纏紙流程自控系統的設計與應用

周書亮　谷傳龍　李斌　李建一　孫志剛　李汝江　高平平　安立芬

摘 要 針對鋼管防腐生產線纏紙工序采用手動纏繞的現狀，設計基于PLC、伺服定位系統等的鋼管自動纏紙裝置及其交互控制系統。該系統的上線運行，避免了人工介入的不穩定因素，提高了鋼管流程輸送效率，降低了防腐質量風險，同時減輕了崗位人員的勞動強度。

關鍵詞 交互控制 鋼管防腐 纏紙 傳感器 輸送效率

中圖分類號 TP273? ?文獻標識碼 B? ?文章編號 1000-3932（2023）04-0573-08

華油鋼管有限公司？準508 mm～2 540 mm防腐生產線涂覆前準備區域的纏紙工序采用手動操作方式，區域內鋼管防腐處理工序較多，需要外觀檢驗、上連接器等，人工介入點多，操作繁瑣。在纏紙處理工序過程中，需要人工在鋼管兩端纏繞紙帶，纏紙效率低、勞動強度大。輸送輥道和橫移車操作存在不連續情況，需要頻繁切換操作點，占用時間長。外拋丸工序鋼管拋丸處理速度較快，而人工纏紙工序鋼管流程處理不及時，極其容易造成鋼管流程擁堵［1］。因此，公司組織技術人員設計鋼管涂覆準備區域纏紙流程自控系統，以期實現鋼管在外拋丸后和涂覆前的纏紙、輥道及橫移車等工序的自動輸送和設備間的交互控制［2］。

1 防腐流程簡介

埋弧焊管防腐生產線主要由輸送輥道、橫移車、外拋丸、纏紙、中頻加熱、粉末噴涂及外涂覆等設備組成［3］。橫移車將鋼管運送到指定的輸送輥道上，鋼管沿輸送輥道進入外拋丸、纏紙等處理工序，外涂覆完畢的鋼管進入水淋室冷卻后，沿輸送輥道進入管端打磨等其他工序，完成流程處理過程，如圖1所示。

2 自控系統工作原理

纏紙自控系統硬件結構如圖2所示。纏紙自控系統的自動纏紙裝置布置在臺架的左、右兩側，纏紙工序安裝有旋轉輥，經外拋丸處理的鋼管，由橫移車從輸送輥道托運到纏紙的旋轉輥工序，電感式傳感器檢測到鋼管信號，安全報警裝置未觸發的狀態下，纏紙小車相向而行，到達管端時執行減速、停止指令，經過纏紙管端精確定位、卷紙自動輸送、自動纏紙隨動等控制后，進行纏紙作業，纏紙完畢后，兩側小車退回到起始點位置，橫移車將鋼管托運到下一工序，進行下一流程的作業。

左、右纏紙自控系統設計有手動控制和自動控制兩種模式。自動控制模式下，在左、右纏紙小車起點位，當橫移車將鋼管放到纏紙旋轉輥上，鋼管位置傳感器檢測到信號時，PLC程序發出指令，控制左、右小車相向運行；當傳感器檢測到管端時，小車執行減速動作；當纏紙靠輥接觸到鋼管時，小車停止運行。水平移動平臺帶動纏紙機構向靠近鋼管方向移動。V90伺服電機編碼器實時檢測位移量，根據鋼管規格參數，當到達設定位置后，平臺停止移動［4，5］。此時，貼紙輥的氣缸升起，將紙端壓在鋼管外壁，并沿鋼管弧面行走150 mm的弧長距離，起到將紙端壓在鋼管外表面的作用。

旋轉輥帶動鋼管旋轉，放卷裝置帶動卷紙盤旋轉，監測傳感器實時檢測卷紙盤的消耗量，測長裝置通過旋轉編碼器測量紙帶的實時長度。在纏紙自動輸送過程中，膠水噴涂裝置運行，將膠水噴涂在紙帶表面，當測長裝置測量紙帶長度達到設定值時，切紙裝置開始動作，將紙帶切斷，放卷裝置停止運行。紙帶末端纏上管端后，旋轉輥停止旋轉，完成纏紙過程。

在自動運行過程中，纏紙小車兩側的安全傳感器檢測到人員進入時，自動程序終止，并發出報警信息，提示相關人員及時處理［6］。

3 硬件組成

3.1 控制器件

控制器件主要為西門子、歐姆龍等控制元件，由歐姆龍光電傳感器檢測鋼管位置，鏡面反射式安全傳感器檢測輥道兩側異常狀態，采用PROFINET主從控制模式。以S7-1215C PLC作為PLC主站，G120變頻器、V90伺服控制器與主站建立通信，實現采集信號處理和邏輯運算；西門子SM221模塊完成傳感器檢測信號的采集［7］，并將信號傳遞給PLC主站；觸摸屏完成設備運行狀態實時顯示及故障報警功能。

