螺旋縫焊管機(jī)組拆卷防散卷自動(dòng)控制系統(tǒng)研制

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(lái)，市場(chǎng)對(duì)鋼管外觀質(zhì)量要求越來(lái)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(jiǎn)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(wèn)題，母材表面損傷中，大部分是由于生產(chǎn)過(guò)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(duì)位移的滑動(dòng)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(guò)三輥矯平機(jī)時(shí)輥面擠壓鐵屑或異物，從而在焊管表面形成壓坑、麻點(diǎn)。

目前上料機(jī)靠人工肉眼觀察錐輪位置，手動(dòng)操作錐輪下壓，實(shí)時(shí)讓錐輪接觸鋼卷最里圈來(lái)避免散卷，而在實(shí)際操作時(shí)，受人工觀察視線、下壓跟進(jìn)不及時(shí)不同步等因素影響，從而會(huì)導(dǎo)致散卷。為解決該問(wèn)題，研制開發(fā)一套防散卷自動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)，以降低散卷發(fā)生率?，F(xiàn)對(duì)該螺旋縫焊管機(jī)組拆卷防散卷自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理、重要參數(shù)的推導(dǎo)和計(jì)算，以及錐輪過(guò)壓保護(hù)措施進(jìn)行介紹。

1 防散卷自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理

防散卷自動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 防散卷自動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)在自動(dòng)控制方面，是基于鋼卷出料圈數(shù)與定時(shí)時(shí)間、壓力檢測(cè)綁定的一種控制。每次新上鋼卷時(shí)，上位機(jī)輸入鋼卷質(zhì)量、板厚、板寬等參數(shù)，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出鋼卷總長(zhǎng)度、鋼卷圈數(shù)及每圈對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度。錐輪初始位置手動(dòng)調(diào)好后，啟動(dòng)自動(dòng)控制模式按鈕，PLC程序自動(dòng)檢測(cè)出對(duì)焊后夾送機(jī)前進(jìn)信號(hào)，根據(jù)送料速度和送進(jìn)時(shí)間計(jì)算帶鋼前進(jìn)長(zhǎng)度，帶鋼前進(jìn)長(zhǎng)度小于鋼卷外面20圈總長(zhǎng)度時(shí)，認(rèn)為帶鋼出料在20圈范圍，使用定時(shí)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(shí)中止下壓。剩余圈數(shù)鋼卷的下壓控制，由程序自動(dòng)判斷，每走完一圈料的長(zhǎng)度便自動(dòng)下壓1次，壓至油缸上腔壓力達(dá)1.8 MPa時(shí)停止。該螺旋縫焊管機(jī)組拆卷防散卷自動(dòng)控制系統(tǒng)采用自動(dòng)控制模式，但是人工干預(yù)優(yōu)先。

前20圈每3 min定時(shí)下壓一次、20圈之后每圈下壓一次的設(shè)計(jì)理由是：前面20圈開卷時(shí)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(jì)算

2.1 鋼卷近似圈數(shù)的求解

每個(gè)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(zhǎng)度LC=Z/Z1；而鋼廠里鋼卷總長(zhǎng)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)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(guò)編制程序求解上述一元二次方程，就可得出每個(gè)鋼卷的近似圈數(shù)x，取正值。

2.2 鋼卷前20圈總長(zhǎng)度的計(jì)算

鋼卷從外往里數(shù)第i圈的對(duì)應(yīng)長(zhǎng)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(zhǎng)度SLi為：

由公式（3）可求得鋼卷從外往里數(shù)前20圈的總長(zhǎng)度SL20為：

2.3 帶鋼前進(jìn)實(shí)時(shí)總長(zhǎng)度計(jì)算

帶鋼前進(jìn)實(shí)時(shí)總長(zhǎng)度=送進(jìn)速度×送進(jìn)時(shí)間。送進(jìn)速度可以通過(guò)將夾送機(jī)變頻器速度模擬電位器信號(hào)送入PLC獲取。計(jì)算送進(jìn)時(shí)間時(shí)，每卷料頭到達(dá)對(duì)焊機(jī)，取對(duì)焊完成后的熄弧信號(hào)（編制程序識(shí)別是焊接完的熄弧信號(hào)）和夾送機(jī)開始送進(jìn)信號(hào)作為帶鋼送進(jìn)開始計(jì)時(shí)的起點(diǎn)和終點(diǎn)，中途如果停止送進(jìn)則計(jì)時(shí)暫停，恢復(fù)送進(jìn)則計(jì)時(shí)累加。

對(duì)于對(duì)焊中出現(xiàn)的異常狀況，如同一個(gè)對(duì)頭焊接時(shí)出現(xiàn)不止一次的起弧、熄弧，在編制程序時(shí)應(yīng)充分考慮如何判斷最后一次熄弧信號(hào)。

帶鋼送進(jìn)時(shí)間計(jì)算PLC程序如圖2所示。

3 錐輪過(guò)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(hào)是由壓力傳感器測(cè)量的下壓油缸壓力來(lái)終止的。壓力傳感器安裝在錐輪油缸上腔油路中，測(cè)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(dòng)作保護(hù)措施：在程序上做了一個(gè)對(duì)錐輪軸承的下壓保護(hù)，錐輪接觸鋼卷內(nèi)圈表面開始計(jì)時(shí)，設(shè)置了持續(xù)壓制時(shí)間上限值，壓制時(shí)間達(dá)到上限值，及時(shí)中止錐輪油缸對(duì)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(guò)度而變形。

圖2 帶鋼送進(jìn)時(shí)間計(jì)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(shí)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(shí)間關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的測(cè)試與建立時(shí)，下壓計(jì)時(shí)時(shí)間在上位機(jī)中設(shè)置，需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲得。經(jīng)測(cè)試，得出了持續(xù)下壓時(shí)間與下壓油缸壓力上限值對(duì)應(yīng)關(guān)系，具體見表1。下壓計(jì)時(shí)起始點(diǎn)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(shí)間?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試L485M 17.5 mm鋼卷時(shí)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(shí)際生產(chǎn)的防散卷需要，沒(méi)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(cè)試。

表1 持續(xù)下壓時(shí)間與下壓油缸壓力上限值對(duì)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(shí)持續(xù)下壓時(shí)間3.0 s，對(duì)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(cuò)動(dòng)；定時(shí)下壓持續(xù)時(shí)間4.2 s，對(duì)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(yǔ)

螺旋縫焊管機(jī)組拆卷防散卷自動(dòng)控制系統(tǒng)自2018年4月投入使用以來(lái)，經(jīng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用運(yùn)行驗(yàn)證，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，控制效果良好，較好地解決了因散卷帶來(lái)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(shí)降低了工人勞動(dòng)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(shí)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(dòng)控制系統(tǒng)在帶鋼總長(zhǎng)計(jì)算時(shí)，采用夾送機(jī)前進(jìn)信號(hào)及步長(zhǎng)差修正值進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，使計(jì)算更加簡(jiǎn)便快捷，后20圈下壓控制可通過(guò)系統(tǒng)計(jì)算后，采取適當(dāng)?shù)牟介L(zhǎng)遞進(jìn)縮短下壓時(shí)間周期來(lái)模擬實(shí)現(xiàn)每走一圈料下壓調(diào)整一次。