一種新型無縫管脫脂線的工藝及自動控制流程

沈斌杰

(浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州313008)

一種新型無縫管脫脂線的工藝及自動控制流程

沈斌杰

(浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州313008)

介紹了新型無縫管在線脫脂線的工藝自動化控制流程。該脫脂生產(chǎn)線采用全自動化生產(chǎn)模式，大幅度降低人工工時，摒棄傳統(tǒng)不銹鋼的酸洗工藝，與傳統(tǒng)工藝相比，提高了生產(chǎn)率，在一定程度上改善了鋼管過度腐蝕的問題，并大幅降低了對環(huán)境的危害，滿足了工業(yè)自動化的要求。脫脂裝置采用外脫脂和內(nèi)脫脂相結(jié)合的方式，分別由300PLC和200PLC全線控制，界面清晰、操作簡單，維護方便，對鋼管脫脂線的規(guī)劃和自動化設(shè)計具有一定的借鑒作用。

在線脫脂；DP通訊；傳感器；二維碼打標(biāo)

0 前言

伴隨著社會工業(yè)自動化的不斷推進，無縫管生產(chǎn)工藝也不斷進行著更新，鋼管生產(chǎn)中的傳統(tǒng)酸洗工藝由于勞動強度高，環(huán)境污染嚴(yán)重等原因慢慢被新型的脫脂工藝所取代，自動化的脫脂生產(chǎn)線正是未來無縫管生產(chǎn)工藝中的重頭戲。它具有污染大幅降低，設(shè)備自動化取代人工程度高，規(guī)模化，產(chǎn)業(yè)化，機動性高，更便于流水線式的工藝流程。且設(shè)備采用工控主流西門子300PLC控制具有可靠性高、便于后期維護及運行穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

1 在線脫脂工藝流程

1.1 在線鋼管外表面清洗工藝

鋼管外表面脫脂采用在線進行，由前道變形設(shè)備送出的鋼管進入在線外脫脂噴淋機構(gòu)中心進行脫脂環(huán)洗、旋轉(zhuǎn)環(huán)刷、脫脂環(huán)洗，后經(jīng)壓縮空氣風(fēng)刀吹干，二維碼打標(biāo)，再由外脫脂機后道夾送機構(gòu)把鋼管送入齊料V型輥道。 鋼管由軋機以2 m/min速度和31°～57°的旋轉(zhuǎn)角度進入鋼管外表面脫脂線。進入脫脂設(shè)備前在鋼管前端用軟塞塞住后，進入在線外脫脂噴淋機構(gòu)中心(鋼管起初前進動力由前道設(shè)備出口機提供，鋼管軋制結(jié)束后，由軋機給外脫脂設(shè)備發(fā)送完成信號，后由外脫脂夾送機構(gòu)夾送) 。如圖1所示，脫脂液在一定的溫度(60～75 ℃)和壓力(0.3～0.5 MPa)進行360°脫脂環(huán)洗、旋轉(zhuǎn)360°環(huán)刷、360°脫脂環(huán)洗，經(jīng)過四次環(huán)洗和一次旋轉(zhuǎn)環(huán)刷后，經(jīng)風(fēng)刀吹干，由夾送機構(gòu)將鋼管在V型輥道送至齊平一端，并由拔料機構(gòu)將單根鋼管拔至自動打標(biāo)機構(gòu)打標(biāo)工位，對鋼管齊平一端進行自動徑向打標(biāo)碼，如圖2所示；鋼管在儲料斜臺架上存儲(斜臺架帶氣缸振動裝置)，后由分料撥料機構(gòu)將儲料斜臺架上的鋼管單支撥入外表面清洗設(shè)備前的V型輥道，再由四輪四驅(qū)夾送裝置輸送進入外表面清洗工序。

