管道防腐生產線運管板鏈同步控制系統(tǒng)

姜 珮 蔣 沛 羅維多 黃盼盼 段井玉

（1. 天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅 蘭州 730060；2. 山東東宏管業(yè)股份有限公司，山東 濟寧 273100 ）

1 管道防腐生產線運管板鏈同步控制系統(tǒng)提出的背景

隨著電機技術與電機精度不斷提高，許多原來由復雜的機械結構實現(xiàn)的運動控制，現(xiàn)在越來越多地采用電機直接驅動代替，而傳統(tǒng)的單電機驅動難以滿足現(xiàn)代工業(yè)需求，所以多電機同步控制更多的應用于各種領域，尤其是軋鋼行業(yè)、紡織行業(yè)、印染行業(yè)、造紙行業(yè)等多變量控制領域。同步控制算法與控制方式的選擇直接關系著系統(tǒng)的可靠性，產品的質量和市場銷售，研究多電機的同步控制，對實際生產具有重要意義。

管道防腐生產主要是針對鋼管進行的，在鋼管防腐生產過程中，根據(jù)需要對鋼管依次進行內外拋丸、管內吹掃、鋼管內外環(huán)氧噴涂、3PE纏繞、聚氨酯泡沫噴涂纏繞、鋼管端口打磨等工序處理（圖1所示：一條鋼管內外環(huán)氧、3PE、聚氨酯泡沫噴涂生產線工藝布置圖）。而鋼管在緩存平臺上平移的精確度直接影響上述工序能否順利進行。

圖1 鋼管內外環(huán)氧、3PE、聚氨酯泡沫噴涂生產線工藝布置圖

2 鋼管平移技術現(xiàn)狀及存在問題

目前國內管道防腐生產工藝中，大部分采用人工扳滾的方式實現(xiàn)鋼管在緩存平臺上的平移，這種方式主要存在以下兩方面的問題。

第一，經(jīng)濟性方面的問題。在外拋丸工序段，拋丸完成后的鋼管之間、鋼管與緩存平臺之間相互碰撞擠壓，容易造成鋼管外表面錨紋深度不達標，需要重新進行外拋丸作業(yè)，直到鋼管外表面錨紋深度檢測合格。在聚氨酯泡沫噴涂工序段，附著聚氨酯泡沫的鋼管在滾動過程中，容易造成聚氨酯泡沫開裂（如圖2所示），需要經(jīng)過人工鏟除整根鋼管表面的聚氨酯泡沫再重新進行噴涂作業(yè)。在內外環(huán)氧噴涂等工序段也同樣會出現(xiàn)類似的鋼管質檢不合格的問題。由此可見，人工扳滾導致鋼管質檢不達標時，耗費了大量的原材料和人力資源。同時，隨著管徑的不斷增大，采用人力移動鋼管變得越來越困難；

圖2 聚氨酯泡沫開裂脫落

第二，安全性方面的問題。包括設備安全和人身安全。設備安全方面，人工扳滾用力過大導致鋼管在慣性作用下從緩存平臺掉落，砸壞地面上其他的設備。人身安全方面，因為扳管人員的疏忽大意很可能發(fā)生鋼管間擠傷事故，甚至威脅到員工的生命安全。

因此，我們開發(fā)出運管板鏈設備取代鋼管緩存平臺，其結構及現(xiàn)場布置如圖3、圖4所示。圖3中，型材底座以一定的間隔安裝在水平地面上，其上安裝橫梁，在橫梁的兩端分別裝有主動輪和被動輪，用工業(yè)鏈條將主動輪與被動輪連接起來，其中，主動輪的一側安裝有一個三相交流異步電機，由以上相同的兩條板鏈組成一套完整的運管板鏈裝置，如圖4所示。運管板鏈裝置可以同時完成多根鋼管的橫向平移，將鋼管從一個工位順序移動到下一工位。

圖3 單臺板鏈圖

圖4 整體結構圖

實際應用中，由于兩條板鏈的制造安裝及其驅動電機存在誤差，使得兩條板鏈在平移過程中存在速度差，因此，亟需設計一套運管板鏈同步控制系統(tǒng)，使得運管板鏈運行同步。這種同步方式再不需要增加復雜的機械結構，安裝難度小，造價低，適用于不允許開挖基坑的管道防腐生產線。

3 基于PLC的管道防腐生產線運管板鏈同步控制系統(tǒng)設計

3.1 運管板鏈同步控制系統(tǒng)設計總體方案

運管板鏈同步控制系統(tǒng)的設計基于三層設備、兩層網(wǎng)絡的3+2網(wǎng)絡控制結構。第一層設備是位于上層的操作設備，如操作臺、觸摸屏等。第二層設備是位于中間層的控制設備，如PLC等。第三層設備是位于底層的現(xiàn)場設備，如編碼器、各種分布式IO設備等。兩層網(wǎng)絡是指現(xiàn)場設備與控制設備之間的控制網(wǎng)絡，控制設備與操作設備之間的管理網(wǎng)絡。

