□李 鋼□張 輝□韓保材

1北鋼管業(yè)（營(yíng)口）有限公司 遼寧營(yíng)口 115007

2中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司 北京 100176

直縫埋弧焊管生產(chǎn)線自動(dòng)化控制系統(tǒng)

□李 鋼1□張 輝2□韓保材1

1北鋼管業(yè)（營(yíng)口）有限公司 遼寧營(yíng)口 115007

2中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司 北京 100176

概述了直縫埋弧焊管生產(chǎn)線自動(dòng)化控制系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的主要功能與控制設(shè)備。在實(shí)際應(yīng)用中，這一控制系統(tǒng)體現(xiàn)了技術(shù)先進(jìn)性、適用性與可靠性，確保了整條生產(chǎn)線的安全穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)用效果良好。

北鋼管業(yè)（營(yíng)口）有限公司新建了1626mm直縫雙面埋弧焊管（JCOE）[1]生產(chǎn)線，設(shè)計(jì)年產(chǎn)直徑406～1 626mm大口徑直縫埋弧焊管（LSAW）25萬t，產(chǎn)品品種為管線管、結(jié)構(gòu)管、流體管。控制系統(tǒng)由中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)制造，主要控制鋼板上料裝置、鋼板輸送平輥道、鋼板對(duì)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(tái)架、板面清掃裝置、內(nèi)外焊縫清理裝置、光電檢測(cè)裝置和液壓潤(rùn)滑系統(tǒng)等。

1 控制系統(tǒng)概述

自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用成熟、可靠、先進(jìn)、實(shí)用的控制技術(shù)和設(shè)備，硬件設(shè)計(jì)時(shí)，在確保設(shè)備完整性、可靠性、先進(jìn)性的同時(shí)，兼顧操作方便、維護(hù)簡(jiǎn)單。硬件設(shè)備選型盡可能統(tǒng)一品牌、型號(hào)，以降低硬件設(shè)備的備品備件數(shù)量。軟件設(shè)計(jì)方面，以標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)化程度高。

電控系統(tǒng)由兩級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成，通過兩類通信網(wǎng)絡(luò)連接，組成并行運(yùn)算、集中管理、分散控制、資源共享的分布式計(jì)算機(jī)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(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的控制軟件包為前提，針對(duì)PROFIBUS-DP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)通信全數(shù)字變頻裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)[3]與傳動(dòng)系統(tǒng)之間完全通過網(wǎng)絡(luò)交換信息，構(gòu)成全數(shù)字化控制系統(tǒng)。控制信息和系統(tǒng)狀態(tài)信息通過以太網(wǎng)和輸入輸出PROFINET或PROFIBUS協(xié)議網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交換，由人機(jī)界面（HMI）計(jì)算機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成全廠監(jiān)控系統(tǒng)。

先進(jìn)硬件與可靠控制軟件的組合，使系統(tǒng)具有如下主要特點(diǎn)。

（1）先進(jìn)的傳動(dòng)及控制性能，在硬件上保證了系統(tǒng)的可靠性。

（2）獨(dú)立開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、參數(shù)化控制軟件，自動(dòng)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(dòng)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(chǎn)線工藝設(shè)備主要由單機(jī)設(shè)備和運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)備組成，單機(jī)設(shè)備通過運(yùn)輸系統(tǒng)[4]連接在一起。各單機(jī)設(shè)備均帶有獨(dú)立的電控系統(tǒng)，單機(jī)設(shè)備自帶的液壓站由各單機(jī)成套控制。運(yùn)輸系統(tǒng)由運(yùn)輸輥道、小車及各區(qū)域液壓站等設(shè)備組成。將所有單機(jī)及運(yùn)輸設(shè)備無縫集成在一起，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線所需要的控制功能，保持整個(gè)系統(tǒng)的完整性。

運(yùn)輸系統(tǒng)可與各個(gè)單機(jī)分別通信，通信方式根據(jù)單機(jī)實(shí)際情況確定，主要有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)硬接線、PROFIBUS-DP DP/DP耦合器以及以太網(wǎng)。