圖1 外脫脂箱示意圖

鋼管外表面清洗采用在線進行，鋼管進入在線外表面清洗噴淋機構(gòu)中心進行熱水環(huán)洗、旋轉(zhuǎn)環(huán)刷、熱水環(huán)洗，熱風(fēng)風(fēng)刀干燥，再由夾送機構(gòu)把鋼管送入下一工序鋼管頭尾端自動鋸切倒棱。

圖2 打標(biāo)示意圖

完成打標(biāo)后, 鋼管由夾送機構(gòu)以20～30 m/min速度進入鋼管外表面清洗噴淋機構(gòu)中心進行清洗。熱水在溫度60～75℃和壓力0.3～0.5 MPa進行360°熱水環(huán)洗、旋轉(zhuǎn)360°環(huán)刷、360°熱水環(huán)洗，經(jīng)過四次環(huán)洗和一次旋轉(zhuǎn)環(huán)刷后，后經(jīng)進入風(fēng)刀干燥室，經(jīng)帶蒸汽U型管360o熱風(fēng)風(fēng)刀吹干，進入下道工序。

1.2 內(nèi)表面脫脂工藝

該工藝道次主要功能是去除軋制完成后鋼管內(nèi)表面的油污，保證鋼管內(nèi)表清潔。

當(dāng)管架上接近開關(guān)檢測到某個工位的鋼管存在時，引導(dǎo)機從停車位(停車位根據(jù)同批次最長鋼管的長度設(shè)定)起動，向鋼管方向前進。引導(dǎo)機上安裝的紅外高清視覺捕捉攝像頭，主要根據(jù)鋼管外壁鏡面反射程度對下方物體進行探測(如圖3)。并根據(jù)來料規(guī)格設(shè)定檢測范圍，檢測到鋼管后，把管頭位置信息反饋給PLC，由PLC根據(jù)計算出的管頭所在位置，指示機構(gòu)向鋼管運動。然后根據(jù)PLC計算出的位置停下，伸出抓手抓住鋼管，然后將噴嘴套入鋼管端部，自動密封后開動液體電磁閥沖洗管腔。每次沖洗后，都自動用壓縮空氣吹掃管腔。吹氣結(jié)束這時鋼管自動向前一工位撥位，同時翻料機構(gòu)又將下一支鋼管運送上來。每一根鋼管都經(jīng)過3道脫脂液加一道清水和最后一道打棉球后由輸送輥道運送到下道工序。

圖3 內(nèi)脫脂抓管原理圖

2 控制系統(tǒng)硬件

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

如圖4所示, 外脫脂控制系統(tǒng)主要由PLC300、變頻器、變頻電機、傳感器、氣缸、電磁閥、ET200等組成。

圖4 控制系統(tǒng)硬件組成

2.1.1 PLC的選型和主要控制方式

通過分析脫脂線的工藝流程,可以歸納出系

統(tǒng)對信號的處理集中為數(shù)字量的處理和伺服的控制。系統(tǒng)需要處理輸入/輸出點160多個，PLC要驅(qū)動12個氣缸、5個伺服電機，根據(jù)系統(tǒng)的功能需求(控制系統(tǒng)信號的數(shù)量)和便于后期優(yōu)化的需要，采用西門子PLC315-2DP/PN。該CPU具有較強的數(shù)字運算和處理能力，且兼DP通訊功能和TCP/IP以太網(wǎng)通訊功能，能較好的對系統(tǒng)進行控制和監(jiān)控。前道變形工序發(fā)出完成信號后，CPU經(jīng)過內(nèi)部處理，然后通過對變頻器的控制來驅(qū)動變頻電機，同時氣閥夾緊，把鋼管往外脫脂箱送。PLC通過傳感器反饋的信號判斷鋼管的實際位置，控制氣閥的夾緊和變頻電機的驅(qū)動。PLC的高速脈沖輸出點控制夾送輥變頻電機的高頻段輸出。PLC的I/O表如表1所示。

表1 主要I/O點概要

2.1.2 鋼管的打標(biāo)

