閔建東

（中石化石油機(jī)械股份有限公司沙市鋼管分公司，湖北 荊州 434001）

近年來，市場對鋼管外觀質(zhì)量要求越來越高［1-2］，2018年中石化石油機(jī)械股份有限公司沙市鋼管分公司（簡稱沙市鋼管公司）為鄂安滄輸氣管道工程生產(chǎn)的L485M Φ1 016 mm×17.5 mm 螺旋縫焊管［3］，有部分在工廠內(nèi)出現(xiàn)表面劃傷和壓坑等問題，母材表面損傷中，大部分是由于生產(chǎn)過程中上料部位散卷造成的。散卷的危害主要有：散卷后的帶鋼，其層與層之間產(chǎn)生相對位移的滑動摩擦，造成母材表面劃傷、挫傷；散卷后，因帶鋼卷層與層之間有一定間隙，導(dǎo)致擠壓臂上的鐵屑或其他異物容易進(jìn)入，經(jīng)過三輥矯平機(jī)時輥面擠壓鐵屑或異物，從而在焊管表面形成壓坑、麻點。

目前上料機(jī)靠人工肉眼觀察錐輪位置，手動操作錐輪下壓，實時讓錐輪接觸鋼卷最里圈來避免散卷，而在實際操作時，受人工觀察視線、下壓跟進(jìn)不及時不同步等因素影響，從而會導(dǎo)致散卷。為解決該問題，研制開發(fā)一套防散卷自動控制系統(tǒng)十分必要［4-13］。

沙市鋼管公司于2018年研發(fā)了一套螺旋縫焊管機(jī)組拆卷防散卷自動控制系統(tǒng)，以降低散卷發(fā)生率?，F(xiàn)對該螺旋縫焊管機(jī)組拆卷防散卷自動控制系統(tǒng)的工作原理、重要參數(shù)的推導(dǎo)和計算，以及錐輪過壓保護(hù)措施進(jìn)行介紹。

1 防散卷自動控制系統(tǒng)工作原理

防散卷自動控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 防散卷自動控制系統(tǒng)架構(gòu)示意

螺旋縫焊管機(jī)組拆卷防散卷自動控制系統(tǒng)在自動控制方面，是基于鋼卷出料圈數(shù)與定時時間、壓力檢測綁定的一種控制。每次新上鋼卷時，上位機(jī)輸入鋼卷質(zhì)量、板厚、板寬等參數(shù)，系統(tǒng)自動計算出鋼卷總長度、鋼卷圈數(shù)及每圈對應(yīng)的長度。錐輪初始位置手動調(diào)好后，啟動自動控制模式按鈕，PLC程序自動檢測出對焊后夾送機(jī)前進(jìn)信號，根據(jù)送料速度和送進(jìn)時間計算帶鋼前進(jìn)長度，帶鋼前進(jìn)長度小于鋼卷外面20圈總長度時，認(rèn)為帶鋼出料在20圈范圍，使用定時下壓控制，即每隔3 min下壓一次，當(dāng)錐輪與鋼卷最里圈接觸后，圖1所示中油缸上腔油壓傳感器壓力值達(dá)1.8 MPa時中止下壓。剩余圈數(shù)鋼卷的下壓控制，由程序自動判斷，每走完一圈料的長度便自動下壓1次，壓至油缸上腔壓力達(dá)1.8 MPa時停止。該螺旋縫焊管機(jī)組拆卷防散卷自動控制系統(tǒng)采用自動控制模式，但是人工干預(yù)優(yōu)先。

前20圈每3 min定時下壓一次、20圈之后每圈下壓一次的設(shè)計理由是：前面20圈開卷時段，鋼卷自身質(zhì)量比較大，鋼卷與開卷機(jī)小車托輥的摩擦力較大，不至于散卷；開卷20圈之后鋼卷自身質(zhì)量變小，下壓油缸必須增大正壓力以增加摩擦力，從而防止散卷。

2 系統(tǒng)控制重要參數(shù)數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)與計算

2.1 鋼卷近似圈數(shù)的求解

每個鋼卷的質(zhì)量Z、板寬K、板厚H均已知，通常鋼卷內(nèi)圈直徑約為760 mm。因此，1 m帶鋼的質(zhì)量Z1=1 m×板厚×板寬×鋼鐵密度，鋼卷近似總長度LC=Z/Z1；而鋼廠里鋼卷總長的經(jīng)驗計算公式為：

設(shè)某鋼卷的近似圈數(shù)為x，鋼卷中間圈近似直徑為（760+Hx）mm，由此可以得出鋼卷的近似圈數(shù)x為：

通過編制程序求解上述一元二次方程，就可得出每個鋼卷的近似圈數(shù)x，取正值。

2.2 鋼卷前20圈總長度的計算

鋼卷從外往里數(shù)第i圈的對應(yīng)長度Li=［760+2H（x-i+1）］。鋼卷由夾送機(jī)向前遞送，當(dāng)?shù)趇圈帶鋼被遞送完，遞送的帶鋼總長度SLi為：

