石油專(zhuān)用管加工線測(cè)長(zhǎng)稱(chēng)重噴標(biāo)裝置技術(shù)方案

丁 鵬，晏夢(mèng)云，魏鵬飛，李 鑫，馬永剛

（1.渤海石油裝備制造有限公司，天津 300280；2.西安電力高等專(zhuān)科學(xué)校，陜西西安 710032；3.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；4.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，甘肅蘭州 730070）

0 引言

我國(guó)近幾年已經(jīng)成為石油專(zhuān)用管的第一大生產(chǎn)國(guó)，但中高端石油管產(chǎn)量占比不高，分析其主要原因有：①專(zhuān)業(yè)化智能化生產(chǎn)設(shè)備技術(shù)依賴(lài)進(jìn)口；②生產(chǎn)過(guò)程控制及檢測(cè)技術(shù)依賴(lài)進(jìn)口；③高等級(jí)鋼材及特殊扣石油管方面技術(shù)薄弱。因此，需要提高我國(guó)石油專(zhuān)用管的等級(jí)質(zhì)量，向中國(guó)智能制造邁進(jìn)。

目前，石油專(zhuān)用管加工線技術(shù)提升或建造時(shí)，配套設(shè)備要求自動(dòng)化、智能化，精度、檢測(cè)技術(shù)、工藝復(fù)雜性、控制技術(shù)等均要求很高。在這樣的技術(shù)背景下，結(jié)合國(guó)外加工線設(shè)備特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的將石油專(zhuān)用管測(cè)長(zhǎng)、稱(chēng)重、噴標(biāo)、涂色環(huán)等4 項(xiàng)工藝加工過(guò)程集成到一套設(shè)備上完成，控制采用集成化程序控制，根據(jù)工序工位特點(diǎn)多工位同時(shí)進(jìn)行，大幅縮短石油管在線生產(chǎn)時(shí)間，提高石油管加工質(zhì)量。

1 設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案有測(cè)長(zhǎng)、稱(chēng)重、噴標(biāo)、涂色環(huán)等4 個(gè)主體工位，輔助工位有步進(jìn)梁、上料和下料工位。石油管經(jīng)步進(jìn)梁取料橫向進(jìn)入測(cè)長(zhǎng)→稱(chēng)重→噴標(biāo)→涂色環(huán)→進(jìn)入輸出輥道，鋼管輸出（圖1）。計(jì)算機(jī)程序控制鋼管進(jìn)料、測(cè)長(zhǎng)、稱(chēng)重等所有工序，主控軟件實(shí)時(shí)錄入各個(gè)工位的測(cè)量數(shù)據(jù)及鋼管狀態(tài)信息，經(jīng)過(guò)程序控制，將生產(chǎn)線設(shè)計(jì)要求的測(cè)量信息，如鋼管等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)格型號(hào)、接箍扣型、管長(zhǎng)、管重等噴印在鋼管上。生產(chǎn)過(guò)程控制對(duì)生產(chǎn)情況進(jìn)行詳細(xì)管理，統(tǒng)計(jì)、查詢、判別、實(shí)時(shí)跟蹤石油管型號(hào)、規(guī)格及參數(shù)，可進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，報(bào)表打印等工作，還可進(jìn)行人工預(yù)設(shè)定及項(xiàng)目參數(shù)的修改，并具有電氣、氣壓、油壓、故障、誤操作等實(shí)時(shí)診斷和報(bào)警。

圖1 設(shè)備工序工位布置

2 技術(shù)參數(shù)

石油管外徑：Φ48～180 mm，Φ114～340 mm，Φ219～508 mm（系列化）；長(zhǎng)6～15 m，工序周期15～90 s（根據(jù)生產(chǎn)線規(guī)格要求設(shè)計(jì)調(diào)整，圖2）；外徑公差：±1%；彎曲度：≤1.5 mm/m（管端≤3 mm/m）；橢圓度：≤0.8%。

圖2 設(shè)備各工位工作周期（以Φ180 mm 為例）

3 設(shè)備組成

石油管稱(chēng)重、測(cè)長(zhǎng)、噴標(biāo)、涂色環(huán)設(shè)備主要由稱(chēng)重裝置、測(cè)長(zhǎng)裝置、噴標(biāo)裝置、涂色環(huán)裝置、步進(jìn)式移管機(jī)、輔助裝置及電氣測(cè)控裝置等部分組成。