2.2 小車電氣設(shè)備與主線供電、通信連接方式

自動(dòng)引導(dǎo)運(yùn)輸車（通常稱小車）上設(shè)置獨(dú)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(dòng)電機(jī)控制中心（MCC）與變頻器安裝在小車上，小車焊接電氣設(shè)備可以放置在焊接系統(tǒng)的電氣柜中。

小車上電氣設(shè)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(shè)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(qū)動(dòng)，橫移通過變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)（焊接縱向小車采用伺服電機(jī)）。小車橫移定位通過編碼器實(shí)現(xiàn)，定位誤差在±4 cm以內(nèi)。

由于小車定位工位較多，每個(gè)定位過程累加之后時(shí)間就比較長(zhǎng)，因此如能實(shí)現(xiàn)快速定位，則能節(jié)省較多時(shí)間。傳動(dòng)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(chéng)的專有技術(shù)，按照給定波形移動(dòng)，通過位置增量限幅控制最大移動(dòng)速度，使位置逐步給定，再根據(jù)反饋逐步檢查，最后達(dá)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(shí)間短，很好地解決了穩(wěn)定性問題。

2.4 小車運(yùn)料控制

小車運(yùn)料控制以最大程度滿足設(shè)備工藝生產(chǎn)節(jié)奏為原則。小車運(yùn)料工位用一個(gè)狀態(tài)字來表示，單個(gè)小車運(yùn)料時(shí)，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(shí)，運(yùn)料方向使?fàn)顟B(tài)字變小，即向出料方向運(yùn)料。兩個(gè)小車聯(lián)合運(yùn)料時(shí)，對(duì)于進(jìn)管車而言，放管工序控制等級(jí)最高，取管工序次之，倒管工序最低；對(duì)于出管車而言，取管工序等級(jí)最高，放管工序次之，倒管工序最低。可臨時(shí)改變運(yùn)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(gè)檢測(cè)元件[7]（PS1、PS2）和一個(gè)編碼器來完成，PS2同時(shí)可用于輥道工位檢查，編碼器[8]安裝在一個(gè)非傳動(dòng)的測(cè)量輥上，檢測(cè)元件及測(cè)量輥安裝在運(yùn)管小車前的運(yùn)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(shí)物圖

（1）當(dāng)鋼管由輥道輸送通過測(cè)量輥，頭部到達(dá)檢測(cè)元件PS2位置時(shí)，PLC開始計(jì)數(shù)。

（2）鋼管繼續(xù)前進(jìn)，當(dāng)管尾到達(dá)PS1位置時(shí)，PLC采樣當(dāng)前計(jì)數(shù)值。

（3）通過上述兩步，PLC測(cè)出鋼管的長(zhǎng)度，計(jì)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(yùn)轉(zhuǎn)來實(shí)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(rèn)跟蹤方式，區(qū)域內(nèi)局部自動(dòng)跟蹤，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物料流向控制。

人工確認(rèn)跟蹤時(shí)，各單機(jī)設(shè)備以操作人員確認(rèn)進(jìn)行跟蹤，運(yùn)輸輥道、小車等運(yùn)輸設(shè)備及緩沖區(qū)域?qū)︿摴茉瓌t上不進(jìn)行識(shí)別及跟蹤。人工確認(rèn)跟蹤方式實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，實(shí)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(shè)定和監(jiān)控功能。

HMI主要畫面和功能如下。

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

（2）監(jiān)控畫面。提供傳動(dòng)合分閘、自動(dòng)控制功能選擇等操作功能，提供設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)和實(shí)際運(yùn)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(shè)備、信號(hào)、層次區(qū)分的診斷功能，由不同顏色進(jìn)行狀態(tài)標(biāo)記。

（5）報(bào)警畫面。提供報(bào)警信息的顯示、存儲(chǔ)與自動(dòng)打印功能，提供傳動(dòng)故障碼在線查詢功能。

2.8 遠(yuǎn)程診斷

提供遠(yuǎn)程診斷及服務(wù)功能，功能關(guān)系如圖4所示。遠(yuǎn)程診斷的主要優(yōu)點(diǎn)如下。

（1）實(shí)現(xiàn)PLC遠(yuǎn)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(yuǎn)程診斷示意圖