由公式（3）可求得鋼卷從外往里數(shù)前20圈的總長度SL20為：

2.3 帶鋼前進(jìn)實時總長度計算

帶鋼前進(jìn)實時總長度=送進(jìn)速度×送進(jìn)時間。送進(jìn)速度可以通過將夾送機(jī)變頻器速度模擬電位器信號送入PLC獲取。計算送進(jìn)時間時，每卷料頭到達(dá)對焊機(jī)，取對焊完成后的熄弧信號（編制程序識別是焊接完的熄弧信號）和夾送機(jī)開始送進(jìn)信號作為帶鋼送進(jìn)開始計時的起點和終點，中途如果停止送進(jìn)則計時暫停，恢復(fù)送進(jìn)則計時累加。

對于對焊中出現(xiàn)的異常狀況，如同一個對頭焊接時出現(xiàn)不止一次的起弧、熄弧，在編制程序時應(yīng)充分考慮如何判斷最后一次熄弧信號。

帶鋼送進(jìn)時間計算PLC程序如圖2所示。

3 錐輪過壓保護(hù)措施

系統(tǒng)控制原理中已提到，錐輪每次下壓接觸鋼卷里圈的下壓中止信號是由壓力傳感器測量的下壓油缸壓力來終止的。壓力傳感器安裝在錐輪油缸上腔油路中，測量下壓期間油壓，為防止壓力傳感器發(fā)生故障而持續(xù)下壓，從而導(dǎo)致錐輪軸承損壞以及鋼卷最里圈變形的發(fā)生，采用了類似于直縫Meer成型機(jī)壓模油缸下壓動作保護(hù)措施：在程序上做了一個對錐輪軸承的下壓保護(hù)，錐輪接觸鋼卷內(nèi)圈表面開始計時，設(shè)置了持續(xù)壓制時間上限值，壓制時間達(dá)到上限值，及時中止錐輪油缸對鋼卷最里圈的下壓，防止傳感器發(fā)生故障而引起的錐輪軸承損壞和鋼卷最里圈因壓制過度而變形。

圖2 帶鋼送進(jìn)時間計算PLC程序示意

錐輪油缸下壓保護(hù)技術(shù)邏輯流程如圖3所示。其中，下壓條件1是接觸壓力小于設(shè)置上限值，下壓條件2是下壓時間未達(dá)到設(shè)定上限值。

圖3 錐輪油缸下壓保護(hù)技術(shù)邏輯流程示意

在下壓油缸壓力上限值與持續(xù)下壓時間關(guān)系數(shù)據(jù)庫的測試與建立時，下壓計時時間在上位機(jī)中設(shè)置，需要通過現(xiàn)場試驗獲得。經(jīng)測試，得出了持續(xù)下壓時間與下壓油缸壓力上限值對應(yīng)關(guān)系，具體見表1。下壓計時起始點按錐輪接觸卷板算起。

依據(jù)表1設(shè)置上位機(jī)上的持續(xù)下壓時間?，F(xiàn)場測試L485M 17.5 mm鋼卷時發(fā)現(xiàn)，接觸壓力在1.8 MPa即可完全壓制住鋼卷最里圈；因此，壓力上限值設(shè)置為2.0 MPa，足以滿足實際生產(chǎn)的防散卷需要，沒必要再進(jìn)行下壓油缸壓力上限值2.0 MPa以上的數(shù)據(jù)測試。

表1 持續(xù)下壓時間與下壓油缸壓力上限值對應(yīng)關(guān)系

4 上位機(jī)界面及散卷控制效果展示

上位機(jī)人機(jī)界面如圖4所示。

圖4 上位機(jī)人機(jī)界面展示

定時持續(xù)下壓時間3.0 s，對應(yīng)的下壓油缸壓力1.5 MPa，散卷控制效果如圖5所示，層層之間有輕微錯動；定時下壓持續(xù)時間4.2 s，對應(yīng)下壓油缸壓力2.0 MPa，散卷控制效果如圖6所示，控制效果較好。

圖5 下壓油缸壓力1.5 MPa散卷控制效果

圖6 下壓油缸壓力2.0 MPa散卷控制效果

5 結(jié) 語

螺旋縫焊管機(jī)組拆卷防散卷自動控制系統(tǒng)自2018年4月投入使用以來，經(jīng)生產(chǎn)現(xiàn)場使用運行驗證，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，控制效果良好，較好地解決了因散卷帶來的母材劃傷和壓坑等缺陷，散卷發(fā)生率降低了80%，為提升產(chǎn)品表面質(zhì)量起到了積極作用，同時降低了工人勞動強(qiáng)度，增強(qiáng)了操作安全性。該控制系統(tǒng)在螺旋縫焊管行業(yè)具有一定的通用性和實用性，可為類似生產(chǎn)線控制改進(jìn)提供借鑒和參考。

螺旋縫焊管機(jī)組拆卷防散卷自動控制系統(tǒng)在帶鋼總長計算時，采用夾送機(jī)前進(jìn)信號及步長差修正值進(jìn)行簡化計算，使計算更加簡便快捷，后20圈下壓控制可通過系統(tǒng)計算后，采取適當(dāng)?shù)牟介L遞進(jìn)縮短下壓時間周期來模擬實現(xiàn)每走一圈料下壓調(diào)整一次。