周書亮， 王立民， 袁華麗， 李汝江，孫志剛， 江 淵， 崔明亮

（渤海裝備華油鋼管有限公司， 河北 青縣062658）

1 概 述

回轉(zhuǎn)車是螺旋焊管機(jī)組主要設(shè)備之一， 其目的是將切割的鋼管從機(jī)組區(qū)域輸送到精整區(qū)域，具有鋼管輸送、 倒運(yùn)的作用。 華油鋼管有限公司螺旋焊管生產(chǎn)線回轉(zhuǎn)車設(shè)備采用手動(dòng)操作方式，正常工作過程中， 當(dāng)運(yùn)管車把鋼管放到回轉(zhuǎn)車輥道上時(shí)， 操作人員在回轉(zhuǎn)車的起點(diǎn)位置操作旋鈕， 回轉(zhuǎn)車的兩組走輪分別在行走輥道1 和行走輥道2 上行走。 運(yùn)行到終點(diǎn)位置時(shí)， 鋼管從回轉(zhuǎn)車的輥道輸送到清渣區(qū)域， 操作人員再操作回轉(zhuǎn)車返回到起點(diǎn)位置， 完成整個(gè)流程。 回轉(zhuǎn)車的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 焊管機(jī)組回轉(zhuǎn)車結(jié)構(gòu)示意圖

以生產(chǎn)Φ813 mm×14.2 mm 規(guī)格螺旋焊管為例， 切割一根鋼管的平均時(shí)間約為8.3 min， 回轉(zhuǎn)車完成一個(gè)運(yùn)行流程的時(shí)間約為3 min， 在手動(dòng)操作方式下， 需要專人值守， 勞動(dòng)強(qiáng)度大， 工作效率低。 回轉(zhuǎn)車設(shè)備如果發(fā)生故障， 維修時(shí)間過長， 容易造成焊管機(jī)組停機(jī)， 影響正常生產(chǎn)。因此， 設(shè)計(jì)一種回轉(zhuǎn)車自動(dòng)控制及故障預(yù)警系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)車自動(dòng)運(yùn)行以及異常狀況故障預(yù)警， 進(jìn)而提前維護(hù)處理， 對提高生產(chǎn)效率、 保障焊管機(jī)組正常運(yùn)行具有重要意義。

2 回轉(zhuǎn)車自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 運(yùn)行過程

回轉(zhuǎn)車運(yùn)行具有手動(dòng)/自動(dòng)兩種控制模式， 自動(dòng)控制模式下， 在回轉(zhuǎn)車起點(diǎn)位， 當(dāng)回轉(zhuǎn)車上的傳感器檢測到鋼管并且運(yùn)管車的托料勾在下限位時(shí)， PLC 程序發(fā)出指令， 控制回轉(zhuǎn)車向終點(diǎn)位運(yùn)行。 回轉(zhuǎn)車經(jīng)過減速限位、 停止限位后， 到達(dá)終點(diǎn)位， 地面輥道有料傳感器向PLC 發(fā)出信號， 以判斷輥道上有無鋼管， 若有鋼管， 回轉(zhuǎn)車在終點(diǎn)位等待； 若無鋼管， 回轉(zhuǎn)車上輸送輥道運(yùn)行， 把鋼管送到地面輥道。 當(dāng)鋼管脫離回轉(zhuǎn)車時(shí)， 回轉(zhuǎn)車自動(dòng)返回到起點(diǎn)位， 完成一個(gè)控制流程。

2.2 控制原理

回轉(zhuǎn)車自動(dòng)控制系統(tǒng)功能如圖2 所示。 現(xiàn)場控制系統(tǒng)為西門子控制元件， 采用PROFINET主從控制模式。 以西門子S7-1500PLC 作為PLC主站， ET200MP 分站與主站建立通訊， 完成采集信號處理、 冗余運(yùn)算、 邏輯控制及觸摸屏通訊[2]； 西門子SM521 模塊完成傳感器檢測信號的采集， 并將信號傳遞給PLC 主站； 觸摸屏完成設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示及故障預(yù)警功能。

圖2 回轉(zhuǎn)車自動(dòng)控制系統(tǒng)功能圖

2.3 安全措施

（1） 在回轉(zhuǎn)車起點(diǎn)位， 當(dāng)運(yùn)管車把鋼管放到回轉(zhuǎn)車上時(shí)， 若鋼管長度超出地面檢測傳感器位置， 則PLC 程度控制回轉(zhuǎn)車輥道反轉(zhuǎn)， 直到鋼管到達(dá)后退限位； 若鋼管到達(dá)后退限位后， 鋼管的另一端未脫離地面檢測傳感器位置， 則在觸摸屏上顯示報(bào)警提示。

