螺旋焊管生產(chǎn)線鋼管輸送輥道自動控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

周書亮， 谷傳龍， 魏耀華， 李汝江， 孫志剛， 崔明亮

（1. 渤海裝備華油鋼管有限公司， 河北 青縣 062658；2. 渤海裝備研究院， 河北 青縣 062658）

0 前 言

螺旋焊管生產(chǎn)線鋼管輸送主要由輸送輥道、橫移車、 單機設(shè)備等組成， 主要作用是將鋼管運送到精整區(qū)域的各個崗位， 在不同工序間流轉(zhuǎn)。華油鋼管有限公司Φ508 mm～Φ1 626 mm 螺旋焊管生產(chǎn)線精整區(qū)域的鋼管輸送大多為手動操作方式， 該區(qū)域內(nèi)鋼管加工工序較多， 操作點分散，操作人員需要將鋼管在不同工序間輸送， 勞動強度大、 工作效率低， 并且輸送輥道操作存在不連續(xù)情況， 占用時間長， 特別是在小直徑鋼管生產(chǎn)中， 由于鋼管生產(chǎn)速度較快， 容易造成鋼管生產(chǎn)工序擁堵[1-2]。

因此， 本研究設(shè)計了一種螺旋焊管生產(chǎn)線鋼管自動輸送系統(tǒng)， 以實現(xiàn)鋼管在精整區(qū)域不同工序間的自動流轉(zhuǎn)輸送和單機設(shè)備間的交互控制，減少人工介入， 提高生產(chǎn)效率， 從而保障鋼管輸送流程正常運行。

1 輸送輥道自動控制系統(tǒng)

1.1 運行過程控制

鋼管輸送輥道控制流程如圖1 所示。 自動控制模式下， 在輥道起點， 當位置傳感器檢測到輥道上有鋼管并且安全傳感器處于正常狀態(tài)， 同時前方輥道無鋼管的情況下， PLC 程序發(fā)出指令，控制輸送輥道運行。 當下一段輥道的傳感器檢測到鋼管時， 下一段輥道開始運行， 同時上一段輥道傳感器檢測到管道脫離時， 上一段輥道停止運行。 當輥道兩側(cè)的安全傳感器檢測到人員進入等異常信號時， 輥道停止運行并發(fā)出報警信息， 需要人工復位后才能繼續(xù)運行。 以管道清渣工位為例， 鋼管由運管設(shè)備運至輸送輥道上后， 需要經(jīng)過G1～G5、 G6～G10 和G11～G16 三段輥道輸送到清渣工位， 并最終停在橫移車臺架上。 鋼管輸送控制過程中， 在多段輥道的每個起始位、 中間位和末位各安裝一個檢測傳感器， 通過PLC 控制， 從而實現(xiàn)鋼管自動輸送， 其他區(qū)域的鋼管輸送采用類似的控制模式。

圖1 鋼管輸送輥道控制流程

1.2 硬件構(gòu)成

輸送輥道自動控制系統(tǒng)主要為西門子控制元件， 采用圖爾克電感式傳感器檢測鋼管位置， 光電式安全傳感器檢測輥道兩側(cè)異常狀態(tài)[3]以及PROFINET 主從控制模式。 以西門子S7-1500PLC作 為PLC 主 站， ET200MP 為 分 站， G120 變 頻器與主站建立通訊， 完成采集信號處理和邏輯運算[4]。 西門子SM521 模塊進行傳感器檢測信號的采集， 并將信號傳遞給PLC 主站； 觸摸屏完成設(shè)備運行狀態(tài)實時顯示及故障報警功能[5]。

2 鋼管信息交互控制系統(tǒng)

射頻識別技術(shù) （radio frequency identification， RFID）， 是自動識別技術(shù)的一種， 通過無線射頻方式進行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信， 并對記錄媒體（電子標簽或射頻卡） 進行讀寫[6]， 從而達到識別目標和數(shù)據(jù)交換的目的。 隨著國內(nèi)焊管機組總體裝備水平和制管技術(shù)的大幅度提升， 鋼管生產(chǎn)線上各個環(huán)節(jié)的處理速度相應(yīng)提高， 人工錄入鋼管信息成為制約生產(chǎn)線自動化、 信息化的一個瓶頸， 同時也存在一定的安全風險。 因此， 在螺旋焊管生產(chǎn)線自動控制基礎(chǔ)上， 采用射頻識別技術(shù)開發(fā)了鋼管信息自動傳遞系統(tǒng)， 從而提高焊管生產(chǎn)線的自動化、 信息化能力。

2.1 控制原理

當鋼管由橫移車運送到焊縫磨削工序時， 一旦感應(yīng)器檢測到鋼管， RFID 系統(tǒng)將對讀取到的電子標簽信息與傳感器信號進行雙向確認， 避免由于周圍鋼管的影響產(chǎn)生錯誤信號的情況。 信息確認完成后， 機器人磨削設(shè)備開始執(zhí)行焊縫自動磨削工作， 磨削完畢后設(shè)備退回原點， 電氣控制系統(tǒng)向RFID 上位機發(fā)出 “磨削完畢” 指令， 用布爾變量 “1” 來標記； 系統(tǒng)收到指令后， 將讀取到的鋼管信息標記為 “已處理”， 并向電氣控制系統(tǒng)發(fā)出指令， 橫移車將此鋼管運送到管端擴徑、 X 射線檢測等工序[7]。 整個過程減少了人工干預環(huán)節(jié)， 實現(xiàn)鋼管流程的自動化和信息化控制。