（1）鋼管稱(chēng)重工位由底座、電子秤（稱(chēng)重傳感器）、整體稱(chēng)重梁、鋼管V 形架組成。當(dāng)鋼管移送到稱(chēng)重工位時(shí)，傳感器檢測(cè)到工位有未測(cè)量鋼管，鋼管延時(shí)穩(wěn)定靜止，確認(rèn)后啟動(dòng)測(cè)量程序，稱(chēng)重傳感器將測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)濾波、轉(zhuǎn)換、數(shù)字處理，將鋼管測(cè)量的實(shí)際重量記錄在計(jì)算機(jī)內(nèi)，同時(shí)顯示在儀表上。鋼管測(cè)量的重量值在生產(chǎn)線控系統(tǒng)內(nèi)永久保存，隨時(shí)可查詢、核對(duì)、打印。稱(chēng)重測(cè)量完成后，由步進(jìn)式移管機(jī)再工作一個(gè)循環(huán)將鋼管從稱(chēng)重系統(tǒng)移到下一個(gè)工位，從而完成稱(chēng)重循環(huán)（圖3）。

圖3 稱(chēng)重工位結(jié)構(gòu)原理

稱(chēng)重范圍按石油管生產(chǎn)線規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)確定；稱(chēng)重精度≥1/3000，符合中國(guó)國(guó)家商業(yè)三級(jí)秤標(biāo)準(zhǔn)；根據(jù)測(cè)長(zhǎng)、稱(chēng)重結(jié)果對(duì)重量不合格鋼管作出判斷并報(bào)警。

（2）測(cè)長(zhǎng)工位由V 形臺(tái)架、測(cè)長(zhǎng)油缸（氣缸）、20對(duì)光電傳感器和計(jì)數(shù)模塊等部分組成（圖4）。當(dāng)鋼管移送到測(cè)長(zhǎng)工位時(shí)，傳感器檢測(cè)到工位有未測(cè)量鋼管，確認(rèn)后啟動(dòng)測(cè)量程序，測(cè)長(zhǎng)油缸推動(dòng)鋼管向前移動(dòng)，通過(guò)測(cè)長(zhǎng)位移傳感器和光電開(kāi)關(guān)來(lái)測(cè)量長(zhǎng)度，計(jì)算機(jī)接收到測(cè)量完成信號(hào)后，根據(jù)記錄的位移傳感器和光電開(kāi)關(guān)位移值計(jì)算出鋼管長(zhǎng)度。當(dāng)計(jì)算機(jī)模塊故障或計(jì)算值超過(guò)實(shí)際允許值時(shí)系統(tǒng)報(bào)警，并重新測(cè)量核對(duì)，如報(bào)警不能排除，則稱(chēng)重工位工作完成后，系統(tǒng)自動(dòng)退出。若該工位沒(méi)有管子，直接認(rèn)為該工位工序完成。

圖4 測(cè)長(zhǎng)工位結(jié)構(gòu)原理

石油管測(cè)長(zhǎng)范圍為4500～15000 mm，測(cè)長(zhǎng)精度為0～+2.0 mm。

（3）噴標(biāo)工位由噴印支撐架及氣動(dòng)標(biāo)記噴印機(jī)等組成，包括噴標(biāo)桁架、橫移機(jī)構(gòu)、噴頭升降機(jī)構(gòu)、防碰撞機(jī)構(gòu)、噴頭及其控制器、氣路系統(tǒng)和控制系統(tǒng)（圖5）。

圖5 噴標(biāo)工位結(jié)構(gòu)原理

噴標(biāo)桁架是整個(gè)噴標(biāo)系統(tǒng)設(shè)備安裝支架，由立柱及橫梁組成。橫移機(jī)構(gòu)安裝升降機(jī)及噴標(biāo)頭，可在整個(gè)橫梁前后極限位置內(nèi)自由移動(dòng)，橫梁下方安裝齒輪齒條，為橫移機(jī)構(gòu)提供移動(dòng)動(dòng)力及導(dǎo)向，通過(guò)控制系統(tǒng)及伺服電機(jī)完成。在噴標(biāo)工位，鋼管?chē)姌?biāo)基點(diǎn)位置同鋼管一端的距離是設(shè)定好的，每次當(dāng)鋼管進(jìn)入噴標(biāo)工位時(shí)，第一步是管端對(duì)齊到位，然后將噴標(biāo)頭移動(dòng)到設(shè)定好的基點(diǎn)位置準(zhǔn)備噴標(biāo)，噴標(biāo)數(shù)據(jù)是前兩個(gè)工位測(cè)量的鋼管重量及長(zhǎng)度，其他參數(shù)是本批鋼管的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)格型號(hào)、接箍扣型等。

