螺旋焊管機組回轉車自動控制系統的設計與應用

周書亮， 王立民， 袁華麗， 李汝江，孫志剛， 江 淵， 崔明亮

（渤海裝備華油鋼管有限公司， 河北 青縣062658）

1 概 述

回轉車是螺旋焊管機組主要設備之一， 其目的是將切割的鋼管從機組區域輸送到精整區域，具有鋼管輸送、 倒運的作用。 華油鋼管有限公司螺旋焊管生產線回轉車設備采用手動操作方式，正常工作過程中， 當運管車把鋼管放到回轉車輥道上時， 操作人員在回轉車的起點位置操作旋鈕， 回轉車的兩組走輪分別在行走輥道1 和行走輥道2 上行走。 運行到終點位置時， 鋼管從回轉車的輥道輸送到清渣區域， 操作人員再操作回轉車返回到起點位置， 完成整個流程。 回轉車的結構如圖1 所示。

圖1 焊管機組回轉車結構示意圖

以生產Φ813 mm×14.2 mm 規格螺旋焊管為例， 切割一根鋼管的平均時間約為8.3 min， 回轉車完成一個運行流程的時間約為3 min， 在手動操作方式下， 需要專人值守， 勞動強度大， 工作效率低。 回轉車設備如果發生故障， 維修時間過長， 容易造成焊管機組停機， 影響正常生產。因此， 設計一種回轉車自動控制及故障預警系統， 實現回轉車自動運行以及異常狀況故障預警， 進而提前維護處理， 對提高生產效率、 保障焊管機組正常運行具有重要意義。

2 回轉車自動控制系統設計

2.1 運行過程

回轉車運行具有手動/自動兩種控制模式， 自動控制模式下， 在回轉車起點位， 當回轉車上的傳感器檢測到鋼管并且運管車的托料勾在下限位時， PLC 程序發出指令， 控制回轉車向終點位運行。 回轉車經過減速限位、 停止限位后， 到達終點位， 地面輥道有料傳感器向PLC 發出信號， 以判斷輥道上有無鋼管， 若有鋼管， 回轉車在終點位等待； 若無鋼管， 回轉車上輸送輥道運行， 把鋼管送到地面輥道。 當鋼管脫離回轉車時， 回轉車自動返回到起點位， 完成一個控制流程。

2.2 控制原理

回轉車自動控制系統功能如圖2 所示。 現場控制系統為西門子控制元件， 采用PROFINET主從控制模式。 以西門子S7-1500PLC 作為PLC主站， ET200MP 分站與主站建立通訊， 完成采集信號處理、 冗余運算、 邏輯控制及觸摸屏通訊[2]； 西門子SM521 模塊完成傳感器檢測信號的采集， 并將信號傳遞給PLC 主站； 觸摸屏完成設備運行狀態的實時顯示及故障預警功能。

圖2 回轉車自動控制系統功能圖

2.3 安全措施

（1） 在回轉車起點位， 當運管車把鋼管放到回轉車上時， 若鋼管長度超出地面檢測傳感器位置， 則PLC 程度控制回轉車輥道反轉， 直到鋼管到達后退限位； 若鋼管到達后退限位后， 鋼管的另一端未脫離地面檢測傳感器位置， 則在觸摸屏上顯示報警提示。

（2） 在回轉車自動運行區域人員出入口裝有安全光幕傳感器， 在自動運行下， 當有人員進入時， 安全光幕傳感器向PLC 發出信號， PLC 程序自動切斷自動模式， 只能手動操作回轉車， 從而保證人員和設備運行的安全。

3 硬件組成

3.1 檢測機構

回轉車自動控制檢測機構主要由鋼管有料傳感器、 管頭檢測傳感器、 管尾檢測傳感器、鋼管脫離檢測傳感器、 超長檢測傳感器、 回轉車實時位置檢測編碼器及傳感器支架組成。 開關量檢測采用電感式接近傳感器， 檢測距離為0～75 mm[3-4]， 傳感器支架為伸縮帶高度可調機構， 可根據生產不同規格鋼管對傳感器高度進行調整[5]； 編碼器安裝在回轉車走輪上， 用來測量回轉車運行的實時位置。

鋼管有料傳感器安裝在回轉車中間位置， 檢測有無鋼管； 管頭和管尾傳感器通過PLC 程序邏輯判斷鋼管是否位置放偏； 鋼管脫離傳感器控制回轉車自動返回動作； 超長傳感器安裝在地面上， 檢測到鋼管信號時， 控制回轉車輥道電機執行反轉動作， 使鋼管在安全范圍內運行。

3.2 PLC 控制系統

PLC 控制系統主要由CPU 模塊、 SM521 信號輸入模塊、 SM522 信號輸出模塊、 ET200MP（從站） 模塊和G120 變頻器組成， 主要完成傳感器信號的采集運算、 回轉車行走、 輥道電機運行等控制。

