鋼管精整線自動(dòng)化控制系統(tǒng)

王 輝

（寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海 201900）

引言

寶鋼鋼管精整線（下文簡稱精整線）原設(shè)計(jì)產(chǎn)品以普碳鋼為主，裝備屬于20 世紀(jì)70 年代末期技術(shù)水平，隨著市場環(huán)境的變化、用戶對高鉻管等高附加值產(chǎn)品的需求大幅增加，然而精整線的矯直機(jī)、鋸機(jī)以及探傷設(shè)備均不能滿足生產(chǎn)要求。現(xiàn)有設(shè)備老化嚴(yán)重、可靠性低、穩(wěn)定性差、設(shè)備精度控制困難，嚴(yán)重制約了高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)，因此需對精整線進(jìn)行全面改造。

1 工藝流程簡介

1.1 精整線工藝流程如圖1

工藝流程簡述：用行車將管料吊運(yùn)到上料臺架，通過輸送鏈以及步進(jìn)機(jī)將鋼管分別送入1#、2#鋼管切頭鋸；鋼管頭尾切割完畢后進(jìn)入矯直機(jī)；矯直后送入分段鋸進(jìn)行定尺分段；之后進(jìn)入吹灰裝置吹灰；然后送入渦流探傷，探傷后不合格的鋼管撥入廢料筐；合格的管子在生產(chǎn)線上分為兩路，一路不需要超聲波探傷的鋼管直接進(jìn)行外表檢驗(yàn)；另一路鋼管進(jìn)入超聲波探傷，探傷后不合格的鋼管送入廢料筐，合格的鋼管再進(jìn)行外表檢驗(yàn)；外表檢驗(yàn)后的鋼管由步進(jìn)機(jī)送入1#、2#管端磁粉探傷，檢驗(yàn)完畢對不合格的鋼管進(jìn)行標(biāo)記；然后鋼管進(jìn)入1#、2#內(nèi)表面檢驗(yàn)，將內(nèi)表面檢驗(yàn)和磁粉探傷檢驗(yàn)不合格鋼管送入廢料筐，合格的鋼管兩端去毛刺；然后送入自動(dòng)光譜分析儀對鋼管進(jìn)行混鋼檢驗(yàn)；混鋼的鋼管送入自動(dòng)光譜分析儀后的收集料筐，合格的鋼管進(jìn)入測量點(diǎn)區(qū)域，依次經(jīng)過對齊、噴色環(huán)、測長、稱重等工序后，將長度、重量等測量值與實(shí)際值進(jìn)行比較，如果超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定時(shí)，則分別判為長度與重量不合格；測長、稱重結(jié)束后將鋼管送入除碳污染裝置；除碳污染后對鋼管進(jìn)行噴印，噴印機(jī)采用噴印頭不動(dòng)鋼管移動(dòng)的穿過式噴印；噴印結(jié)束后對鋼管進(jìn)行全長退磁；然后進(jìn)入稱重料筐，經(jīng)稱重后操作工操作打捆吊車將稱重料筐中的鋼管吊起，由人工使用氣動(dòng)捆扎器進(jìn)行捆扎，捆扎后的管捆由行車吊入庫。至此，整個(gè)加工過程結(jié)束。

圖1 精整線工藝流程

1.2 精整線改造主要設(shè)備見表1

表1 精整線主要設(shè)備

2 傳動(dòng)及基礎(chǔ)自動(dòng)化

2.1 傳動(dòng)

精整線機(jī)電一體品設(shè)備的傳動(dòng)由機(jī)電一體品廠家集成，機(jī)組輔助輸送設(shè)備中電機(jī)均為380V交流電機(jī)，其中液壓站主泵電機(jī)恒速運(yùn)行，功率110kW，采用軟啟動(dòng)控制；其他如輥道、步進(jìn)機(jī)、輸送鏈等電機(jī)需變速運(yùn)行，采用變頻器控制。