（2） 在回轉(zhuǎn)車自動(dòng)運(yùn)行區(qū)域人員出入口裝有安全光幕傳感器， 在自動(dòng)運(yùn)行下， 當(dāng)有人員進(jìn)入時(shí)， 安全光幕傳感器向PLC 發(fā)出信號， PLC 程序自動(dòng)切斷自動(dòng)模式， 只能手動(dòng)操作回轉(zhuǎn)車， 從而保證人員和設(shè)備運(yùn)行的安全。

3 硬件組成

3.1 檢測機(jī)構(gòu)

回轉(zhuǎn)車自動(dòng)控制檢測機(jī)構(gòu)主要由鋼管有料傳感器、 管頭檢測傳感器、 管尾檢測傳感器、鋼管脫離檢測傳感器、 超長檢測傳感器、 回轉(zhuǎn)車實(shí)時(shí)位置檢測編碼器及傳感器支架組成。 開關(guān)量檢測采用電感式接近傳感器， 檢測距離為0～75 mm[3-4]， 傳感器支架為伸縮帶高度可調(diào)機(jī)構(gòu)， 可根據(jù)生產(chǎn)不同規(guī)格鋼管對傳感器高度進(jìn)行調(diào)整[5]； 編碼器安裝在回轉(zhuǎn)車走輪上， 用來測量回轉(zhuǎn)車運(yùn)行的實(shí)時(shí)位置。

鋼管有料傳感器安裝在回轉(zhuǎn)車中間位置， 檢測有無鋼管； 管頭和管尾傳感器通過PLC 程序邏輯判斷鋼管是否位置放偏； 鋼管脫離傳感器控制回轉(zhuǎn)車自動(dòng)返回動(dòng)作； 超長傳感器安裝在地面上， 檢測到鋼管信號時(shí)， 控制回轉(zhuǎn)車輥道電機(jī)執(zhí)行反轉(zhuǎn)動(dòng)作， 使鋼管在安全范圍內(nèi)運(yùn)行。

3.2 PLC 控制系統(tǒng)

PLC 控制系統(tǒng)主要由CPU 模塊、 SM521 信號輸入模塊、 SM522 信號輸出模塊、 ET200MP（從站） 模塊和G120 變頻器組成， 主要完成傳感器信號的采集運(yùn)算、 回轉(zhuǎn)車行走、 輥道電機(jī)運(yùn)行等控制。

本研究中PLC 系統(tǒng)為S7-1500 系列1513 產(chǎn)品， 采用新型的背板總線技術(shù)、 高波特率和高傳輸協(xié)議， 信號處理速度更快。 S7-1513 PLC 集成PROFINET 接口， 可實(shí)現(xiàn)低成本快速組態(tài)的現(xiàn)場級通信和公司網(wǎng)絡(luò)通信， 便于車間層控制網(wǎng)絡(luò)與生產(chǎn)管控層網(wǎng)絡(luò)的融合， 大大減少了通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換的工作量。

3.3 觸摸屏

觸摸屏實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示及故障預(yù)警功能， 便于維護(hù)人員及時(shí)了解回轉(zhuǎn)車設(shè)備狀況， 出現(xiàn)異常時(shí)報(bào)警提示。 本系統(tǒng)采用西門子SIMATIC 精智TP1200 觸摸屏， 支持USB、MPI、 PROFIBUS-DP 和Ethernet 通 訊， 可 直 接與西門子S7 系列PLC 建立通訊并進(jìn)行變量連接。 TP1200 自帶報(bào)警系統(tǒng)， 可用博途軟件對其進(jìn)行組態(tài)。 PLC 與觸摸屏采用PROFINET 通訊方式。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 檢測控制

為了避免干擾信號造成設(shè)備誤動(dòng)作情況發(fā)生， PLC 系統(tǒng)采用檢測信號導(dǎo)通后定時(shí)器延時(shí)觸發(fā)控制邏輯， 消除瞬間擾動(dòng)信號的影響。 鋼管放到回轉(zhuǎn)車體上時(shí)， 由于鋼管直度、 橢圓度等形貌的影響， 出現(xiàn)管頭、 管尾與輥道輸送線存在一定夾角的情況， 在輥道輸送過程中， 鋼管容易偏離輸送輥道掉落地面。 為避免這種情況發(fā)生， 在輸送輥道中心線上對應(yīng)的鋼管管頭、 管尾處各設(shè)置一組檢測傳感器， 只有這兩組傳感器同時(shí)檢測到鋼管信號時(shí)， 才允許執(zhí)行輸送指令， 確保系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行的可靠性。

編碼器用來檢測回轉(zhuǎn)車的實(shí)時(shí)位置以及起點(diǎn)和終點(diǎn)的精確定位。 為避免回轉(zhuǎn)車主動(dòng)輪打滑對編碼器測量精度的影響， 編碼器安裝在被動(dòng)輪上。在PLC 硬件組態(tài)中， 設(shè)置編碼器為連續(xù)計(jì)數(shù)模式，計(jì)數(shù)范圍為-2 147 483 648～2 147 483 647， PLC 程序通過SM550 模塊對采集的信號進(jìn)行運(yùn)算[6]， 轉(zhuǎn)換為回轉(zhuǎn)車行走位置， 計(jì)算程序如圖3 所示。

