鋼管擴徑機組自動化與信息化系統(tǒng)研究與應用

楊正法，王東明

（天水鍛壓機床（集團）有限公司，甘肅 天水741020）

鋼管擴徑機組是輸送油、氣大口徑直縫鋼管生產(chǎn)線必備專用設備。其作用有三：其一，對鋼管徑向進行擴張到精確的圓度和直徑；其二，消除鋼管在冷折過程中產(chǎn)生的雜亂應力，增加材料的屈服強度；其三，對鋼管進行一次檢測[1]。該機組能提高大口徑直縫鋼管幾何精度、鋼管強度、增加鋼管安全性、延長鋼管使用壽命。2006年之前，我國鋼管擴徑機組全部依賴進口。

1 鋼管擴徑機組機械設備配置及功能

鋼管擴徑機組由擴徑機主機和輔機共七臺套設備組成，基本配置和功能如下。

（1）進、出料鋼管橫移車。包括進料鋼管橫移車和出料鋼管橫移車。進料鋼管橫移車完成將鋼管送入鋼管前沖洗工位，待前沖洗完成后將鋼管送入擴徑工位。出料橫移車完成將擴徑后的鋼管運出擴徑工位，送到鋼管后沖洗工位，待后沖洗完成后，將鋼管送到下道工序。

（2）擴徑機主機。包括擴徑機快速復合動力油缸、擴徑機拉桿、擴徑頭等部件組成。

①快速復合動力油缸。該油缸是擴徑機的關鍵部件之一。由于鋼管擴徑過程分為整圓、擴脹成形、卸載回彈3 個階段，因此要求擴徑速度快、時間短，為此設計了快速復合動力油缸，將油缸工作劃分為快速進給、快速擴徑、緩沖卸壓、快速返程四個沖程。

②擴徑頭。擴徑機擴徑頭涉及到擴徑頭摩擦副材質(zhì)選配，擴徑過程中錐體與模塊之間摩擦副材料選用以及熱處理工藝等關鍵技術。

③擴徑機拉桿。擴徑機拉桿是擴徑機快速復合動力油缸與擴徑頭之間傳遞動力的關鍵部件, 拉桿最小直徑覬310mm，長度15m。

④擴徑頭、擴徑機拉桿潤滑系統(tǒng)。擴徑頭錐體與扇形塊之間相互滑動面及扇形塊垂直滑動面在工作行程承受很高的壓強,因此必須實行主動潤滑, 潤滑劑為親水型擴徑機油,以便可用水清洗[2]。由于擴徑頭承受力大，抗膠合能力差，對水基潤滑油的抗膠合能力、抗磨損力要求很高，因此，對自動潤滑控制系統(tǒng)設計要求較高。

（3）校直機系統(tǒng)。鋼管在擴徑過程中利用五輥校直系統(tǒng)對鋼管進行校直，提高擴徑后鋼管直線度。

（4）托輥系統(tǒng)。由固定托桿輥、固定拖頭輥、擺動托桿輥、擺動拖頭輥、鋼管旋轉(zhuǎn)輥、鋼管送料輥等部件組成。主要完成擴徑拉桿、擴徑頭不擴徑時的固定支撐與擴徑時的擺動避讓，鋼管焊縫12 點位置的旋轉(zhuǎn)找正，鋼管擴徑時的輔助送料。

（5）鋼管送進車系統(tǒng)。包括夾鉗升降伺服系統(tǒng)，鋼管送料系統(tǒng)。鋼管擴徑時的定長步進送料，鋼管擴徑完成后的快速返回均由鋼管送進車完成。在鋼管擴徑過程中夾鉗伺服系統(tǒng)配合校直機系統(tǒng)、自動步進升降，完成鋼管校直。

（6）前、后沖洗系統(tǒng)。由乳化液沖洗、擴徑頭沖洗、清水沖洗等系統(tǒng)組成。前沖洗系統(tǒng)完成鋼管內(nèi)壁清洗，保證鋼管內(nèi)無焊渣、焊劑、氧化皮等雜物，保證鋼管擴徑頭安全；清水沖洗系統(tǒng)將擴徑過程中附著在鋼管內(nèi)壁的水基潤滑油進行沖洗；擴徑頭沖洗系統(tǒng)沖洗擴徑頭模片表面各種殘留物，確保擴徑頭使用安全和壽命。圖1 給出了擴徑機主機和輔機共七臺套機械設備配置。

