螺旋焊管精焊機(jī)組驅(qū)動(dòng)輥角度的自動(dòng)控制

李 強(qiáng)

(中油寶世順(秦皇島)鋼管有限公司，河北 秦皇島 066206)

螺旋焊管精焊機(jī)組驅(qū)動(dòng)輥角度的自動(dòng)控制

李 強(qiáng)

(中油寶世順(秦皇島)鋼管有限公司，河北 秦皇島 066206)

為了實(shí)現(xiàn)精焊機(jī)組驅(qū)動(dòng)輥角度與焊槍跟蹤滑板的閉環(huán)控制，提高鋼管運(yùn)行的穩(wěn)定性及跟蹤精度，利用從跟蹤滑板采集的焊槍偏移信號(hào)，通過使用西門子PID控制塊FB41對(duì)驅(qū)動(dòng)輥角度進(jìn)行比例積分控制，可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輥角度的定量調(diào)節(jié)，大大提高驅(qū)動(dòng)輥角度的調(diào)節(jié)速度與調(diào)節(jié)精度，使焊槍跟蹤焊縫時(shí)可以在滑板中點(diǎn)附近位置運(yùn)行，從而保證焊縫的跟蹤精度及焊接的穩(wěn)定性，對(duì)有效提高精焊焊接質(zhì)量有著重要意義。

螺旋焊管；精焊機(jī)組；驅(qū)動(dòng)輥角度閉環(huán)控制；西門子PLC；SEW伺服

龍門架式精焊機(jī)組使用兩組頂驅(qū)式驅(qū)動(dòng)輥，驅(qū)動(dòng)鋼管在正交輥道上運(yùn)行。驅(qū)動(dòng)輥角度調(diào)整通過伺服電機(jī)進(jìn)行控制，可在0°～90°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。在鋼管焊接時(shí)，驅(qū)動(dòng)輥角度與預(yù)焊后鋼管螺旋線方向一致，使鋼管沿螺旋線方向運(yùn)行，保證焊接點(diǎn)位置固定。在內(nèi)外焊使用META激光跟蹤系統(tǒng)對(duì)焊縫進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，控制驅(qū)動(dòng)滑板帶動(dòng)焊槍移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)焊縫的自動(dòng)跟蹤。

盡管如此，由于驅(qū)動(dòng)輥角度設(shè)定不準(zhǔn)確以及鋼管在正交輥道運(yùn)行時(shí)竄動(dòng)等原因，鋼管在運(yùn)行時(shí)焊點(diǎn)位置可能會(huì)出現(xiàn)縱向移動(dòng)。若焊接時(shí)鋼管焊點(diǎn)位置偏移過大，雖然焊槍在跟蹤系統(tǒng)的控制下可以一直跟隨焊縫，但由于內(nèi)焊滑板的移動(dòng)范圍只有±80mm，有可能出現(xiàn)內(nèi)焊滑板運(yùn)行到極限位置，導(dǎo)致無(wú)法繼續(xù)跟蹤焊點(diǎn)的情況，對(duì)焊接造成很大影響。在這種情況下，我們提出了驅(qū)動(dòng)輥角度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)閉環(huán)控制的解決方案。

1 驅(qū)動(dòng)輥角度控制

1.1 硬件組成

驅(qū)動(dòng)輥角度調(diào)整使用SEW伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)器使用SEW配套的MDX61B系列伺服控制器。伺服控制器通過DFP21總線接口卡接入精焊?jìng)鲃?dòng)控制系統(tǒng)西門子S7-300PLC的Profibus-DP總線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)分布式總線控制。精焊?jìng)鲃?dòng)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)如圖1所示。

圖1 精焊?jìng)鲃?dòng)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)圖

1.2 驅(qū)動(dòng)輥角度計(jì)算及控制

驅(qū)動(dòng)輥角度調(diào)整使用位置控制方式，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)高精度定位控制。電機(jī)安裝有高精度絕對(duì)值編碼器，精度為4 096 P/R。電機(jī)運(yùn)行定位控制精度可以達(dá)到1 P。從驅(qū)動(dòng)輥0°位置為起點(diǎn)開始運(yùn)行，90°位置對(duì)應(yīng)的編碼器脈沖為325 482。通過電機(jī)配套減速機(jī)與外部齒輪減速后，可以計(jì)算出驅(qū)動(dòng)輥角度旋轉(zhuǎn)1°對(duì)應(yīng)的編碼器計(jì)數(shù)脈沖為3 616，因此，可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輥角度的高精度控制。通過PLC程序進(jìn)行換算，在焊接不同規(guī)格鋼管時(shí)只需要在觸摸屏上輸入所需的驅(qū)動(dòng)輥角度，即可實(shí)現(xiàn)高精度快速自動(dòng)換道。