2.2 硬件構(gòu)成

鋼管信息交互控制系統(tǒng)主要由信息讀寫器、固定式射頻天線、 射頻卡、 鋼管檢測傳感器、 上位機系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成。 考慮到電子標簽在鋼管流程輸送過程中的可靠性、 穩(wěn)定性及重復可利用性， 采用抗金屬屏蔽強磁標簽實現(xiàn)鋼管管號信息的錄入存儲， 避免讀取過程中因鋼管金屬屏蔽造成射頻信號不穩(wěn)定的問題。 操作人員將寫入信息的強磁電子標簽吸附于鋼管內(nèi)壁70 cm處， 保證鋼管標簽在流程處理中的完整性。 強磁電子標簽在管端的位置如圖2 所示。

圖2 強磁電子標簽在管端的位置

射頻天線安裝桿高1.2～1.9 m， 高度可調(diào)節(jié)，上下2 個天線， 天線識讀范圍為219～2 220 mm，0～5 m 全覆蓋， 適應(yīng)不同規(guī)格鋼管生產(chǎn)的需求。在每個數(shù)據(jù)采集點， 安裝有感應(yīng)器對鋼管運行情況實時檢測， 從而保證RFID 識別的穩(wěn)定性和安全性。 通過RFID 識別技術(shù)實現(xiàn)鋼管信息快速識別， 并將識別信息通過TCP/IP 協(xié)議上傳到上位機中， 電氣控制系統(tǒng)通過Ethernet （工業(yè)以太網(wǎng)） 與上位機系統(tǒng)進行交互通訊， 實現(xiàn)信息讀取與自動控制的變量對接[8]， 上位機系統(tǒng)通過中間數(shù)據(jù)庫將管號信息在生產(chǎn)管理系統(tǒng)監(jiān)控界面顯示出來。 信息交互控制系統(tǒng)工作流程如圖3 所示。

圖3 信息交互控制系統(tǒng)工作流程

3 自動控制程序設(shè)計

3.1 鋼管輥道自動輸送

PLC 程序通過采集安裝在輥道的傳感器信號確定鋼管位置， 在自動模式下， 輸送輥道處的翻料鉤不在下限位置、 安全門不在關(guān)閉狀態(tài)以及安全傳感器觸發(fā)后， 輸送輥道均不允許動作， 保證了鋼管運行的安全性。 實現(xiàn)有鋼管時運轉(zhuǎn)、 無鋼管不運轉(zhuǎn)以及輥道自動分段控制功能。

3.2 鋼管工序流程自動控制

將焊縫磨削、 管端擴徑等設(shè)備的工作狀態(tài)、前后限位等信號采集到PLC 程序中， 通過程序?qū)崿F(xiàn)連鎖交互控制， 保證設(shè)備的有序自動運行。 主要有以下控制邏輯： ①當焊縫磨削、 管端擴徑等設(shè)備處于原點位置， 且工位上沒有鋼管時， 允許橫移車將鋼管放到相應(yīng)工序； ②當橫移車在工序之間運送鋼管時， 優(yōu)先運送已處理完畢并在等待狀態(tài)的鋼管； ③在自動運行過程中， 安全傳感器檢測到人員進入等異常信號時， 設(shè)備立即停止， 并發(fā)出報警信息， 在人工復位后才能恢復自動程序[9-10]。

3.3 信息交互設(shè)計

RFID 系統(tǒng)工作運行前， 需要設(shè)置各個工序RFID 讀寫器的相關(guān)參數(shù)， 包括IP 地址、 讀取頻率、 響應(yīng)時間等， 參數(shù)設(shè)置完畢后， 讀寫器與上位機系統(tǒng)通過TCP/IP 協(xié)議建立通訊， 并在系統(tǒng)界面生成各個工序鋼管管號的相關(guān)信息。 參數(shù)設(shè)置界面如圖4 所示。 上位機系統(tǒng)通過Web Service技術(shù)， 將鋼管管號信息經(jīng)過中間數(shù)據(jù)庫存儲后，傳遞給生產(chǎn)管理系統(tǒng)， 并在監(jiān)控界面顯示出來。另一方面， 上位機系統(tǒng)通過接口程序， 與電控系統(tǒng)的CP1543-1 模塊建立Ethernet 連接[11-12]， 實現(xiàn)信息傳遞。 生產(chǎn)管理系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖5 所示。

圖4 信息交互系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面

圖5 生產(chǎn)管理系統(tǒng)監(jiān)控界面

4 應(yīng)用效果

設(shè)計的螺旋焊管生產(chǎn)線鋼管自動輸送系統(tǒng)在渤海裝備華油鋼管公司進行生產(chǎn)應(yīng)用， 實現(xiàn)了鋼管輥道輸送的自動分段控制、 工序流程信息的自動交互以及各區(qū)域設(shè)備的集中控制， 并降低了人工處理鋼管信息的時間， 提高了生產(chǎn)效率， 降低了設(shè)備能耗。 系統(tǒng)應(yīng)用前后設(shè)備能耗統(tǒng)計情況見表1，由表1 可知， 應(yīng)用前后輸送輥道消耗電能分別為3.555 kW/h 和1.668 kW/h， 節(jié)約能耗達到53.1%。

表1 鋼管自動輸送系統(tǒng)應(yīng)用前后電能消耗統(tǒng)計結(jié)果

5 結(jié)束語

開發(fā)的螺旋焊管生產(chǎn)線鋼管自動輸送系統(tǒng)，通過在多段輥道合理布置檢測傳感器， 利用PLC實現(xiàn)輥道分段控制， 實現(xiàn)了鋼管在精整區(qū)域各工序流程的自動輸送， 同時采用RFID 管號自動識別裝置， 實現(xiàn)了鋼管信息的自動傳遞， 從而提高焊管生產(chǎn)線的自動化、 信息化能力， 減少了人工干預的環(huán)節(jié)， 提高了生產(chǎn)效率， 降低了設(shè)備能耗。