噴標(biāo)頭升降由氣路系統(tǒng)、電磁閥、氣缸、直線滾珠導(dǎo)軌、傳感器等組成。當(dāng)橫移機(jī)構(gòu)移動(dòng)到基點(diǎn)位置后，噴標(biāo)頭在鋼管?chē)娡康钠瘘c(diǎn)定位、噴涂距離、位置方向判斷等精確調(diào)整靠升降機(jī)構(gòu)所有部件協(xié)調(diào)動(dòng)作來(lái)完成。

防撞機(jī)構(gòu)的作用是保護(hù)噴標(biāo)頭，噴標(biāo)頭是整個(gè)噴標(biāo)工位的核心部件，也是最容易受外力機(jī)械損壞的部件，所有的橫移、前申、旋轉(zhuǎn)方向等動(dòng)作都需要判斷。

噴標(biāo)頭和控制器是噴標(biāo)工位的核心部件，控制器操作噴標(biāo)頭所有動(dòng)作，并控制協(xié)調(diào)涂料系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)完成噴標(biāo)（圖6）。

圖6 噴標(biāo)設(shè)備結(jié)構(gòu)組成

當(dāng)鋼管移送到噴標(biāo)工位時(shí)，傳感器檢測(cè)到工位有未噴標(biāo)鋼管，確認(rèn)后啟動(dòng)噴標(biāo)程序，油缸推動(dòng)鋼管向前移動(dòng)端頭定位，工控機(jī)將前面幾個(gè)工位測(cè)量的數(shù)據(jù)傳輸給PLC。噴標(biāo)內(nèi)容包括鋼管重量及長(zhǎng)度等其他信息。檢測(cè)到噴標(biāo)工位有管子后，噴標(biāo)頭移動(dòng)到位，PLC 驅(qū)動(dòng)小車(chē)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行噴標(biāo)操作。

（4）涂色環(huán)工位。石油管?chē)姌?biāo)完成后，待涂料表干后，電動(dòng)旋轉(zhuǎn)滾輪帶動(dòng)鋼管作低速旋轉(zhuǎn)，由油漆涂色環(huán)裝置涂色環(huán)，完成后出料，進(jìn)入下一循環(huán)。涂色環(huán)采用粘附的方法，外側(cè)由2 個(gè)支撐滾輪，中間3 個(gè)涂色環(huán)滾輪與鋼管表面始終保持0.1～0.4 mm 的間隙，并附加烘干機(jī)，以強(qiáng)化油漆的干燥。色帶寬度25 mm；色環(huán)間距25 mm；色環(huán)道數(shù)3 道；色帶在重合處誤差不超過(guò)1 mm。

（5）出料工位。涂色環(huán)完成后移管機(jī)將管子移到出料工位，中央控制室綜合判斷本根鋼管是否已經(jīng)按要求完成所有工位工序，并判正確性，等待進(jìn)入生產(chǎn)線下一生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

（6）步進(jìn)式移管裝置由電機(jī)、減速器、傳動(dòng)軸及步進(jìn)梁式傳送臺(tái)、控制驅(qū)動(dòng)等部分組成，實(shí)現(xiàn)鋼管的上料、移位及下料等功能。5 工位步進(jìn)機(jī)構(gòu)由電機(jī)通過(guò)減速器、傳動(dòng)軸帶動(dòng)步進(jìn)梁傳送臺(tái)正向旋轉(zhuǎn)，通過(guò)偏心布置的支撐梁將鋼管水平移動(dòng)一定的距離，步進(jìn)距離根據(jù)生產(chǎn)線石油管規(guī)格調(diào)整。

（7）控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)稱(chēng)重、測(cè)長(zhǎng)、噴標(biāo)、涂色環(huán)及平移等各種功能的協(xié)調(diào)。將工件的跟蹤、產(chǎn)品是否合格的判斷、各種工位信息的傳輸、數(shù)據(jù)的顯示采集及管理、PLC、工控機(jī)等工作連接起來(lái)，組成一個(gè)層次分明的系統(tǒng)?？刂品绞郊扔惺謩?dòng)，又有自動(dòng)，可根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的需要進(jìn)行選擇，還可方便地從手動(dòng)切換到自動(dòng)或從自動(dòng)切換到手動(dòng)。

