冷軋管機(jī)連續(xù)軋制管縫位置檢測控制系統(tǒng)

楊鵬，張杰，李麗，劉杰，周文浩，劉衛(wèi)華(.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西西安7003;.山東壽光巨能特鋼有限公司，山東濰坊67)

冷軋管機(jī)連續(xù)軋制管縫位置檢測控制系統(tǒng)

楊鵬1，張杰1，李麗1，劉杰1，周文浩1，劉衛(wèi)華2
(1.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西西安710032;2.山東壽光巨能特鋼有限公司，山東濰坊262711)

冷軋管機(jī)的管縫檢測問題一直制約著高速冷軋管機(jī)的發(fā)展，高速生產(chǎn)的冷軋管機(jī)由于無法及時觀察管縫位置的變化，會造成諸多生產(chǎn)事故。利用現(xiàn)有的檢測設(shè)備，搭建合適的控制系統(tǒng)框架，并且研究相對應(yīng)的工藝算法編寫合適的的程序，將已有的距離問題轉(zhuǎn)化成軋制次數(shù)問題，并通過該控制系統(tǒng)自動完成各個生產(chǎn)流程的工藝動作，避免了人為操作的失誤。

管縫檢測控制系統(tǒng);工藝算法;軋制次數(shù)

0　前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，近年來在核電、熱電、化肥、化工、化纖、醫(yī)藥衛(wèi)生、食品、石油鉆探、軸承制造業(yè)、煤炭開采、航天航空和軍事工業(yè)等領(lǐng)域需求大量的冷軋無縫鋼管，同時，我國每年也要向國外出口大量的鋼管。因此，市場大量需求高速全自動冷軋管機(jī)。在高速冷軋管機(jī)生產(chǎn)過程中，當(dāng)前后兩根管材的管縫進(jìn)入主機(jī)座時，因?yàn)檐堉扑俣容^快，操作工人無法及時觀察管縫的具體位置。由于管縫位置的不確定性，操作工人也無法相應(yīng)的做到對軋機(jī)各部件的協(xié)調(diào)動作，容易造成以下故障:1)入口卡盤未及時打開，管端撞壞入口卡盤;2)出口卡盤未及時打開，管端撞壞出口卡盤，并造成芯棒孔型損壞，軋機(jī)悶車;3)快速拉出裝置未及時工作，導(dǎo)致兩只管材相叉或同時擠在出口卡盤的空心軸內(nèi)，無法取出;4)管縫進(jìn)入軋制區(qū)時，主機(jī)未及時降速，導(dǎo)致前后兩管相叉，造成生產(chǎn)事故。

冷軋管機(jī)正朝著連續(xù)高速的軋制方向發(fā)展，設(shè)備自動化程度越來越高，在軋制過程中，根據(jù)前后兩管接縫(以下簡稱管縫)實(shí)時的位置，軋機(jī)各部件動作要相應(yīng)自動調(diào)整，以滿足生產(chǎn)要求，其中當(dāng)管縫進(jìn)入口卡盤時要將入口卡盤卡爪打開，以免管端頂?shù)娇ㄗ?管縫進(jìn)入軋制區(qū)時要求降速軋制，以免造成前后兩管相插。前一根子管子軋制完后，要將出口卡盤卡爪打開，管子由快拉裝置自動快速拉出，防止前后兩管相插或同時擠在出口卡盤的空心軸內(nèi)無法取出，造成生產(chǎn)事故。當(dāng)前一根管子完全拉出后，后一根管子進(jìn)入出口卡盤當(dāng)中時，出口卡盤關(guān)閉，主機(jī)升至正常軋制速度。以往的低速不連續(xù)上料軋機(jī)，這些過程全由人工操作完成，而高速軋制的全自動連續(xù)上料軋管機(jī)生產(chǎn)速度較快，每分鐘擺動次數(shù)近200次，依靠人工觀察十分困難，管縫位置的不確定會帶來諸多生產(chǎn)事故，產(chǎn)品的質(zhì)量也無法得到的保證，同時也無法高效的實(shí)現(xiàn)冷軋管機(jī)的連續(xù)全自動化生產(chǎn)。本文的實(shí)際意義在于提供一種新型的檢測方法，解決現(xiàn)有技術(shù)的問題。