本研究中PLC 系統為S7-1500 系列1513 產品， 采用新型的背板總線技術、 高波特率和高傳輸協議， 信號處理速度更快。 S7-1513 PLC 集成PROFINET 接口， 可實現低成本快速組態的現場級通信和公司網絡通信， 便于車間層控制網絡與生產管控層網絡的融合， 大大減少了通訊協議轉換的工作量。

3.3 觸摸屏

觸摸屏實現設備運行狀態的實時顯示及故障預警功能， 便于維護人員及時了解回轉車設備狀況， 出現異常時報警提示。 本系統采用西門子SIMATIC 精智TP1200 觸摸屏， 支持USB、MPI、 PROFIBUS-DP 和Ethernet 通 訊， 可 直 接與西門子S7 系列PLC 建立通訊并進行變量連接。 TP1200 自帶報警系統， 可用博途軟件對其進行組態。 PLC 與觸摸屏采用PROFINET 通訊方式。

4 軟件設計

4.1 檢測控制

為了避免干擾信號造成設備誤動作情況發生， PLC 系統采用檢測信號導通后定時器延時觸發控制邏輯， 消除瞬間擾動信號的影響。 鋼管放到回轉車體上時， 由于鋼管直度、 橢圓度等形貌的影響， 出現管頭、 管尾與輥道輸送線存在一定夾角的情況， 在輥道輸送過程中， 鋼管容易偏離輸送輥道掉落地面。 為避免這種情況發生， 在輸送輥道中心線上對應的鋼管管頭、 管尾處各設置一組檢測傳感器， 只有這兩組傳感器同時檢測到鋼管信號時， 才允許執行輸送指令， 確保系統自動運行的可靠性。

編碼器用來檢測回轉車的實時位置以及起點和終點的精確定位。 為避免回轉車主動輪打滑對編碼器測量精度的影響， 編碼器安裝在被動輪上。在PLC 硬件組態中， 設置編碼器為連續計數模式，計數范圍為-2 147 483 648～2 147 483 647， PLC 程序通過SM550 模塊對采集的信號進行運算[6]， 轉換為回轉車行走位置， 計算程序如圖3 所示。

在回轉車送管完畢返回起點時， 采用雙重信號檢測方式， 只有車體以及地面輥道都檢測不到鋼管信號時， 才允許回轉車執行返回動作， 避免因檢測傳感器失效、 鋼管管尾還沒有脫離回轉車時， 回轉車自動返回情況的發生。

PLC 程序通過對檢測傳感器信號的邏輯判斷， 控制回轉車自動執行送管、 返回動作， 實現全自動流程控制[7-8]， 自動控制程序模塊如圖4所示。

圖3 回轉車位置計算程序

圖4 回轉車自動控制程序模塊

4.2 觸摸屏組態

（1） 觸摸屏組態軟件采用博途V15.1， 是西門子發布的一款全新的集成自動化軟件， 也是業內首個采用統一的工程組態和軟件項目環境的自動化軟件， 用戶能夠快速、 直觀地開發和調試自動化系統， 可對西門子全集成自動化中所涉及的所有自動化和驅動產品進行組態、 編程和調試，適合所有工業領域的解決方案， 支持多語言， 可以集成到所有自動化解決方案內。

（2） 在本設計中， 博途V15.1 通過PROFINET與PLC 主站建立變量連接， 變量表見表1。

表1 連接變量表

在博途軟件組態設置界面中， 觸摸屏通訊地址設置為192.168.66.22， 訪問點為S7ONLINE，經過參數設置后， 與PLC 主站建立通訊連接[9-10]，圖5 為組態通訊界面。

圖5 組態通訊界面

（3） 通過博途軟件組態界面和PLC 主站的通訊連接， 將PLC 的參數讀取到軟件中。 為了便于查找設備自動運行過程中出現的故障， 設計了故障自診斷預警系統， 該系統經過傳感器采集設備運行信息， 進行多條件邏輯組合判斷， 實現故障提示、 易損件 （如軸承、 走輪） 定期維護保養提示和故障預警 （溫度、 振動量異常等），達到對于設備故障及異常狀況進行報警和預警提示[11-12]的效果， 圖6 為回轉車控制系統界面。

圖6 回轉車控制系統界面

4.3 應用效果

回轉車自動控制系統改造完成后， 實現了全自動無人值守作業， 縮短了鋼管運送流程時間，在降低了故障率的同時， 提高了設備有效作業率。 表2 為回轉車控制系統改造前后對比情況。回轉車控制系統改造完成后， 已安全、 穩定運行16 122 h， 合并操作崗位1 個。

表2 回轉車控制系統改造前后效果對比

5 結束語

焊管機組回轉車自動控制系統采用關鍵控制指令雙重檢測方式、 檢測信號延時觸發控制邏輯、 區域安全防護保障措施、 PLC 邏輯判斷以及控制硬件單元自動執行運行指令， 實現回轉車全自動流水線作業， 確保了系統運行的安全性和穩定性。 同時， 通過傳感器采集設備運行信息和控制算法， 實現了故障報警、 保養預警提示等功能， 提高了設備有效作業率， 系統運行穩定、 可靠。