（8）輔助系統(tǒng)有上料工位、出料工位、氣動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案配置采用集散型控制結(jié)構(gòu)，將稱(chēng)重、測(cè)長(zhǎng)、噴標(biāo)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、光電開(kāi)關(guān)、位置傳感器、稱(chēng)重傳感器、控制器、數(shù)據(jù)處理等控制功能全部集成在計(jì)算機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了操作、管理、信號(hào)采集、故障診斷等多種功能的綜合自動(dòng)化。其典型特征是分散集中化、智能網(wǎng)絡(luò)化，是一種分散集中式智能控制系統(tǒng)。其基本特點(diǎn)如下：

（1）生產(chǎn)線所有設(shè)備集中控制，每個(gè)工藝模塊設(shè)備單獨(dú)程序控制，通過(guò)PLC 程序化自動(dòng)控制，進(jìn)料是開(kāi)始，出料是結(jié)束，而上位機(jī)可實(shí)現(xiàn)大范圍的協(xié)調(diào)等高級(jí)控制功能。

（2）信息處理、決策控制等工作分散與生產(chǎn)控制的各個(gè)環(huán)節(jié)，在層次上出現(xiàn)的是一種縱向的遞階結(jié)構(gòu)，其功能出現(xiàn)了前端化，局部集中化、全局分散化。對(duì)主機(jī)的性能要求不高，但系統(tǒng)有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。

（3）為大型生產(chǎn)企業(yè)管理數(shù)據(jù)集成留有連機(jī)接口和網(wǎng)絡(luò)接口。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)主控界面中顯示不同的操作按鈕，包括自動(dòng)噴號(hào)、設(shè)置、統(tǒng)計(jì)查詢和人員管理、狀態(tài)等。點(diǎn)擊不同的按鈕，分別進(jìn)入自動(dòng)噴號(hào)、打印、參數(shù)設(shè)置、統(tǒng)計(jì)查詢和人員管理等操作。系統(tǒng)能自動(dòng)生成和保存打印和噴印模板，為工作人員提供了極大便利。

通過(guò)人機(jī)界面輸入管徑值，噴頭與鋼管的間隔自動(dòng)保持在最佳值。操作界面上可顯示噴印內(nèi)容，可在本程序執(zhí)行期間，人工修改下一程序操作的修正參數(shù)?？蓪?shí)現(xiàn)自動(dòng)程控和人工修改操作的瞬間切換。能將實(shí)時(shí)測(cè)量的長(zhǎng)度數(shù)據(jù)和重量數(shù)據(jù)噴印到相應(yīng)的鋼管上，并能進(jìn)行支數(shù)統(tǒng)計(jì)和形成各種報(bào)表并能打印。

軟件可以自動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)各工位的工作狀態(tài)，噴標(biāo)的字符、稱(chēng)重、測(cè)長(zhǎng)的結(jié)果；自動(dòng)實(shí)現(xiàn)噴標(biāo)、測(cè)長(zhǎng)、稱(chēng)重狀態(tài)的故障診斷和報(bào)警；統(tǒng)計(jì)查詢方式可設(shè)定多種方式（編號(hào)、類(lèi)別、日期等）。

數(shù)據(jù)系統(tǒng)管理、人員管理、密碼管理，保證系統(tǒng)的合理性和可靠性；數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以按照柱狀圖、折線圖顯示，也可以按照生產(chǎn)企業(yè)要求，打印、存儲(chǔ)為相應(yīng)的表格（入庫(kù)單、尺碼單等）。

6 結(jié)束語(yǔ)

石油專(zhuān)用管測(cè)長(zhǎng)、稱(chēng)重、噴標(biāo)、涂色環(huán)設(shè)備方案是集機(jī)、電、液、光、計(jì)算機(jī)控制集成化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有測(cè)長(zhǎng)稱(chēng)重精度高、速度快、穩(wěn)定性好，噴標(biāo)速度快、字體清晰，自動(dòng)化程度高、功能齊全等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)備運(yùn)行安全可靠，擴(kuò)展調(diào)整靈活方便，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各種規(guī)格石油管、鋼管的測(cè)長(zhǎng)、稱(chēng)重、噴標(biāo)、涂色環(huán)的生產(chǎn)線專(zhuān)用設(shè)備。設(shè)備技術(shù)方案應(yīng)用以來(lái)，已先后應(yīng)用于成都鋼管專(zhuān)用管、山東墨龍專(zhuān)用管、渤海裝備專(zhuān)用管、西姆萊斯專(zhuān)用管、華凌西鋼專(zhuān)用管等加工線配套，也成為太原重工、中冶建城、西安重型等設(shè)計(jì)院技術(shù)配套的優(yōu)選方案。