3.2 管端精準定位裝置

管端精準定位裝置主要包括：行走小車、水平移動平臺、檢測傳感器及位移傳感器等。行走小車采用三相異步電動機驅動，主要帶動纏紙機構沿鋼管軸線方向移動，到達指定的纏紙位置。水平移動平臺通過V90伺服控制器帶動托紙輥、吸盤盒等移動到指定位置，便于進行纏紙動作。

3.3 卷紙自動輸送裝置

卷紙自動輸送裝置主要包括：放卷、測長、膠水噴涂及切紙等裝置。放卷采用變頻電動機驅動，電機輸出軸連接氣脹軸，卷紙固定在氣脹軸上，通過氣動脹緊力保證卷紙的穩定轉動。卷紙通過張力輪自動輸送。測長裝置通過旋轉編碼器測量紙帶實時長度，達到設定值后，切紙裝置動作，將紙帶切割完畢［8，9］。

3.4 自動纏紙隨動控制裝置

如圖3所示，自動纏紙隨動控制裝置主要包括：管端位置傳感器、隨動伺服機構及軸向移動平臺等。軸向移動平臺上固定有檢測鋼管端面傳感器，通過傳感器檢測到管端在軸向的位置變化，通過伺服機構來控制移動平臺做相應伺服移動，達到保證管端纏紙寬度在固定參數的目的，平臺在軸線方向移動機構為直線導軌。

3.5 單機設備

在外拋丸出管區域為V型臺架，由外拋丸后輥道輸送來的鋼管經過自動對中后，需要將鋼管通過橫移車運送到V型臺架或纏紙旋轉輥上。

3.6 硬件特性

為了避免生產不同規格鋼管時頻繁調整傳感器位置，輥道位置檢測傳感器采用光電鏡面反射方式，并在輥道末端設計雙傳感器信號觸發［10］，如圖4所示。

在外拋丸輸出輥道有鋼管、V型臺架鋼管倒運到纏紙旋轉輥、纏紙旋轉輥鋼管倒運V型臺架或輸送輥道等控制需求條件下，優先倒運外拋丸輸出輥道鋼管，避免外拋丸設備停機。

在自動運行模式下，左、右兩側纏紙小車沒有退到原點位置時，禁止橫移車在旋轉輥工位升降。橫移車在旋轉輥上升托管的使能信號為上升沿信號，避免誤動作，可增強自控系統運行的可靠性。

4 軟件開發

鋼管由橫移車放到纏紙旋轉輥上后，纏紙小車達到指定位置，需要經過管端精準定位、纏紙自動輸送、纏紙隨動控制等系統實現自動纏紙功能。PLC程序通過采集傳感器信號和西門子V90伺服電機編碼器實時數據，經過邏輯判斷后，控制纏紙機構執行相應動作，從而實現鋼管管端自動纏紙功能，控制流程如圖5所示。

4.1 自動控制程序

4.1.1 自動纏紙

當橫移車將鋼管放到纏紙旋轉輥上后，PLC程序通過采集纏紙小車、定位裝置、輸送裝置等傳感器檢測信號，經過邏輯判斷后，可確定自動纏紙系統是否處于準備就緒狀態，在自動模式下，纏紙小車處于原點位置、紙帶端部處于起始點、涂膠裝置膠水溫度及液位在設定值范圍內且輸送機構均在復位狀態，東西小車沿鋼管方向相向運行，纏紙系統執行管端定位、紙帶自動輸送及纏紙過程中的隨動控制等程序，當測長裝置測量紙帶長度達到設定值時，切紙裝置開始動作，將紙帶切斷，放卷裝置停止運行。紙帶末端纏上管端后，旋轉輥停止旋轉，完成纏紙過程［11］。采用LAD（梯形圖）語言進行編程，控制程序段如圖6所示。

4.1.2 流程交互自動控制

將輸送輥道、橫移車等設備工作狀態、前后限位、設備位置采集到PLC程序中，通過程序實現自動交互控制（圖7），保證設備的有序自動運行。

流程交互自動控制的主要控制邏輯為：

a. 輥道上設置鋼管東端極限保護限位，當超長管超過對中范圍時，鋼管在極限限位處停止，滿足橫移車托管需求。

b. 在自動模式下，若V型臺架及纏紙旋轉輥上沒有鋼管，且纏紙小車處于原點位置，橫移車將輥道上對中完畢的鋼管托放到纏紙旋轉輥上，纏紙小車相向運行，執行纏紙動作。若V型臺架及纏紙旋轉輥上有鋼管，通過PLC程序邏輯判斷，橫移車將鋼管放到V型臺架上。

c. 纏紙完畢后，纏紙小車后退到原點，經過程序運算處理，橫移車將纏紙完畢的鋼管放到纏紙后V型臺架或輸送輥道上，并將V型臺架或外拋丸出管輥道上鋼管放到纏紙旋轉輥上，完成流程交互控制。

