng)抓管機(jī)構(gòu)主要靠可定位伺服系統(tǒng)和高清視覺(jué)捕捉器。200PLC的高速輸出模塊，通過(guò)輸出高速脈沖對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制可以控制5個(gè)伺服，脈沖的頻率、脈沖數(shù)及加減速時(shí)間可以改變伺服電機(jī)的速度和位置。

O2D視覺(jué)定位系統(tǒng)。O2D高清視覺(jué)定位捕捉器是一種半導(dǎo)體材料，O2D上由許多并排排列整齊的電容，能夠感應(yīng)光線，并把捕捉到的影響信息，經(jīng)過(guò)處理(如曝光程度，范圍等)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。O2D上植入的微小的光敏物質(zhì)稱作像素(Pixel)。O2D上包含的像素越多，其捕捉到的畫(huà)面分辨率也越高。作為光電轉(zhuǎn)換式圖像傳感器，以其靈敏度高、體積小、分辨率高和采樣速度快等特點(diǎn)，成為現(xiàn)代電子學(xué)和現(xiàn)代測(cè)試工業(yè)中比較活躍的傳感器。調(diào)試軟件相對(duì)簡(jiǎn)單，安裝好軟件后，可通過(guò)TCP/IP接口與PC電腦接連。配置PC電腦IP為192.168.0.XX(0～255)，子網(wǎng)掩碼255.255.255.0配置好后與傳感器連接，可根據(jù)鋼管的不同規(guī)格，對(duì)曝光程度、檢測(cè)范圍、反射面等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)系統(tǒng)對(duì)人機(jī)界面的功能要求，選擇研華工控機(jī)和西門(mén)子HMI觸摸屏。此人機(jī)界面能與PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，顯示系統(tǒng)寄存器狀態(tài)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)物料所在狀態(tài)有全方位的定位跟蹤。并具有報(bào)警列表功能，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前報(bào)警信息。

2.3 伺服控制系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)要求采用直線滑塊高精度螺旋絲桿及伺服馬達(dá)，確保重復(fù)精度0.1mm。所以選擇臺(tái)達(dá)ASD-B2-0721伺服驅(qū)動(dòng)器和配套伺服電機(jī)。伺服驅(qū)動(dòng)器工作在位置控制模式時(shí)，速度和位置取決于接收到的高速脈沖的個(gè)數(shù)和頻率，脈沖的個(gè)數(shù)決定伺服電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度，脈沖的頻率決定伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。伺服驅(qū)動(dòng)器采用位置控制模式，通過(guò)自帶的CN1端口與PLC連接，接收PLC輸出使能信號(hào)，高速脈沖和方向指令， 同時(shí)向PLC輸入伺服驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)，CN2端口與伺服電機(jī)光電編碼器相連獲得伺服電機(jī)實(shí)時(shí)位置。滿足系統(tǒng)的精度要求。

3 控制系統(tǒng)軟件

(1)控制系統(tǒng)的軟件主要由外脫脂PLC300程序、內(nèi)脫脂PLC200程序和WinCC人機(jī)界面三部分組成。

(2)PLC300程序主要包括自動(dòng)程序塊、手動(dòng)程序、打標(biāo)通訊程序塊、鋸切倒棱通訊程序塊等。主程序是自動(dòng)程序塊和手動(dòng)程序塊，這兩個(gè)程序是核心，負(fù)責(zé)各功能塊的調(diào)用和對(duì)各信息的處理反饋，與HMI及內(nèi)脫P(yáng)LC200部分的通訊。

(3) PLC200程序主要包括主程序、上料通訊程序、與外脫脂通訊程序塊、伺服控制塊、自動(dòng)找管子程序等。主程序主要對(duì)內(nèi)脫脂狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和對(duì)各子程序的調(diào)用，并通過(guò)PLC300與HMI通訊。

(4)人機(jī)界面系統(tǒng)。主要功能包括來(lái)料參數(shù)設(shè)置界面、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面、伺服參數(shù)設(shè)置界面、I/O狀態(tài)監(jiān)控界面、當(dāng)前報(bào)警界面、歷史報(bào)警查詢界面、手動(dòng)/檢修界面等。編程軟件采用STEP7-300軟件編寫(xiě)、組態(tài)軟件使用IFIX，工控機(jī)通過(guò)TIP/IP接口與PLC直接連接實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊。

4 鋼管脫脂設(shè)備控制流程(圖5)