外脫脂結(jié)束，鋼管由輸送輥道進入齊頭打標(biāo)工位。當(dāng)鋼管到達打標(biāo)機前傳感器(脈沖上升沿)，系統(tǒng)把鋼管的位置信號通過I/O點的形式發(fā)送給打標(biāo)機，打標(biāo)機接收到來料信息后，提示操作人員將鋼管信息在上位機上錄入并由系統(tǒng)自動匹配生成二維碼，打標(biāo)就緒。鋼管繼續(xù)前進，進入打標(biāo)，此時打標(biāo)機將正在打標(biāo)的狀態(tài)信息發(fā)送給PLC300，上位機顯示“鋼管正在打標(biāo)”。約60S當(dāng)打標(biāo)完成以后，打標(biāo)機將完成信息反饋給PLC300，氣閥再次夾緊，夾送輥反轉(zhuǎn)，鋼管離開打標(biāo)機。當(dāng)打標(biāo)機前傳感器下降沿信號觸發(fā)，夾送輥停止，氣閥打開，等待翻料機構(gòu)翻料。翻料機構(gòu)將鋼管翻上待料平臺，待料臺傳感器信號觸發(fā)，振動氣缸小幅度振動，使鋼管平穩(wěn)滾到待料臺最下方擋板，PLC計數(shù)。待料架儲存鋼管數(shù)量由上位機畫面設(shè)定，當(dāng)鋼管支數(shù)等于設(shè)定值時，擋板下降使一根鋼管掉落進下方V型輸送輥后，擋板升起。當(dāng)鋼管進入內(nèi)脫脂后繼續(xù)上料。

2.1.3 內(nèi)脫脂上料

關(guān)于內(nèi)脫脂的上料。鋼管在上內(nèi)脫脂之前，需要在兩頭切頭切尾并倒棱(在輸送輥道兩端各有一臺鋸切倒棱機)。原理與打標(biāo)相似。當(dāng)鋼管尾部切頭倒棱完成以后，鋼管離開鋸切倒棱機，鋸切機發(fā)送完成信號給PLC300。管尾離開鋸切倒棱前傳感器時，PLC作出指令，氣閥打開，夾送輥停止，等待翻料，進入內(nèi)脫脂工序。內(nèi)脫脂分為5個工位，前3個位脫脂液，第4道為清水，第5道為打棉球。每根鋼管經(jīng)過5道工位后，內(nèi)脫脂完成，翻料進輸送輥道，進入下道工序。具體為：當(dāng)鋼管鋸切倒棱完成，在等待翻料位，PLC300把鋼管位置信息通過DP通訊的方式發(fā)送給內(nèi)脫脂控制中樞(200PLC)。每個工位的自動抓管機構(gòu)主要靠可定位伺服系統(tǒng)和高清視覺捕捉器。200PLC的高速輸出模塊，通過輸出高速脈沖對伺服驅(qū)動器進行控制可以控制5個伺服，脈沖的頻率、脈沖數(shù)及加減速時間可以改變伺服電機的速度和位置。

O2D視覺定位系統(tǒng)。O2D高清視覺定位捕捉器是一種半導(dǎo)體材料，O2D上由許多并排排列整齊的電容，能夠感應(yīng)光線，并把捕捉到的影響信息，經(jīng)過處理(如曝光程度，范圍等)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。O2D上植入的微小的光敏物質(zhì)稱作像素(Pixel)。O2D上包含的像素越多，其捕捉到的畫面分辨率也越高。作為光電轉(zhuǎn)換式圖像傳感器，以其靈敏度高、體積小、分辨率高和采樣速度快等特點，成為現(xiàn)代電子學(xué)和現(xiàn)代測試工業(yè)中比較活躍的傳感器。調(diào)試軟件相對簡單，安裝好軟件后，可通過TCP/IP接口與PC電腦接連。配置PC電腦IP為192.168.0.XX(0～255)，子網(wǎng)掩碼255.255.255.0配置好后與傳感器連接，可根據(jù)鋼管的不同規(guī)格，對曝光程度、檢測范圍、反射面等參數(shù)進行調(diào)節(jié)。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)系統(tǒng)對人機界面的功能要求，選擇研華工控機和西門子HMI觸摸屏。此人機界面能與PLC進行實時通訊，顯示系統(tǒng)寄存器狀態(tài)和實時數(shù)據(jù)，對物料所在狀態(tài)有全方位的定位跟蹤。并具有報警列表功能，實時顯示當(dāng)前報警信息。

