石油管加工生產(chǎn)線若干問題優(yōu)化研究

劉慧博 王璟

摘 要：石油管加工工藝過程主要分：探傷、車絲、檢驗(yàn)、擰接、試壓、測長噴漆、包裝等工序。經(jīng)過調(diào)查，找出產(chǎn)線14道工序的單元作業(yè)時(shí)間和整支鋼管的交工時(shí)間，緊密地將各環(huán)節(jié)有機(jī)的聯(lián)系在一起，去掉等待空余時(shí)間，即進(jìn)行優(yōu)化工序時(shí)間的思路。通過學(xué)習(xí)引進(jìn)先進(jìn)的遺傳算法，對(duì)石油管產(chǎn)線各工序之間布局優(yōu)化，進(jìn)行合理地生產(chǎn)調(diào)度為產(chǎn)線產(chǎn)能提升，成本降低提供良好解決方案。

關(guān)鍵詞：石油管；生產(chǎn)節(jié)拍；車絲機(jī)；加工周期

1 車絲機(jī)輔機(jī)改造

某鋼企的石油管生產(chǎn)線Colinet牌車絲機(jī)[2]輔機(jī)現(xiàn)狀：鋼管移送依次由撥料器逐支給料，移送位置檢測到位，拋鋼機(jī)翻料入槽（位），此時(shí)鋼管在料槽擺動(dòng)，待停止擺動(dòng)后鋼管由擋料器放下，此時(shí)鋼管在擋料架擺動(dòng)，停止后由送料小車升起，支撐撐輥接入鋼管入位，小車前移，送鋼管進(jìn)入卡盤，定尺擋板對(duì)齊，小車減速、停止，卡盤液壓缸伸出，卡緊鋼管，導(dǎo)向架落下、回轉(zhuǎn)支架啟動(dòng)，車絲機(jī)主機(jī)檢測就緒，開始啟動(dòng)進(jìn)行后續(xù)螺紋加工程序。通過分析鋼管在料槽和擋料架中自由擺動(dòng)時(shí)間，屬無效時(shí)間。

1.1 應(yīng)用編碼器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制鋼管中心高位置[3]

選用SIEMENS可編程控制器（PLC）S7200和高速計(jì)數(shù)器 I/O 單元（ACT01），其中高速計(jì)數(shù)器用于檢測編碼器脈沖數(shù)。將編碼器反饋的脈沖數(shù)輸入到高速計(jì)數(shù)器當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)位置脈沖的讀取，到PLC對(duì)鋼管的運(yùn)動(dòng)位置進(jìn)行控制。

當(dāng)鋼管進(jìn)入托架小車，感應(yīng)開關(guān)發(fā)出計(jì)數(shù)信號(hào)時(shí)，根據(jù)編碼器反饋回來的脈沖計(jì)數(shù)在數(shù)控系統(tǒng)（OP）中其數(shù)值可以實(shí)時(shí)顯示，編碼器每轉(zhuǎn)一圈檢測到3000個(gè)脈沖（系統(tǒng)檢測的值是4倍頻后），根據(jù)前一加工規(guī)格的鋼管中心距離，調(diào)整的距離近似等于移動(dòng)的距離或者說 1 mm等于 X 個(gè)脈沖：X=相應(yīng)的反饋脈沖/移動(dòng)距離，得出關(guān)系。以基準(zhǔn)鋼管定位，如加工177.8mm（7in）鋼管，中心托架位置為“零”點(diǎn)。用以調(diào)整PLC檢測的各點(diǎn)（頭、中、尾），以檢測到位，常亮即鋼管與機(jī)床軸線平行。托架將鋼管完全升起，反饋脈沖為3800個(gè)。當(dāng)加工 340mm管徑時(shí)，中心高得，即[（340178）/2].X 當(dāng)量個(gè)脈沖，即在原有“零”點(diǎn)位置上移動(dòng)的正方向移動(dòng)相應(yīng)的距離即可。編碼器就會(huì)檢測到由原先托架升起的3800個(gè)脈沖圈數(shù)變到[（340178）/2].X +個(gè)脈沖圈數(shù)。這樣無論什么樣的鋼管都可在不用人工手動(dòng)調(diào)整情況下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)，只要調(diào)用相應(yīng)的管徑參數(shù)。

