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。該脫脂生產線采用全自動化生產模式，大幅度降低人工工時，摒棄傳統不銹鋼的酸洗工藝，與傳統工藝相比，提高了生產率，在一定程度上改善了鋼管過度腐蝕的問題，并大幅降低了對環境的危害，滿足了工業自動化的要求。脫脂裝置采用外脫脂和內脫脂相結合的方式，分別由300PLC和200PLC全線控制，界面清晰、操作簡單，維護方便，對鋼管脫脂線的規劃和自動化設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

0 前言

伴隨著社會工業自動化的不斷推進，無縫管生產工藝也不斷進行著更新，鋼管生產中的傳統酸洗工藝由于勞動強度高，環境污染嚴重等原因慢慢被新型的脫脂工藝所取代，自動化的脫脂生產線正是未來無縫管生產工藝中的重頭戲。它具有污染大幅降低，設備自動化取代人工程度高，規模化，產業化，機動性高，更便于流水線式的工藝流程。且設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定性好等優點。

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，由前道變形設備送出的鋼管進入在線外脫脂噴淋機構中心進行脫脂環洗、旋轉環刷、脫脂環洗，后經壓縮空氣風刀吹干，二維碼打標，再由外脫脂機后道夾送機構把鋼管送入齊料V型輥道。 鋼管由軋機以2 m/min速度和31°～57°的旋轉角度進入鋼管外表面脫脂線。進入脫脂設備前在鋼管前端用軟塞塞住后，進入在線外脫脂噴淋機構中心(鋼管起初前進動力由前道設備出口機提供，鋼管軋制結束后，由軋機給外脫脂設備發送完成信號，后由外脫脂夾送機構夾送) 。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°脫脂環洗、旋轉360°環刷、360°脫脂環洗，經過四次環洗和一次旋轉環刷后，經風刀吹干，由夾送機構將鋼管在V型輥道送至齊平一端，并由拔料機構將單根鋼管拔至自動打標機構打標工位，對鋼管齊平一端進行自動徑向打標碼，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)，后由分料撥料機構將儲料斜臺架上的鋼管單支撥入外表面清洗設備前的V型輥道，再由四輪四驅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中心進行熱水環洗、旋轉環刷、熱水環洗，熱風風刀干燥，再由夾送機構把鋼管送入下一工序鋼管頭尾端自動鋸切倒棱。

圖2 打標示意圖

完成打標后, 鋼管由夾送機構以20～30 m/min速度進入鋼管外表面清洗噴淋機構中心進行清洗。熱水在溫度60～75℃和壓力0.3～0.5 MPa進行360°熱水環洗、旋轉360°環刷、360°熱水環洗，經過四次環洗和一次旋轉環刷后，后經進入風刀干燥室，經帶蒸汽U型管360o熱風風刀吹干，進入下道工序。

1.2 內表面脫脂工藝

該工藝道次主要功能是去除軋制完成后鋼管內表面的油污，保證鋼管內表清潔。

當管架上接近開關檢測到某個工位的鋼管存在時，引導機從停車位(停車位根據同批次最長鋼管的長度設定)起動，向鋼管方向前進。引導機上安裝的紅外高清視覺捕捉攝像頭，主要根據鋼管外壁鏡面反射程度對下方物體進行探測(如圖3)。并根據來料規格設定檢測范圍，檢測到鋼管后，把管頭位置信息反饋給PLC，由PLC根據計算出的管頭所在位置，指示機構向鋼管運動。然后根據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。吹氣結束這時鋼管自動向前一工位撥位，同時翻料機構又將下一支鋼管運送上來。每一根鋼管都經過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 內脫脂抓管原理圖

2 控制系統硬件

2.1 控制系統硬件設計

如圖4所示, 外脫脂控制系統主要由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

統對信號的處理集中為數字量的處理和伺服的控制。系統需要處理輸入/輸出點160多個，PLC要驅動12個氣缸、5個伺服電機，根據系統的功能需求(控制系統信號的數量)和便于后期優化的需要，采用西門子PLC315-2DP/PN。該CPU具有較強的數字運算和處理能力，且兼DP通訊功能和TCP/IP以太網通訊功能，能較好的對系統進行控制和監控。前道變形工序發出完成信號后，CPU經過內部處理，然后通過對變頻器的控制來驅動變頻電機，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

外脫脂結束，鋼管由輸送輥道進入齊頭打標工位。當鋼管到達打標機前傳感器(脈沖上升沿)，系統把鋼管的位置信號通過I/O點的形式發送給打標機，打標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自動匹配生成二維碼，打標就緒。鋼管繼續前進，進入打標，此時打標機將正在打標的狀態信息發送給PLC300，上位機顯示“鋼管正在打標”。約60S當打標完成以后，打標機將完成信息反饋給PLC300，氣閥再次夾緊，夾送輥反轉，鋼管離開打標機。當打標機前傳感器下降沿信號觸發，夾送輥停止，氣閥打開，等待翻料機構翻料。翻料機構將鋼管翻上待料平臺，待料臺傳感器信號觸發，振動氣缸小幅度振動，使鋼管平穩滾到待料臺最下方擋板，PLC計數。待料架儲存鋼管數量由上位機畫面設定，當鋼管支數等于設定值時，擋板下降使一根鋼管掉落進下方V型輸送輥后，擋板升起。當鋼管進入內脫脂后繼續上料。