在回轉(zhuǎn)車送管完畢返回起點(diǎn)時(shí)， 采用雙重信號檢測方式， 只有車體以及地面輥道都檢測不到鋼管信號時(shí)， 才允許回轉(zhuǎn)車執(zhí)行返回動(dòng)作， 避免因檢測傳感器失效、 鋼管管尾還沒有脫離回轉(zhuǎn)車時(shí)， 回轉(zhuǎn)車自動(dòng)返回情況的發(fā)生。

PLC 程序通過對檢測傳感器信號的邏輯判斷， 控制回轉(zhuǎn)車自動(dòng)執(zhí)行送管、 返回動(dòng)作， 實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)流程控制[7-8]， 自動(dòng)控制程序模塊如圖4所示。

圖3 回轉(zhuǎn)車位置計(jì)算程序

圖4 回轉(zhuǎn)車自動(dòng)控制程序模塊

4.2 觸摸屏組態(tài)

（1） 觸摸屏組態(tài)軟件采用博途V15.1， 是西門子發(fā)布的一款全新的集成自動(dòng)化軟件， 也是業(yè)內(nèi)首個(gè)采用統(tǒng)一的工程組態(tài)和軟件項(xiàng)目環(huán)境的自動(dòng)化軟件， 用戶能夠快速、 直觀地開發(fā)和調(diào)試自動(dòng)化系統(tǒng)， 可對西門子全集成自動(dòng)化中所涉及的所有自動(dòng)化和驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品進(jìn)行組態(tài)、 編程和調(diào)試，適合所有工業(yè)領(lǐng)域的解決方案， 支持多語言， 可以集成到所有自動(dòng)化解決方案內(nèi)。

（2） 在本設(shè)計(jì)中， 博途V15.1 通過PROFINET與PLC 主站建立變量連接， 變量表見表1。

表1 連接變量表

在博途軟件組態(tài)設(shè)置界面中， 觸摸屏通訊地址設(shè)置為192.168.66.22， 訪問點(diǎn)為S7ONLINE，經(jīng)過參數(shù)設(shè)置后， 與PLC 主站建立通訊連接[9-10]，圖5 為組態(tài)通訊界面。

圖5 組態(tài)通訊界面

（3） 通過博途軟件組態(tài)界面和PLC 主站的通訊連接， 將PLC 的參數(shù)讀取到軟件中。 為了便于查找設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的故障， 設(shè)計(jì)了故障自診斷預(yù)警系統(tǒng)， 該系統(tǒng)經(jīng)過傳感器采集設(shè)備運(yùn)行信息， 進(jìn)行多條件邏輯組合判斷， 實(shí)現(xiàn)故障提示、 易損件 （如軸承、 走輪） 定期維護(hù)保養(yǎng)提示和故障預(yù)警 （溫度、 振動(dòng)量異常等），達(dá)到對于設(shè)備故障及異常狀況進(jìn)行報(bào)警和預(yù)警提示[11-12]的效果， 圖6 為回轉(zhuǎn)車控制系統(tǒng)界面。

圖6 回轉(zhuǎn)車控制系統(tǒng)界面

4.3 應(yīng)用效果

回轉(zhuǎn)車自動(dòng)控制系統(tǒng)改造完成后， 實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)無人值守作業(yè)， 縮短了鋼管運(yùn)送流程時(shí)間，在降低了故障率的同時(shí)， 提高了設(shè)備有效作業(yè)率。 表2 為回轉(zhuǎn)車控制系統(tǒng)改造前后對比情況?；剞D(zhuǎn)車控制系統(tǒng)改造完成后， 已安全、 穩(wěn)定運(yùn)行16 122 h， 合并操作崗位1 個(gè)。

表2 回轉(zhuǎn)車控制系統(tǒng)改造前后效果對比

5 結(jié)束語

焊管機(jī)組回轉(zhuǎn)車自動(dòng)控制系統(tǒng)采用關(guān)鍵控制指令雙重檢測方式、 檢測信號延時(shí)觸發(fā)控制邏輯、 區(qū)域安全防護(hù)保障措施、 PLC 邏輯判斷以及控制硬件單元自動(dòng)執(zhí)行運(yùn)行指令， 實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)車全自動(dòng)流水線作業(yè)， 確保了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。 同時(shí)， 通過傳感器采集設(shè)備運(yùn)行信息和控制算法， 實(shí)現(xiàn)了故障報(bào)警、 保養(yǎng)預(yù)警提示等功能， 提高了設(shè)備有效作業(yè)率， 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、 可靠。