1　管縫檢測控制系統(tǒng)的硬件組成

管縫檢測控制系統(tǒng)的硬件包括PLC控制器、人機(jī)界面HMI、主電機(jī)調(diào)速裝置、電磁閥繼電器、出入口卡盤液壓裝置、渦流環(huán)形管縫檢測儀器、送進(jìn)電機(jī)驅(qū)動裝置和主機(jī)編碼器。如圖1所示，其中，PLC控制器分別通過工業(yè)以太網(wǎng)連接人機(jī)界面HMI、通過控制電纜與渦流環(huán)形管縫檢測儀器相連，通過SECROS光纖與送進(jìn)電機(jī)驅(qū)動裝置相連，通過Profibus網(wǎng)同主電機(jī)調(diào)速裝置相連，PLC的輸出模塊通過控制電磁閥繼電器連接出入口卡盤液壓裝置，送進(jìn)電機(jī)驅(qū)動裝置輸入端通過特殊電纜與主軸編碼器相連。

圖1　管縫檢測系統(tǒng)硬件配置圖Fig.1Thehardwareconfigurationofseamdetection diagram

各硬件之間均由主PLC來協(xié)調(diào)控制，分別完成各程序段的動作輸出。

2　管縫檢測控制系統(tǒng)的檢測步驟

圖2為軋管機(jī)主機(jī)座與管縫檢測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。該冷軋管機(jī)管縫檢測控制方法，包含如下步驟:

圖2　主機(jī)座與管縫檢測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2Themillstandandtheseamdetectionsystem schematicdiagram

(1)通過人機(jī)界面HMI輸入測量好的渦流環(huán)形管縫檢測儀器1與入口卡盤卡爪前端的距離L1、入口卡盤卡爪前端與卡爪末端的距離L2、入口卡盤卡爪末端與主機(jī)座內(nèi)軋制區(qū)內(nèi)軋制第一點(diǎn)的距離L3、軋制區(qū)內(nèi)軋制第一點(diǎn)到芯棒上軋制完成點(diǎn)的距離L4、軋制完成點(diǎn)到出口卡盤卡爪末端的距離;

(2)通過輸入PLC內(nèi)的程序計算得出管縫分別走完渦流環(huán)形管縫檢測儀器與入口卡盤卡爪前端的距離L1、入口卡盤卡爪前端與卡爪末端的距離L2、入口卡盤卡爪末端與主機(jī)座內(nèi)軋制區(qū)內(nèi)軋制第一點(diǎn)的距離L3、軋制區(qū)內(nèi)軋制第一點(diǎn)到芯棒上軋制完成點(diǎn)的距離L4、軋制完成點(diǎn)到出口卡盤卡爪末端的距離的不同軋制次數(shù);

(3)當(dāng)管縫到達(dá)渦流環(huán)形管縫檢測儀器與入口卡盤卡爪前端的距離L2時，程序自動輸出，通過PLC控制器的輸出端接通電磁閥繼電器和出入口卡盤液壓裝置，打開入口卡盤;

(4)當(dāng)管縫到入口卡盤卡爪前端與卡爪末端的距離達(dá)L3時，程序自動輸出，通過PLC控制器的輸出端接通電磁閥繼電器和出入口卡盤液壓裝置，關(guān)閉入口卡盤;

(5)當(dāng)管縫到達(dá)入口卡盤卡爪末端與主機(jī)座內(nèi)軋制區(qū)內(nèi)軋制第一點(diǎn)的距離L3時，程序自動輸出，PLC控制器通過主電機(jī)調(diào)速裝置將主機(jī)速度降至原有速度的80%，主機(jī)降速反應(yīng)給主機(jī)編碼器，同時通過送進(jìn)電機(jī)驅(qū)動裝置降低送進(jìn)電機(jī)送進(jìn)頻率。

(6)當(dāng)管縫到達(dá)軋制區(qū)內(nèi)軋制第一點(diǎn)到芯棒上軋制完成點(diǎn)的距離L4時，程序自動輸出，通過PLC控制器的輸出端接通出口卡盤打開電磁閥繼電器、打開出口卡盤。檢測到出口卡盤打開后，快速拉出輥道電機(jī)工作，將軋制好的前一根管材快速從芯棒上拉出;