本項(xiàng)目使用ABB 公司ACS 系列變頻器，該系列變頻器支持V/F、矢量及DTC 等多種控制方式。變頻器采用交直交單獨(dú)傳動(dòng)形式，其優(yōu)點(diǎn)是單獨(dú)傳動(dòng)時(shí)變頻器的運(yùn)轉(zhuǎn)不受其他變頻器的影響，獨(dú)自控制與其相接的一臺或一組電機(jī)，這樣在出現(xiàn)個(gè)別電機(jī)或變頻器故障時(shí)可在不影響其他設(shè)備運(yùn)行的情況下更換電機(jī)或變頻器。此外為變頻器選裝了Profibus-DP 通訊適配器接入PLC 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟停、電機(jī)正反轉(zhuǎn)選擇、電機(jī)速度給定、電機(jī)電流反饋、速度反饋、故障反饋以及故障復(fù)位等一系列操作；還為變頻器選裝輸出電抗器，可對電機(jī)絕緣起到保護(hù)作用，并可增加輸出側(cè)電纜的有效長度。

精整線單線系統(tǒng)圖如圖2。

圖2 精整線單線系統(tǒng)圖

2.2 基礎(chǔ)自動(dòng)化

基礎(chǔ)自動(dòng)化主要由各機(jī)電一體品設(shè)備PLC、主線輸送設(shè)備PLC 以及現(xiàn)場遠(yuǎn)程I/O 柜、遠(yuǎn)程I/O 操作臺、HMI、工程師站等設(shè)備組成。根據(jù)控制功能的需要以及用戶的使用習(xí)慣，控制系統(tǒng)采用成熟可靠的西門子S7系列PLC。

各設(shè)備基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)見表2。

表2 各設(shè)備基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)列表

其中主線輸送設(shè)備設(shè)兩套PLC，一套控制鋼管切頭鋸、分段鋸、矯直機(jī)、渦流探傷設(shè)備、超聲波探傷區(qū)域內(nèi)的輸送設(shè)備，并處理該區(qū)域內(nèi)機(jī)電一體品的交接信號；另一套控制管端磁粉探傷、去毛刺機(jī)、分鋼儀、測長裝置、稱重裝置、涂色環(huán)、除碳污染裝置、噴印機(jī)、打捆區(qū)域內(nèi)的輸送設(shè)備，并處理該區(qū)域內(nèi)機(jī)電一體品的交接信號。

由于鋼管精整線輸送設(shè)備區(qū)域有大量的機(jī)位、料位傳感器以及液壓、氣動(dòng)系統(tǒng)電磁閥，因此在現(xiàn)場各傳感器、電磁閥集中的區(qū)域設(shè)置遠(yuǎn)程I/O 柜，柜內(nèi)安裝西門子ET200 I/O 模塊，傳感器和電磁閥全部接入現(xiàn)場遠(yuǎn)程I/O 柜中；此外精整線生產(chǎn)模式以現(xiàn)場操作為主，現(xiàn)場各工位設(shè)操作臺，在操作臺內(nèi)安裝ET200 I/O 模塊，操作臺面板上的按鈕指示元件全部接入操作臺內(nèi)的I/O模塊。通過現(xiàn)場遠(yuǎn)程I/O柜和遠(yuǎn)程I/O 操作臺的設(shè)置，較以往在電氣室PLC柜內(nèi)集中設(shè)置I/O 模塊，可大量減少傳感器、電磁閥以及操作臺至PLC 柜的各種線纜；同時(shí)因傳感器、電磁閥和操作臺的信號就近進(jìn)入各遠(yuǎn)程I/O，也為現(xiàn)場調(diào)試和產(chǎn)線故障時(shí)的校線排除故障提供了便利。

HMI系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)操作員與生產(chǎn)過程的人機(jī)通訊，通過畫面操作和顯示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各設(shè)備生產(chǎn)過程的參數(shù)設(shè)定、起停控制、聯(lián)鎖控制以及生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和故障報(bào)警顯示。精整線的切頭鋸、分段鋸、渦流探傷、超聲波探傷以及測量點(diǎn)設(shè)備均設(shè)置了HMI 操作員站，分別放置在各機(jī)電一體品的操作室內(nèi)。此外在兩套主線PLC 所在的電氣室內(nèi)還設(shè)置了兩套工程師站，用于兩套主線PLC 的編程調(diào)試以及維護(hù)工作。HMI 操作員站硬件采用主流商用機(jī)，操作界面采用西門子WinCC 開發(fā)；工程師站硬件采用西門子工控機(jī)，內(nèi)裝西門子PLC 編程軟件STEP7。