（2）L1、L2工程師站遠(yuǎn)程協(xié)助、實(shí)時(shí)交流。

（3）基于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集分析、診斷。

（4）24 h在線提供支持服務(wù)。

（5）可減少維護(hù)人員，降低維護(hù)成本，提高維護(hù)效率，減少系統(tǒng)故障維護(hù)時(shí)間。

3 系統(tǒng)控制設(shè)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(shù)運(yùn)算速度快，能滿足各種復(fù)雜、高速實(shí)時(shí)控制的要求，且具有很高的可靠性。

該系列PLC的主要特點(diǎn)如下。

（1）運(yùn)算速度快，在比例積分微分算法和數(shù)學(xué)函數(shù)運(yùn)算等方面特別突出，尤其適用于生產(chǎn)線自動(dòng)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(wǎng)絡(luò)接口，適合在網(wǎng)絡(luò)化大系統(tǒng)應(yīng)用。

（4）編程指令豐富，功能強(qiáng)，使用簡(jiǎn)單方便。

（5）結(jié)構(gòu)化編程功能強(qiáng)。

全線運(yùn)輸系統(tǒng)分為4個(gè)控制區(qū)域，分別由單獨(dú)的PLC完成控制，CPU型號(hào)為319-3PN/DP，掃描時(shí)間不超過40 ms，資源占有率不超過70%。運(yùn)管小車本體的控制采用ET200SCPU。區(qū)域性液壓站由單獨(dú)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(wǎng)絡(luò)與主PLC進(jìn)行通信?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)置遠(yuǎn)程輸入輸出站，所有現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)就近進(jìn)入遠(yuǎn)程輸入輸出站內(nèi)，以減少控制電纜長(zhǎng)度。集中操作臺(tái)操作信號(hào)進(jìn)入臺(tái)內(nèi)遠(yuǎn)程輸入輸出站，就地操作箱根據(jù)需要設(shè)置遠(yuǎn)程輸入輸出站。

CPU框架及所有輸入輸出站設(shè)計(jì)時(shí)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(hào)。

3.3 操作臺(tái)、箱設(shè)置原則

（1）在運(yùn)輸系統(tǒng)（運(yùn)輸輥道、小車等）較復(fù)雜的單機(jī)操作室內(nèi)設(shè)置集中操作臺(tái)。

（2）在加工、檢查、修磨等人工操作工位設(shè)置就地操作點(diǎn)。

（3）在原料入口及成品出口處設(shè)置就地操作點(diǎn)。

此外，對(duì)4組修補(bǔ)工位增加無線操作盒，具體位置以最終設(shè)計(jì)為準(zhǔn)。

3.4 HMI系統(tǒng)

包括工程站在內(nèi)，全線共設(shè)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(hào)、管號(hào)、材質(zhì)、規(guī)格、客戶信息、生產(chǎn)班組、生產(chǎn)時(shí)間等。中央控制室HMI用于對(duì)軟件開放的單體設(shè)備和輔連設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。

表3 生產(chǎn)線HMI系統(tǒng)配置

HMI系統(tǒng)采用研華工業(yè)計(jì)算機(jī)，軟件選用西門子WINCC，每臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)配置一套軟件。

4 結(jié)論

北鋼管業(yè)（營(yíng)口）有限公司JCOE生產(chǎn)線的基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，在借鑒國(guó)內(nèi)多家制管生產(chǎn)線輔連設(shè)備和電控系統(tǒng)，并結(jié)合國(guó)內(nèi)現(xiàn)有JCOE生產(chǎn)線新技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證了供貨設(shè)備和技術(shù)的先進(jìn)性、適用性、可靠性，確保了整條生產(chǎn)線的順利可靠運(yùn)行，實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)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(chǎn)；自動(dòng)控制；應(yīng)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(chǎn)與設(shè)備維護(hù)工作