4.2 觸摸屏軟件編程

觸摸屏具有方便直觀、圖像清晰、堅固耐用及節省空間等優點，操作者只要用手觸碰顯示屏上的圖符或文字就能實現對系統的操控，擺脫了鍵盤和鼠標操作，從而提高了設備的可操作性、安全性和便捷性。

該系統采用SIMATIC KTP900觸摸屏實現與PLC的交互通信、狀態顯示、故障報警等功能。

采用博途軟件對其進行組態，PLC與觸摸屏采用PROFINET通信方式。

該控制系統中，設計觸摸屏用于實現自動纏紙的參數設置、設備運行狀態的顯示以及纏紙過程中數據的統計和查詢功能。通過參數設置，實現纏紙過程中不同規格鋼管工藝要求的自動控制。

在纏紙PLC系統組態配置界面中，添加SM221、SM222等模塊實現自動纏紙動作功能的控制；添加V90伺服控制器分站、G120變頻器分站GSD文件并配置I/O變量、網絡地址等參數以實現控制器與PLC主站的PROFINET通信；左、右小車的1214C PLC系統通過SCALANCE XB008工業交換機實現交互通信［12，13］。配置好的軟件界面如圖8所示。

觸摸屏上參數設置完后，觸摸屏與PLC系統通過PROFINET協議建立通信，將參數值寫入PLC系統中，根據參數值執行相應邏輯控制，設備的運行狀態和報警信息在觸摸屏上顯示（圖9）。

5 應用效果

自動纏紙控制系統投運前、后，工作方式、參數與應用效果的對比見表1。

系統上線運行后，實現了鋼管外涂覆前管端自動纏紙，工序間輥道、橫移車的自動交互；實現纏紙區域流程自動控制功能，減少了崗位數量，提高了區域自動化水平和生產效率，并降低了防腐質量風險。

6 結束語

纏紙流程自控系統的上線運行，打破了設備孤島，實現鋼管外涂覆前區域過程控制的自動化和可視化，提高了產品的一致性，優化了崗位設置，降低生產成本和防腐質量風險，實現了提質增效，具有良好的經濟效益和社會效益。

在鋼管防腐行業，通過鋼管管端精確定位技術、卷紙自動輸送技術和自動纏紙過程中的隨動控制技術，實現防腐鋼管管端自動纏紙功能，代替人工纏紙，為行業內裝備制造能力提升提供借鑒思路；開發區域內自動纏紙系統與鋼管輸送設備的智能交互控制算法，形成外涂覆前區域自動化流水線生產模式，提高了鋼管防腐質量管控能力，助力推進鋼管防腐過程中智能制造進程。

參 考 文 獻

［1］ 李和平.現代精細化工生產工藝流程圖解［M］.北京：化學工業出版社，2014.

［2］ 馬凱，肖洪流.自動化生產線技術［M］.北京：化學工業出版社，2017.

［3］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.管道外防腐補口技術規范：GB/T 51241—2017［S］.北京：中國計劃出版社，2018.

［4］ 趙晶，黃韜.運動控制系統原理及應用［M］.北京：化學工業出版社，2020.

［5］ 黃風.運動控制器與交流伺服系統的調試和應用［M］.北京：機械工業出版社，2021.

［6］ 李運華.安全生產事故隱患排查實用手冊［M］.北京：化學工業出版社，2012.

［7］ 魏克新.西門子S7-1200/1500PLC學習手冊［M］.北京：化學工業出版社，2018.

［8］ 馬明建.數據采集與處理技術［M］.西安：西安交通大學出版社，2012.

［9］ 左維，陳昌安.西門子數控系統結構及應用［M］.北京：機械工業出版社，2020.

［10］ 周潤景，李茂泉，董海波.常用傳感器技術及應用［M］.北京：電子工業出版社，2020.

［11］ 魏克新.自動控制綜合應用技術［M］.北京：化學工業出版社，2012.

［12］ 王建.觸摸屏實用技術［M］.北京：機械工業出版社，2012.

［13］ 蔡皖東.工業以太網技術［M］.北京：電子工業出版社，2020.

（收稿日期：2022-06-21，修回日期：2023-05-07）