主線PLC 通過工業(yè)以太網(wǎng)與同區(qū)域的機(jī)電一體品PLC 連接，兩套主線PLC 之間也通過工業(yè)以太網(wǎng)相連；主線PLC 通過Profibus-DP 網(wǎng)與同區(qū)域的傳動(dòng)裝置、現(xiàn)場遠(yuǎn)程I/O 柜以及遠(yuǎn)程I/O 操作臺連接；此外對通訊即時(shí)性要求較高的切頭鋸、分段鋸和矯直機(jī)等設(shè)備，通過加裝DP/DP 耦合器與主線PLC 進(jìn)行Profibus-DP 通訊，這樣既保證了通訊的即時(shí)性，也可保持各自DP 網(wǎng)段的速率、地址等的獨(dú)立性，也不會(huì)因?yàn)楦髯缘耐ㄓ嵐收隙嗷ビ绊憽?/p>

精整線基礎(chǔ)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)如圖3。

3 過程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

精整線過程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制范圍主要是測量點(diǎn)及打捆區(qū)域，在測量點(diǎn)操作室內(nèi)配置1 臺L2過程服務(wù)機(jī)和1臺測量點(diǎn)L1 HMI，兩臺計(jì)算機(jī)采用獨(dú)立的以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相連。其中L2 過程服務(wù)機(jī)上配有與L3 網(wǎng)絡(luò)通訊的網(wǎng)卡，滿足與L3 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)對本區(qū)域生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理；測量點(diǎn)L1 HMI 配有與PLC 通訊的網(wǎng)卡，用來接收PLC的數(shù)據(jù)及狀態(tài)信號，并對PLC發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)對本區(qū)域的鋼管進(jìn)行料流跟蹤，同時(shí)將產(chǎn)線數(shù)據(jù)上傳L2 過程服務(wù)機(jī)。此外在測量點(diǎn)操作室還配有3臺打印機(jī)，分別用于紙標(biāo)簽、塑料標(biāo)簽及交庫單的打印。

精整線過程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用功能如下：

(1)數(shù)據(jù)管理

可對測量點(diǎn)區(qū)域生產(chǎn)過程中的原始數(shù)據(jù)、生產(chǎn)實(shí)績、生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)和故障報(bào)警信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、存儲(chǔ)和管理。

(2)鋼管料流跟蹤

通過PLC 信號，從鋼管上料開始，對每個(gè)工位、緩沖區(qū)進(jìn)行逐根跟蹤，直至鋼管成品打捆為止。

(3)控制功能

圖3 基礎(chǔ)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)圖

對測量點(diǎn)區(qū)域內(nèi)各個(gè)單體設(shè)備進(jìn)行控制，可按生產(chǎn)工藝要求使用或禁用單體設(shè)備及其部分功能。

(4)生產(chǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)收集處理

通過與L1 交接的信號，按生產(chǎn)工藝的要求，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如進(jìn)行測長標(biāo)定、鋼管長度計(jì)算、測長稱重判廢、噴印內(nèi)容組織等。生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)均保存至過程服務(wù)機(jī)的數(shù)據(jù)庫中。

(5)畫面系統(tǒng)

根據(jù)用戶需求設(shè)計(jì)跟蹤畫面、上料操作畫面、實(shí)績數(shù)據(jù)顯示畫面、生產(chǎn)跟蹤畫面、設(shè)備監(jiān)控畫面、通訊接口畫面、故障報(bào)警畫面等。

(6)與L1、L3進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊

接收L1 的信號及數(shù)據(jù)，來實(shí)現(xiàn)料流跟蹤、數(shù)據(jù)收集等功能，并通過向L1 下發(fā)信號，來實(shí)現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)的各個(gè)單體設(shè)備控制。接收L3 的電文來獲取生產(chǎn)需要的數(shù)據(jù)，并在生產(chǎn)過程中向L3發(fā)送生產(chǎn)過程中的實(shí)績電文。

(7)報(bào)表打印

打印紙標(biāo)簽、塑料標(biāo)簽及交庫單報(bào)表。

(8)設(shè)備狀態(tài)及報(bào)警

通過L1 的信號來顯示并判斷生產(chǎn)線上的設(shè)備狀態(tài)和故障，并對重要的故障報(bào)警。

4 結(jié)語

精整線改造更換了矯直機(jī)、鋸機(jī)以及探傷等設(shè)備，主線電控系統(tǒng)也全部更新，機(jī)組具備了生產(chǎn)高鉻管等高附加值產(chǎn)品的能力，并且產(chǎn)線的運(yùn)行更加成熟、可靠。通過設(shè)備和電控系統(tǒng)的全面改造，使鋼管精整線重新煥發(fā)了青春。