1.2 車絲機(jī)主機(jī)卡盤卡爪優(yōu)化

夾緊卡爪是由液壓泵站驅(qū)動(dòng)液壓油，提供反向吸合力。使用的比例閥選用華德液壓的 4WRE10E6410B/24VZ4 比例放大器對(duì)管路的流量大小進(jìn)行控制[1]。比例放大器的作用是接受控制器的輸出電壓信號(hào)，經(jīng)過處理后輸出控制電流，來控制比例換向閥電磁鐵的線圈，繼而控制驅(qū)動(dòng)比例閥芯的動(dòng)作，正向卡緊則有閥芯配置彈簧伸縮控制。它使用的電源電壓為直流 24V±10%，最大輸出電流為 12001500mA，振蕩頻率為 25KHz。其控制電壓可手動(dòng)預(yù)調(diào)輸入±9V 電壓信號(hào)，此方式是通過比例閥外部調(diào)節(jié)電位器（滑線或旋轉(zhuǎn)）的方式來進(jìn)行調(diào)解。

2 遺傳算法優(yōu)化車間調(diào)度

為生產(chǎn)同種規(guī)格的石油管，又必須使用共同資源，如人力、材料、設(shè)備等，就會(huì)出現(xiàn)如何有效分配資源的問題，即生產(chǎn)調(diào)度問題。石油管兩條產(chǎn)線并線作業(yè)時(shí)，目標(biāo)就是找到共享資源的分配和排序的方式，使得“生產(chǎn)約束”被滿足，同時(shí)生產(chǎn)成本最小化，即解決一個(gè)約束最優(yōu)化問題。

2.1 簡單遺傳算法組成

一個(gè)對(duì)參數(shù)空間編碼的符號(hào)串表示；

一個(gè)評(píng)價(jià)符號(hào)串的適度函數(shù)；

一組產(chǎn)生成新的符號(hào)串的遺傳操作；

一組控制遺傳操作的概率值。

遺傳操作通過模擬、進(jìn)化和繼承，而生成符號(hào)串（新的或舊的）。又以三個(gè)簡單遺傳操作復(fù)制、交叉和突變，在實(shí)際中給出了很好的效果。

2.2 車間調(diào)度數(shù)學(xué)模型

車間生產(chǎn)調(diào)度不僅具有極值性，即其結(jié)果是解值的最小化（最大化），而且具有特殊性，即結(jié)果必須符合現(xiàn)場生產(chǎn)作業(yè)調(diào)度的基本約束條件，石油管加工產(chǎn)線的基本約束條件為：

1）產(chǎn)線中每鋼管加工工序必須在它指定的機(jī)床上加工生產(chǎn)；

2）鋼管送料進(jìn)入該工序時(shí)必須在它前道工序加工生產(chǎn)完畢后再進(jìn)入加工；

3）在同一時(shí)間段內(nèi)同一臺(tái)機(jī)器只能對(duì)一支鋼管進(jìn)行作業(yè)。

2.3 適應(yīng)度函數(shù)

通過對(duì)工序時(shí)間分析，占用加工周期最長的“瓶頸”時(shí)間，即為目標(biāo)函數(shù)：

F（X）=max[c（1），c（2），…，c（i），c（m）]

車間調(diào)度問題中我們以作業(yè)在機(jī)床上的加載序列為調(diào)度方案，方法也不全相同。石油管生產(chǎn)作業(yè)調(diào)度問題的提法可以歸納為：生產(chǎn)過程中，有14臺(tái)機(jī)器（工序），每臺(tái)機(jī)器加工鋼管有若干操作，且這些操作不同。若干操作，要求將鋼管合理地分配步驟，做到加工次序和時(shí)間最佳。使約束條件被滿足，同時(shí)使一些性能指標(biāo)得到優(yōu)化。所以一個(gè)調(diào)度方案就是在一定時(shí)間內(nèi)任務(wù)在機(jī)器上的一個(gè)分派，調(diào)度問題就是尋找一個(gè)任務(wù)在機(jī)器之間的傳遞序列。在本文的設(shè)定下該作業(yè)加載序列在執(zhí)行時(shí)所花費(fèi)的生產(chǎn)成本最小，也就是單元作業(yè)所需的時(shí)限最小，則達(dá)到了加工周期最短。

參考文獻(xiàn)：

[1]王振江.石油鋼管加工輸送裝置的自動(dòng)化控制[D].吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

[2]徐馳，馬占昌，樊萍.鋼管加工中心自動(dòng)找正電氣系統(tǒng)的研制與應(yīng)用[J].鋼管，2009，12，38（12）：6468.

[3]王萬雷.基于遺傳算法的車間作業(yè)調(diào)度問題研究[D].昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2002.