1.3 驅(qū)動(dòng)輥角度調(diào)整方式

圖2 精焊控制系統(tǒng)觸摸屏界面

精焊控制系統(tǒng)觸摸屏界面如圖2所示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)輥角度在焊接時(shí)手動(dòng)調(diào)整和自動(dòng)調(diào)整兩種控制功能。在手動(dòng)模式下，操作人員可以根據(jù)鋼管運(yùn)行的偏移情況，利用操作按鈕對(duì)驅(qū)動(dòng)輥角度進(jìn)行微調(diào)，每次調(diào)整量可以在觸摸屏上設(shè)定，最小控制精度可以達(dá)到0.01°。在自動(dòng)模式下，系統(tǒng)可以根據(jù)焊接滑板的偏移量自動(dòng)對(duì)驅(qū)動(dòng)輥角度進(jìn)行調(diào)整。

2 焊槍跟蹤滑板控制

2.1 焊槍移動(dòng)機(jī)構(gòu)組成

精焊內(nèi)、外焊的焊槍分別安裝在內(nèi)、外焊的二維驅(qū)動(dòng)滑板上，隨著驅(qū)動(dòng)滑板移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫的跟蹤。驅(qū)動(dòng)滑板分為縱向移動(dòng)滑板和高度調(diào)節(jié)滑板，用于控制焊槍的縱向焊縫跟蹤與高度跟蹤。各滑板均由三菱伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

2.2 焊縫跟蹤控制

精焊焊接控制系統(tǒng)由西門子S7-300系列PLC、工控機(jī)、三菱伺服控制器等元件構(gòu)成。從激光跟蹤系統(tǒng)發(fā)出的控制信號(hào)，經(jīng)過焊接系統(tǒng)PLC處理，通過三菱伺服控制器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)行，帶動(dòng)焊槍移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤。

2.3 滑板位置信號(hào)采集

三菱伺服電機(jī)安裝有增量式編碼器，與伺服控制器連接。由于三菱伺服控制器不具有DP總線接口，無(wú)法直接與西門子PLC建立總線通訊，因此系統(tǒng)使用了西門子FM350-2高速計(jì)數(shù)器對(duì)編碼器數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。讀取到的信號(hào)經(jīng)過PLC處理與計(jì)算，換算為以mm為單位的位置數(shù)據(jù)并顯示在觸摸屏上。精焊機(jī)組信號(hào)傳輸系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 精焊機(jī)組信號(hào)傳輸系統(tǒng)圖

為保證跟蹤滑板在縱向運(yùn)行方向有一定的移動(dòng)余量，每次鋼管焊接前都會(huì)將焊槍復(fù)位到滑板中心位置，定義為參考原點(diǎn)。在焊接時(shí)，利用焊槍跟蹤焊縫后偏移原點(diǎn)的距離作為偏差信號(hào)，通過DP/DP Coupler將偏差信號(hào)傳輸至傳動(dòng)系統(tǒng)PLC，用于控制驅(qū)動(dòng)輥角度進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)。

3 驅(qū)動(dòng)輥角度閉環(huán)控制

3.1 PID閉環(huán)控制原理

式中：kp—比例系數(shù)；

Ti—積分時(shí)間常數(shù)；

Td—微分時(shí)間常數(shù)；

s—拉普拉斯算子。

在實(shí)際工程中，只需要調(diào)整合適的PID參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)高精度的閉環(huán)控制。這里采用西門子PLC的PID控制塊FB41進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.2 西門子PLC的PID控制

西門子功能塊FB41是連續(xù)控制的PID塊，用于控制連續(xù)變化的模擬量。它將PID控制原理程序化、模塊化，能夠比較容易地實(shí)現(xiàn)高精度的自動(dòng)閉環(huán)控制。