2.3 伺服控制系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)要求采用直線滑塊高精度螺旋絲桿及伺服馬達，確保重復(fù)精度0.1mm。所以選擇臺達ASD-B2-0721伺服驅(qū)動器和配套伺服電機。伺服驅(qū)動器工作在位置控制模式時，速度和位置取決于接收到的高速脈沖的個數(shù)和頻率，脈沖的個數(shù)決定伺服電機轉(zhuǎn)過的角度，脈沖的頻率決定伺服電機的轉(zhuǎn)速。伺服驅(qū)動器采用位置控制模式，通過自帶的CN1端口與PLC連接，接收PLC輸出使能信號，高速脈沖和方向指令， 同時向PLC輸入伺服驅(qū)動器狀態(tài)，CN2端口與伺服電機光電編碼器相連獲得伺服電機實時位置。滿足系統(tǒng)的精度要求。

3 控制系統(tǒng)軟件

(1)控制系統(tǒng)的軟件主要由外脫脂PLC300程序、內(nèi)脫脂PLC200程序和WinCC人機界面三部分組成。

(2)PLC300程序主要包括自動程序塊、手動程序、打標(biāo)通訊程序塊、鋸切倒棱通訊程序塊等。主程序是自動程序塊和手動程序塊，這兩個程序是核心，負責(zé)各功能塊的調(diào)用和對各信息的處理反饋，與HMI及內(nèi)脫PLC200部分的通訊。

(3) PLC200程序主要包括主程序、上料通訊程序、與外脫脂通訊程序塊、伺服控制塊、自動找管子程序等。主程序主要對內(nèi)脫脂狀態(tài)的監(jiān)測和對各子程序的調(diào)用，并通過PLC300與HMI通訊。

(4)人機界面系統(tǒng)。主要功能包括來料參數(shù)設(shè)置界面、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面、伺服參數(shù)設(shè)置界面、I/O狀態(tài)監(jiān)控界面、當(dāng)前報警界面、歷史報警查詢界面、手動/檢修界面等。編程軟件采用STEP7-300軟件編寫、組態(tài)軟件使用IFIX，工控機通過TIP/IP接口與PLC直接連接實現(xiàn)實時通訊。

4 鋼管脫脂設(shè)備控制流程(圖5)

圖5 鋼管脫脂控制流程總圖

5 現(xiàn)場調(diào)試

根據(jù)設(shè)計要求，因為該生產(chǎn)線涉及上道工序和下道工序的銜接，該生產(chǎn)線系統(tǒng)及控制系統(tǒng)安裝完畢以后，進行了自身控制系統(tǒng)的調(diào)試及上、下料工序的全面聯(lián)調(diào)。由于在前期設(shè)計規(guī)劃時進行了比較詳細的攻關(guān)和研究，因此聯(lián)調(diào)的過程比較順利，調(diào)試的方法采用模擬正常生產(chǎn)模式，即試生產(chǎn)。經(jīng)過對生產(chǎn)操作人員的簡單培訓(xùn)和相關(guān)數(shù)據(jù)分析，整個在線脫脂生產(chǎn)線工作正常，調(diào)試結(jié)果滿意。按照企業(yè)的初步統(tǒng)計， 目前該生產(chǎn)線的運行狀況相比過去的傳統(tǒng)酸洗和離線脫脂，工作效率有所提高，大幅降低了對環(huán)境的危害，可循環(huán)利用程度高，如圖6所示。經(jīng)過后期的不斷運行，該生產(chǎn)線的效率還會有一定的提高潛力，當(dāng)然還會有其他細節(jié)方面的后續(xù)改善。