圖5 鋼管脫脂控制流程總圖

5 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，因?yàn)樵撋a(chǎn)線涉及上道工序和下道工序的銜接，該生產(chǎn)線系統(tǒng)及控制系統(tǒng)安裝完畢以后，進(jìn)行了自身控制系統(tǒng)的調(diào)試及上、下料工序的全面聯(lián)調(diào)。由于在前期設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí)進(jìn)行了比較詳細(xì)的攻關(guān)和研究，因此聯(lián)調(diào)的過(guò)程比較順利，調(diào)試的方法采用模擬正常生產(chǎn)模式，即試生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)對(duì)生產(chǎn)操作人員的簡(jiǎn)單培訓(xùn)和相關(guān)數(shù)據(jù)分析，整個(gè)在線脫脂生產(chǎn)線工作正常，調(diào)試結(jié)果滿意。按照企業(yè)的初步統(tǒng)計(jì)， 目前該生產(chǎn)線的運(yùn)行狀況相比過(guò)去的傳統(tǒng)酸洗和離線脫脂，工作效率有所提高，大幅降低了對(duì)環(huán)境的危害，可循環(huán)利用程度高，如圖6所示。經(jīng)過(guò)后期的不斷運(yùn)行，該生產(chǎn)線的效率還會(huì)有一定的提高潛力，當(dāng)然還會(huì)有其他細(xì)節(jié)方面的后續(xù)改善。

圖6 主要數(shù)據(jù)對(duì)比

6 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)后續(xù)該控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、及正式交付使用，到目前為止，其工作穩(wěn)定、可靠，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。同時(shí)也驗(yàn)證了在強(qiáng)干擾環(huán)境下，所設(shè)計(jì)的硬件及軟件完全可以穩(wěn)定工作。設(shè)備已成功用于實(shí)際生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)運(yùn)行觀察，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，同時(shí)具有人機(jī)界面友好、維護(hù)方便、系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，對(duì)工人零要求，并方便企業(yè)查詢數(shù)據(jù)，成本投入低的優(yōu)點(diǎn)。該生產(chǎn)線的成功運(yùn)用對(duì)無(wú)縫管的去油工藝具有較好的推廣價(jià)值。

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專利介紹

一種雙金屬?gòu)?fù)合管高壓液脹機(jī)出料系統(tǒng)(CN103286238A)

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有的雙金屬?gòu)?fù)合管高壓液脹機(jī)出料系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，出料過(guò)程協(xié)調(diào)性差，控制精度低，出料系統(tǒng)不僅造價(jià)成本高，而且生產(chǎn)過(guò)程維護(hù)極為不便的問(wèn)題。

本發(fā)明提供的雙金屬?gòu)?fù)合管高壓液脹機(jī)出料系統(tǒng)，包括左脹型模具、翻料臂、右脹型模具、長(zhǎng)軸、固定頂桿和液壓缸；左脹型模具和右脹型模具的右端安裝在長(zhǎng)軸上；翻料臂為與左脹型模具的內(nèi)表面半徑相同的彎曲臂，設(shè)置在該左脹型模具的端面，該翻料臂的左端頂部與該端面鉸接；液壓缸置于左脹型模具的左側(cè)，其端蓋與地面鉸接，其活塞桿的頂部與左脹型模具的底面的左側(cè)鉸接；固定頂桿固定在該端面前并置于翻料臂的左側(cè)下方與液壓缸之間，當(dāng)左脹型模具在液壓缸的驅(qū)動(dòng)下向左下翻轉(zhuǎn)過(guò)程中頂推住翻料臂。該出料裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，便于控制，易于維護(hù)。

本發(fā)明提供的雙金屬?gòu)?fù)合管高壓液脹機(jī)出料系統(tǒng)采用翻料臂和左脹形模具一體化設(shè)計(jì)，翻料臂無(wú)需單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)裝置，能夠隨著翻脹形模具的升降自動(dòng)進(jìn)行翻料，翻料臂端部為與脹形模具半徑相同的環(huán)狀，使得在將鋼管從脹形模具中翻出的過(guò)程中減小了對(duì)鋼管的沖擊碰撞。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，便于控制，易于維護(hù)。

Automatic technology control process of a new-type seamless pipes

SHEN Bin-jie

(Zhejiang Jiuli Hi-Tech Metals Co., Ltd., Huzhou 313008, China)

Described in the article is the automatic technology control processing of the on-line degreasing line for the new-type seamless pipes. The degreasing production line is adopted automatic production mode, greatly reducing the labor hours, abandoning the traditional stainless steel pickling process, improving the steel excessive corrosion problem to a certain extent, and largely reducing the impact on the environment, which meets the requirements of industrial automation. The device is combined with the external and internal degreasing, controlled by the 300PLC and 200PLC for the full-degreasing line with the characteristics of clear interface, with simple operation and convenient maintenance, which has a certain reference value for the construction planning of the present pipes degreasing-lines and automation design.

online degreasing；DP communication； sensor；two-dimensional code marking

2016-11-16；

2016-12-09

沈斌杰(1987- )，男，助理工程師，從事設(shè)備電氣技術(shù)管理工作

TP393

A

1001-196X(2017)03-0017-06