(7)當(dāng)管縫到達(dá)軋制完成點(diǎn)至出口卡盤卡爪末端的距離L5時，程序自動輸出，通過PLC控制器的輸出端接通出口卡盤，關(guān)閉電磁閥繼電器，關(guān)閉出口卡盤。PLC控制器通過主電機(jī)調(diào)速裝置將主機(jī)升速至正常工作速度，主機(jī)升速后反應(yīng)給主機(jī)編碼器，同時提高送進(jìn)電機(jī)送進(jìn)頻率，程序恢復(fù)至原有的工作狀態(tài)。

3　管縫檢測方法中的軋制次數(shù)的計算

根據(jù)步驟(2)的敘述，程序需要提前編好，編寫程序的首要前提就是要有一個合適的計算方法。該文的核心也正是選擇合適的計算方法。

軋機(jī)空車運(yùn)轉(zhuǎn)，無送進(jìn)時，管縫保持不動;管縫未進(jìn)軋制變形區(qū)時，在送進(jìn)接通后，管縫會以設(shè)定好的送進(jìn)量向出料方向移動;當(dāng)管縫進(jìn)入軋制區(qū)時，管縫會以比設(shè)定的的送進(jìn)量還快的速度向出料移動。軋制工藝規(guī)格、送進(jìn)量、管子尺寸偏差均會影響到管縫的移動速度，為了準(zhǔn)確的確定管縫的位置，將已有的長度和軋制速度的問題轉(zhuǎn)換成求解一段區(qū)間內(nèi)的軋制次數(shù)，由此本文計算原理:管子軋制前和軋制后管子的總體積保持不變。

圖3為變形段送進(jìn)示意圖(序號4、7與圖2序號一致)，根據(jù)圖3設(shè)定變量。

圖3　變形段送進(jìn)示意圖Fig.3 Deformation to the schematic diagram

(1)L1和L2內(nèi)軋制次數(shù)計算。管坯在L1和L2內(nèi)送進(jìn)時管坯無變形發(fā)生，因此可以推算出該段內(nèi)的軋制次數(shù)就是的長度除以送進(jìn)量和段的長度除以送進(jìn)量。

管縫在渦流環(huán)形管縫檢測儀器與入口卡盤卡爪前端的距離內(nèi)的軋制次數(shù)n1為:

管縫在入口卡盤卡爪前端與卡爪末端的距離L2內(nèi)的軋制次數(shù)n2為

(2)L3內(nèi)軋制次數(shù)計算。管坯在L3內(nèi)發(fā)生變形，根據(jù)金屬變形后體積不變的原理，發(fā)生變形的管坯與送進(jìn)的管坯總量應(yīng)該體積相同。根據(jù)圖3所示，發(fā)生變形前的管坯是一個空心圓臺，定義送進(jìn)一次后的空心圓臺體積為Va，由圖3推出公式

管坯進(jìn)入軋制區(qū)后經(jīng)過變形可以等效為一個空心平截圓錐體，定義該區(qū)域內(nèi)的空心平截圓錐體體積為Vb，其體積為:

根據(jù)金屬變形后體積不變的原則，L3變形區(qū)的送進(jìn)次數(shù)n3應(yīng)該為變形區(qū)的管材總體積除以每次送進(jìn)的體積，即:

(3)L4和L5內(nèi)軋制次數(shù)的計算。當(dāng)管材進(jìn)入L4時金屬變形已經(jīng)完成，將軋制變形后的延伸系數(shù)定義為λ。延伸系數(shù)就是管坯橫截面積與成品管橫截面積的比值。通過工藝參數(shù)的已知量，管坯外徑D0，管坯壁厚t0，成品管外徑D1，成品管壁厚t1，可以計算出λ，即

軋制完成后發(fā)生金屬變形后的實(shí)際長度應(yīng)該是原有長度的λ倍。在L4和L5段內(nèi)管坯已經(jīng)徹底完成變形，實(shí)際送進(jìn)量變長，設(shè)該實(shí)際送進(jìn)量為S1，即

由此可以計算出管縫在軋制區(qū)內(nèi)軋制第一點(diǎn)到芯棒上軋制完成點(diǎn)的距離L4內(nèi)的軋制次數(shù)n4:

管縫在軋制完成點(diǎn)到出口卡盤卡爪末端的距離L5內(nèi)的軋制次數(shù)n5為:

4　管縫檢測程序的編寫

根據(jù)前述的結(jié)果，結(jié)合已有的各種檢測設(shè)備來編寫相應(yīng)的程序，控制系統(tǒng)的流程圖如圖4所示，當(dāng)渦流檢測裝置檢測到管縫進(jìn)入時，該裝置向PLC發(fā)出信號，PLC調(diào)用已經(jīng)編寫好的管縫檢測程序。

首先記錄渦流環(huán)形管縫檢測儀器與入口卡盤卡爪前端的距離L1內(nèi)的軋制次數(shù)。我們通過安裝在曲軸箱側(cè)的編碼器可以反應(yīng)出實(shí)時的軋制角度，由于軋管機(jī)是一個往復(fù)運(yùn)動的工作狀態(tài)，可以通過一個減速箱將往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為一個圓周運(yùn)動。編碼器可以通過反應(yīng)圓周運(yùn)動來得知軋管機(jī)主機(jī)架位置，圓周運(yùn)動當(dāng)中的每一點(diǎn)或者每一個范圍都是不同的，因此只需要記錄任一角度范圍走過的次數(shù)，即可得到相應(yīng)的軋制次數(shù)。通過PLC的數(shù)值比較模塊以及計數(shù)器模塊就可以完成該任務(wù)。當(dāng)編碼器通過設(shè)定好的角度范圍時接通一個中間變量，同時讓該中間變量為計數(shù)器模塊CU1的輸入端，同時將計算值轉(zhuǎn)為該計數(shù)器的數(shù)值預(yù)置量。當(dāng)軋制次數(shù)到達(dá)n1時，計數(shù)器模塊輸出一個中間變量。通過該中間變量打開入口卡盤，同時接通L2區(qū)域內(nèi)的計數(shù)器CU2的輸入端。根據(jù)L1的控制過程類推后續(xù)各段的過程，當(dāng)軋制次數(shù)依次達(dá)到相應(yīng)的軋制次數(shù)n2，n3，n4，n5時，計數(shù)器模塊CU2，CU3，CU4，CU5分別輸出一個中間變量，這些中間變量相應(yīng)的接通各自流程內(nèi)的動作。到達(dá)n2時關(guān)閉入口卡盤，到達(dá)n3時主機(jī)減速(根據(jù)工藝要求的速度)，到達(dá)n4時打開出口卡盤，同時快拉裝置啟動將軋制好的鋼管迅速拉出，到達(dá)n5時關(guān)閉出口卡盤，同時主機(jī)升速至正常軋制速度。

圖4　控制系統(tǒng)流程圖Fig.4 Flow chart of control system diagram

5　結(jié)論

本文通過對管縫檢測問題的研究，找到了一種合適的算法，通過程序的編寫和控制系統(tǒng)硬件的搭配實(shí)現(xiàn)了管縫檢測的自動化控制，將以往的人工控制改成了全自動控制，提高了設(shè)備的安全性，對高速生產(chǎn)的設(shè)備有非常重要的意義。該方法已經(jīng)成功應(yīng)用于中國重型機(jī)械研究院生產(chǎn)的LG15、LG25、LG40、LG60等型號的高速冷軋管機(jī)上，并達(dá)到了預(yù)期效果。本研究項目獲得專利:ZL2013 2 0411158.9。

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Control system of cold pilger m ill seam detection

YANG Peng1，ZHANG Jie1，LILi1，LIU Jie1，ZHOUWen-hao1，LIUWei-hua2
(1.China National Heavy Machinery Research Institute Co．，Ltd．，Xi'an 710032，China; 2.Shandong Shouguang Juneng Special Steel Co．，Ltd．，Weifang 262711，China)

The problems of cold pilgermill seam detection always restrict the development of high-speed cold pilger mill，the lack of timely observation tube seam change of location uncertainty would cause lots of accidents．Under the present circumstances，a suitable control framework system is set up to study the corresponding process algorithm with writing appropriate programs，which lead the existing distance issue to a stroke time question．This controlling process could act flow action automatically，which avoid the error of artificial operation

system of seam detection;algorithm;stroke times

TG333

A

1001－196X(2015)02－0012－05

2014－10－11;

2015－01－21

楊鵬(1984－)，男，中國重型機(jī)械研究院股份公司工程師。