圖6 主要數(shù)據(jù)對比

6 結(jié)束語

經(jīng)過后續(xù)該控制系統(tǒng)經(jīng)過實驗仿真、現(xiàn)場調(diào)試、及正式交付使用，到目前為止，其工作穩(wěn)定、可靠，完全達到了設(shè)計目標(biāo)。同時也驗證了在強干擾環(huán)境下，所設(shè)計的硬件及軟件完全可以穩(wěn)定工作。設(shè)備已成功用于實際生產(chǎn)。經(jīng)過運行觀察，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，同時具有人機界面友好、維護方便、系統(tǒng)操作簡便，對工人零要求，并方便企業(yè)查詢數(shù)據(jù)，成本投入低的優(yōu)點。該生產(chǎn)線的成功運用對無縫管的去油工藝具有較好的推廣價值。

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專利介紹

一種雙金屬復(fù)合管高壓液脹機出料系統(tǒng)(CN103286238A)

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有的雙金屬復(fù)合管高壓液脹機出料系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，出料過程協(xié)調(diào)性差，控制精度低，出料系統(tǒng)不僅造價成本高，而且生產(chǎn)過程維護極為不便的問題。

本發(fā)明提供的雙金屬復(fù)合管高壓液脹機出料系統(tǒng)，包括左脹型模具、翻料臂、右脹型模具、長軸、固定頂桿和液壓缸；左脹型模具和右脹型模具的右端安裝在長軸上；翻料臂為與左脹型模具的內(nèi)表面半徑相同的彎曲臂，設(shè)置在該左脹型模具的端面，該翻料臂的左端頂部與該端面鉸接；液壓缸置于左脹型模具的左側(cè)，其端蓋與地面鉸接，其活塞桿的頂部與左脹型模具的底面的左側(cè)鉸接；固定頂桿固定在該端面前并置于翻料臂的左側(cè)下方與液壓缸之間，當(dāng)左脹型模具在液壓缸的驅(qū)動下向左下翻轉(zhuǎn)過程中頂推住翻料臂。該出料裝置結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，便于控制，易于維護。

本發(fā)明提供的雙金屬復(fù)合管高壓液脹機出料系統(tǒng)采用翻料臂和左脹形模具一體化設(shè)計，翻料臂無需單獨的驅(qū)動裝置，能夠隨著翻脹形模具的升降自動進行翻料，翻料臂端部為與脹形模具半徑相同的環(huán)狀，使得在將鋼管從脹形模具中翻出的過程中減小了對鋼管的沖擊碰撞。結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，便于控制，易于維護。

Automatic technology control process of a new-type seamless pipes

SHEN Bin-jie

(Zhejiang Jiuli Hi-Tech Metals Co., Ltd., Huzhou 313008, China)

Described in the article is the automatic technology control processing of the on-line degreasing line for the new-type seamless pipes. The degreasing production line is adopted automatic production mode, greatly reducing the labor hours, abandoning the traditional stainless steel pickling process, improving the steel excessive corrosion problem to a certain extent, and largely reducing the impact on the environment, which meets the requirements of industrial automation. The device is combined with the external and internal degreasing, controlled by the 300PLC and 200PLC for the full-degreasing line with the characteristics of clear interface, with simple operation and convenient maintenance, which has a certain reference value for the construction planning of the present pipes degreasing-lines and automation design.

online degreasing；DP communication； sensor；two-dimensional code marking

2016-11-16；

2016-12-09

沈斌杰(1987- )，男，助理工程師，從事設(shè)備電氣技術(shù)管理工作

TP393

A

1001-196X(2017)03-0017-06