圖1 鋼管擴徑機組機械系統(tǒng)設備配置圖

2 鋼管擴徑機組自動控制軟硬系統(tǒng)

鋼管擴徑機組完成鋼管擴徑的全過程自動控制。包括鋼管定長步進送進；快速復合動力油缸速度和位置電液比例控制，擴徑力電液比例壓力控制；擴徑機組機械參數(shù)、工作參數(shù)設定；當前加工工序、工藝流程、故障實時監(jiān)控。

（1）鋼管擴徑機組自動控制系統(tǒng)規(guī)劃。規(guī)劃為一個主操作臺從站；一個夾鉗送進車從站柜；一個進料橫移車從站箱；一個校直機從站柜；一個后沖洗從站柜；一個擴徑頭電液比例控制從站柜；一個油泵控制、油箱控制從站柜；一個橫移車及前沖洗從站柜；一個出料橫移車從站箱；一個主站控制柜；一個校直機從站柜。每個柜（箱）內(nèi)配置有不同功能的CC-Link從站模塊。圖2 給出了鋼管擴徑機組自動控制系統(tǒng)主/從站柜（箱）站地址以及模塊名稱。

（2）快速復合動力油缸控制需要大流量、大通徑電液比例控制，實現(xiàn)復合動力油缸四個沖程運行中系統(tǒng)快速響應穩(wěn)定運行，完成油缸位置、速度半閉環(huán)控制。

①控制系統(tǒng)組成。油缸速度和位置反饋傳感器，通過掛接在CC-Link 總線的高速計數(shù)模塊（8#～11#從站），將油缸位置和速度信號反饋給Q02H-CPU，由Q02H-CPU 計算出油缸實時控制值，通過掛接在CC-Link 總線的模擬量輸出模塊（6# 從站），控制比例方向閥的開度和方向，電液比例方向閥控制油缸運行，組成速度、位置閉環(huán)電液比例控制系統(tǒng)。

圖2 鋼管擴徑機機組自動控制系統(tǒng)拓撲圖

②工作原理。高速計數(shù)模塊（8#～11#從站）的兩個通道CH1 和CH2 中，快速復合動力油缸使用CH2通道。計數(shù)器控制字定義為“304H”,即計數(shù)器模式為非掉電保持型，周期計數(shù)模式，兩相輸入四倍頻。該計數(shù)器完成：參考點修正，目標值與當前值比較計算，發(fā)出電液比例系統(tǒng)快速、慢速、停止控制信號。

③D/A 轉(zhuǎn)換模塊（6# 從站）初始化與控制字的設置采用Gx Developer 編程軟件設置網(wǎng)絡和自動刷新模塊參數(shù)。打開該編程軟件，進入“網(wǎng)絡參數(shù)”選項，打開“遠程設備站初始化設定”，進行初始化設定，D/A 模塊控制字設定為“0000H”，即D/A 模塊的CH1 和CH2 通道輸出信號為正負0～10 伏電壓信號，數(shù)字量轉(zhuǎn)換范圍0～4095。

圖3 鋼管擴徑機組PLC-MES 接口-MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫鏈接圖

（3）鋼管擴徑機組自動控制軟件系統(tǒng)。鋼管擴徑機組軟件系統(tǒng)設計出符合鋼管擴徑工藝流程要求程序。程序結構的好壞直接影響到擴徑機組工藝流程的順暢、程序的編程效率、通用性、可靠性、可讀性、可維修性以及程序編制的工作量[3]。擴徑機組工藝流程主要以順序工作為主，因此軟件設計采用SFC（Sequential Function Chart）順序控制語言。

鋼管擴徑機組SFC 軟件功能模塊分為高速計數(shù)模塊、D/A（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換模塊、A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換模塊、變頻器遠程設備站、HMI 人機界面鏈接模塊、擴徑機專用快速緩沖復合動力油缸壓力、速度、位置計算方法模塊、比例方向閥、比例壓力閥控制模塊等。

3 鋼管擴徑機組MES系統(tǒng)接口

MES（Manufacturing Execution System）是一種部署在企業(yè)生產(chǎn)車間的信息和通訊系統(tǒng)，可用在車間現(xiàn)場實時收集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，當發(fā)生事件時提供實時反饋，根據(jù)當前數(shù)據(jù)進行指導和處理[4]。