西門子連續(xù)控制PID控制程序?yàn)椋?/p>

3.2.1 主要輸入?yún)?shù)說(shuō)明

P_SEL：BOOL型變量，比例選擇位。該位為ON時(shí)，選擇P(比例)控制有效。本程序中用變量M200.1設(shè)置為ON。

I_SEL：BOOL型變量，積分選擇位。該位為ON時(shí)，選擇I(積分)控制有效。本程序中用變量M200.2設(shè)置為ON。

D_SEL：BOOL型變量，微分選擇位。該位為ON時(shí)，選擇D(微分)控制有效。本程序中未使用。

SP_INT：REAL型變量，PID的給定值。本程序中設(shè)置為0.0。

PV_IN：REAL型變量，PID的反饋值。本程序中設(shè)定變量ID40即為跟蹤滑板偏移原位的位置偏差信號(hào)。

GAIN：REAL型變量，比例增益。本程序中設(shè)定為2.5。

TI：TIME型變量，積分時(shí)間。本程序中設(shè)定為200 s。

TD：TIME型變量，微分時(shí)間。本程序中未使用微分，因此無(wú)效。

DEADB_W：REAL型變量，死區(qū)寬度。如果輸出在平衡點(diǎn)附近微小幅度振蕩，可以考慮用死區(qū)來(lái)降低靈敏度。本程序中設(shè)定為2。

LMN_HLM：REAL型變量，PID上極限。本程序中設(shè)定為100％。

LMN_LLM：REAL型變量，PID下極限。一般為0％，如果需要雙極性調(diào)節(jié)，則需設(shè)置為-100％。本程序中設(shè)定為-100％。

3.2.2 主要輸出參數(shù)說(shuō)明

LMN：REAL型變量，PID輸出。本程序中MD20即作為調(diào)整值反饋到驅(qū)動(dòng)輥角度設(shè)定值中，用于控制驅(qū)動(dòng)輥角度自動(dòng)調(diào)節(jié)。

LMN_P：REAL型變量，PID輸出中P的分量。

LMN_I：REAL型變量，PID輸出中I的分量。

LMN_D：REAL型變量，PID輸出中D的分量。

通過對(duì)西門子PID控制塊的比例、積分等相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)定與調(diào)試，利用跟蹤滑板實(shí)際位置與參考位置的偏差，對(duì)驅(qū)動(dòng)輥角度進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制，最終即可實(shí)現(xiàn)精焊驅(qū)動(dòng)輥角度與跟蹤滑板位置的全自動(dòng)閉環(huán)控制。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，利用從跟蹤滑板采集的焊槍偏移信號(hào)，通過使用西門子PID控制塊FB41對(duì)驅(qū)動(dòng)輥角度進(jìn)行比例積分控制，可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輥角度的定量調(diào)節(jié)，大大提高驅(qū)動(dòng)輥角度的調(diào)節(jié)速度與調(diào)節(jié)精度，使焊槍跟蹤焊縫時(shí)可以在滑板中點(diǎn)附近位置運(yùn)行，從而保證了焊縫的跟蹤精度，提高了焊接的穩(wěn)定性，對(duì)有效提高精焊焊接質(zhì)量有著重要意義。

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Study on the Automatic Closed-loop Control of the Driving Roller Angle in SAWH Pipe Two-step Welding Process

LI Qiang
(Zhongyou BSS(Qinhuangdao)Petro-pipe Co.,Ltd.,Qinhuangdao 066206,Hebei,China)

In order to realize closed-loop control for finish welding unit driving roller angle and welding torch tracking skateboard,to improve the stability of the steel pipe running and tracking accuracy.Using welding torch offset signal from the racking skateboard to carry out proportional integral control for driving roller angle through control block FB41,which can realize quantitative regulation of driving roller angle,greatly improve the regulating speed and precision of the driving roller angle,make the welding torch run near the midpoint of the skateboard position during tracking weld,thus guarantee the weld seam tracking precision and welding stability,it has important significance for effectively improve finish welding quality.

spiral welded pipe；finish welding machine；driving roller angle closed-loop control；SIEMENS PLC；SEW servo

TG439.9

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.08.010

李 強(qiáng)(1984—)，男，工程師，工學(xué)學(xué)士，現(xiàn)主要從事螺旋焊管預(yù)精焊生產(chǎn)線電氣設(shè)備管理與自動(dòng)化研究工作。

2016-05-12

李紅麗