2.1.3 內脫脂上料

關于內脫脂的上料。鋼管在上內脫脂之前，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)。原理與打標相似。當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，進入內脫脂工序。內脫脂分為5個工位，前3個位脫脂液，第4道為清水，第5道為打棉球。每根鋼管經過5道工位后，內脫脂完成，翻料進輸送輥道，進入下道工序。具體為：當鋼管鋸切倒棱完成，在等待翻料位，PLC300把鋼管位置信息通過DP通訊的方式發送給內脫脂控制中樞(200PLC)。每個工位的自動抓管機構主要靠可定位伺服系統和高清視覺捕捉器。200PLC的高速輸出模塊，通過輸出高速脈沖對伺服驅動器進行控制可以控制5個伺服，脈沖的頻率、脈沖數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。O2D高清視覺定位捕捉器是一種半導體材料，O2D上由許多并排排列整齊的電容，能夠感應光線，并把捕捉到的影響信息，經過處理(如曝光程度，范圍等)轉換成數字信號。O2D上植入的微小的光敏物質稱作像素(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，成為現代電子學和現代測試工業中比較活躍的傳感器。調試軟件相對簡單，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)，子網掩碼255.255.255.0配置好后與傳感器連接，可根據鋼管的不同規格，對曝光程度、檢測范圍、反射面等參數進行調節。

2.2 監控系統

根據系統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，顯示系統寄存器狀態和實時數據，對物料所在狀態有全方位的定位跟蹤。并具有報警列表功能，實時顯示當前報警信息。

2.3 伺服控制系統

伺服系統要求采用直線滑塊高精度螺旋絲桿及伺服馬達，確保重復精度0.1mm。所以選擇臺達ASD-B2-0721伺服驅動器和配套伺服電機。伺服驅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和頻率，脈沖的個數決定伺服電機轉過的角度，脈沖的頻率決定伺服電機的轉速。伺服驅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輸入伺服驅動器狀態，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。滿足系統的精度要求。

3 控制系統軟件

(1)控制系統的軟件主要由外脫脂PLC300程序、內脫脂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，負責各功能塊的調用和對各信息的處理反饋，與HMI及內脫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。主程序主要對內脫脂狀態的監測和對各子程序的調用，并通過PLC300與HMI通訊。

(4)人機界面系統。主要功能包括來料參數設置界面、系統參數設置界面、伺服參數設置界面、I/O狀態監控界面、當前報警界面、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、組態軟件使用IFIX，工控機通過TIP/IP接口與PLC直接連接實現實時通訊。

4 鋼管脫脂設備控制流程(圖5)

圖5 鋼管脫脂控制流程總圖

5 現場調試

根據設計要求，因為該生產線涉及上道工序和下道工序的銜接，該生產線系統及控制系統安裝完畢以后，進行了自身控制系統的調試及上、下料工序的全面聯調。由于在前期設計規劃時進行了比較詳細的攻關和研究，因此聯調的過程比較順利，調試的方法采用模擬正常生產模式，即試生產。經過對生產操作人員的簡單培訓和相關數據分析，整個在線脫脂生產線工作正常，調試結果滿意。按照企業的初步統計， 目前該生產線的運行狀況相比過去的傳統酸洗和離線脫脂，工作效率有所提高，大幅降低了對環境的危害，可循環利用程度高，如圖6所示。經過后期的不斷運行，該生產線的效率還會有一定的提高潛力，當然還會有其他細節方面的后續改善。

圖6 主要數據對比

6 結束語

經過后續該控制系統經過實驗仿真、現場調試、及正式交付使用，到目前為止，其工作穩定、可靠，完全達到了設計目標。同時也驗證了在強干擾環境下，所設計的硬件及軟件完全可以穩定工作。設備已成功用于實際生產。經過運行觀察，系統運行穩定，同時具有人機界面友好、維護方便、系統操作簡便，對工人零要求，并方便企業查詢數據，成本投入低的優點。該生產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

一種雙金屬復合管高壓液脹機出料系統(CN103286238A)

本發明的目的是克服現有的雙金屬復合管高壓液脹機出料系統機械結構復雜，出料過程協調性差，控制精度低，出料系統不僅造價成本高，而且生產過程維護極為不便的問題。

本發明提供的雙金屬復合管高壓液脹機出料系統，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表面半徑相同的彎曲臂，設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，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鉸接；固定頂桿固定在該端面前并置于翻料臂的左側下方與液壓缸之間，當左脹型模具在液壓缸的驅動下向左下翻轉過程中頂推住翻料臂。該出料裝置結構簡單，穩定性好，便于控制，易于維護。

本發明提供的雙金屬復合管高壓液脹機出料系統采用翻料臂和左脹形模具一體化設計，翻料臂無需單獨的驅動裝置，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。結構簡單，穩定性好，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，從事設備電氣技術管理工作

TP393

A

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