（1）采用三菱MES 接口模塊，可以直接把PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)采集并傳送到數(shù)據(jù)庫。將鋼管擴徑機工作狀態(tài)信息、擴徑工藝的實時分析和管理，建立一個可視化管理系統(tǒng)。通過管理鋼管擴徑機錐體和模片的使用次數(shù)，根據(jù)鋼管擴徑機歷史數(shù)據(jù)來預測其使用壽命，實現(xiàn)模片有計劃的更換和保養(yǎng)。將鋼管擴徑機內(nèi)部控制參數(shù)，工藝參數(shù)等信息實時上傳，為大口徑直縫鋼管生產(chǎn)線MES系統(tǒng)提供“管控一體化”交互式基礎數(shù)據(jù),實現(xiàn)鋼管擴徑機組與車間級MES系統(tǒng)的無縫鏈接。圖3 給出了基礎數(shù)據(jù)從鋼管擴徑機組PLC 到MES 接口再到車間MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的鏈接過程。

（2）PLC-MES 接口-MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)鏈接過程如下：①標簽功能。將網(wǎng)絡上的各可編程控制器CPU 軟元件數(shù)據(jù)，以標簽為單位進行數(shù)據(jù)采集。②觸發(fā)監(jiān)視功能。監(jiān)視標簽的值，在觸發(fā)條件成立時啟動觸發(fā)緩沖功能。觸發(fā)條件由數(shù)值監(jiān)視、時間循環(huán)監(jiān)視和握手信號組成。③觸發(fā)緩沖功能。在觸發(fā)條件成立時，將數(shù)據(jù)緩沖到MES 接口的內(nèi)存中，為緩沖數(shù)據(jù)執(zhí)行（數(shù)據(jù)運算和數(shù)據(jù)發(fā)送）作準備。④SQL 文發(fā)送功能。MES 接口自動生產(chǎn)的SQL 文（Structured Query Language 結構化查詢語言）和數(shù)據(jù)庫進行通訊的功能。選擇（select）功能通過將SQL 文發(fā)送到數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)庫的值寫入到標簽要素，儲存到臨時變量中，為以后在其它動作中作為變量使用。更新（update）和插入（insert）功能，將標簽要素的值和臨時變量的值嵌入到QSL 文中，將值寫入到數(shù)據(jù)庫中。⑤運算處理功能。對標簽要素值進行運算，運算結果帶入標簽要素或臨時變量中。⑥程序執(zhí)行功能。在作業(yè)活動執(zhí)行之前和作業(yè)執(zhí)行之后，執(zhí)行應用程序，實現(xiàn)精確的信息鏈接。⑦DB（Data Base 數(shù)據(jù)庫）鏈接功能。在網(wǎng)絡斷開的情況下，將未發(fā)送的SQL 文緩沖到MES 接口的存儲卡中，待網(wǎng)絡恢復后再將SQL 文發(fā)送到數(shù)據(jù)庫中，保證數(shù)據(jù)安全、可靠。

4 結束語

鋼管擴徑機組自動化與信息化系統(tǒng)成功應用于我國首臺自主研發(fā)的鋼管擴徑機組。2007年我公司出口墨西哥的鋼管擴徑機組是按照美洲電網(wǎng)標準設計的[5]，結束了我國鋼管擴徑機組長期依賴進口的局面。

[1]孫奎遠，王東明，蔣文凱，等.鋼管擴徑機組自動控制系統(tǒng)：中國，200710018012[P].2011-02-16.

[2]杜喜代，杜海波.單頭機械擴徑機拉力分析[J].鍛壓裝備與制造技術，2010，45（1）.

[3]王東明.基于STEP7 的順序控制編程方法[J].機床電氣，2009，（2）.

[4]鄧 超，胡國奮，畢英杰，等.SJ/Z11362-2006 企業(yè)信息化技術規(guī)范制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）規(guī)范[S].北京：中國標準出版社，2006.

[5]袁 鑫，平 偉.460V60Hz 三相異步電機在380V50Hz 電網(wǎng)下的試車策略[J].鍛壓裝備與制造技術，2012，47（1）.