3.2 硬件部分

運管板鏈同步控制系統(tǒng)主要由PLC、變頻器、三相異步電動機、編碼器等硬件組成，如下圖5所示。PLC是實時控制的核心設備，通過PROFIBUSDP總線與兩臺變頻器進行通訊，通訊硬件連接圖如圖7所示，讀取變頻器中各個電機的速度，向變頻器發(fā)送指令，設置各個電機的速度，同時接受變頻器反饋回來的運行狀態(tài)信息和故障報警信息等。變頻器是電機的控制和驅動機構，它通過DP總線與PLC進行數(shù)據(jù)傳輸，控制電機的啟動、運行和停止。編碼器實時檢測電機的轉速，將檢測數(shù)據(jù)通過譯碼轉變成PLC可接受的電信號傳送給PLC，再由PLC向變頻器發(fā)送命令，控制電機的轉速，實現(xiàn)電機的轉速閉環(huán)控制。其在現(xiàn)場的設備和操作柜位置如圖6所示。

圖5 系統(tǒng)結構圖

圖6 現(xiàn)場設備及操作柜

3.3 軟件部分

利用西門子公司的STEP7編程軟件來實現(xiàn)運管板鏈同步控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)、PLC編程以及從站通訊等軟件設計。

PLC控制系統(tǒng)主程序流程圖如圖8所示。 PLC上電后程序開始循環(huán)執(zhí)行，根據(jù)需要，可對電動機進行相應控制，PLC響應時間為10ms。

圖8 主程序流程圖

系統(tǒng)上電后，PLC首先執(zhí)行初始化程序，接著在操作臺啟動運管板鏈，PLC將發(fā)送啟動命令控制字給兩個變頻器，兩個變頻器驅動電機開始運行。系統(tǒng)以電機1的轉速為基準，并由編碼器1測得電機1的轉速；編碼器1測得的數(shù)據(jù)通過譯碼轉變成PLC可接受的電信號實時上傳至PLC存儲器中，同時編碼器2測得了電機2的轉速，同樣的，編碼器2測得的數(shù)據(jù)通過譯碼轉變成PLC可接受的電信號實時上傳至PLC存儲器中，PLC把采集到的信號進行比較，當電機2的轉速小于電機1的轉速時，PLC發(fā)送加速指令給變頻器2，變頻器2驅動電機2加速；當電機2的轉速大于電機1的轉速時，PLC發(fā)送減速指令給變頻器2，變頻器2驅動電機2減速；直到測得的電機2的轉速和電機1的轉速相等，這樣依次循環(huán)進行，最終電機2和電機1同步運行。

3.4 現(xiàn)場實際應用出現(xiàn)的問題及解決方案

前文從理論上闡述了運管板鏈同步控制方案，但在調試過程中，運管板鏈運行依然出現(xiàn)了不同步的情況。經(jīng)過多次試驗論證，我們依次排除了硬件連接的問題，通訊干擾問題，軟件組態(tài)和編程等問題，最終確認是由于機械運行產生振動，從而導致編碼器檢測數(shù)據(jù)時受到影響，這對運管板鏈同步控制的實現(xiàn)來說是致命的。

為了消除機械振動對運管板鏈同步控制系統(tǒng)的影響，我們結合編碼器原理，將運管板鏈同步控制系統(tǒng)中編碼器信號采集系統(tǒng)進行改造，如圖9所示，在每條板鏈的旋轉盤上焊接有感應塊，這些感應塊將每個旋轉盤均勻的分為相同的若干等份，并使用電磁感應式接近開關檢測這些感應塊，接近開關每感應到一次感應塊都會執(zhí)行一次開關動作，PLC將采集到的開關信號在程序中進行累加，并通過兩個接近開關動作的累加值判斷運管板鏈是否同步運行。接下來對感應塊的設置密度作一說明，調試時，我們將旋轉盤依次進行八等份，十二等份和十六等份。測得運管板鏈同步控制系統(tǒng)的精度誤差分別接近30%，13%和0.8%。當精度誤差接近0.8%時就已經(jīng)達到運管板鏈的同步控制要求，最終選擇將旋轉盤十六等份。對于不同直徑的旋轉盤來說（本板鏈旋轉盤直徑800mm），可按照直徑比例和精度要求增加或者減少相應數(shù)量的感應塊。

圖9 信號采集系統(tǒng)改造圖

對運管板鏈同步控制系統(tǒng)中編碼器信號采集系統(tǒng)進行的改造，有效解決了機械振動對運管板鏈同步控制系統(tǒng)產生的影響。如圖10所示，其同步效果良好。

圖10 運管板鏈同步運行效果圖

4 結語

前文所討論的運管板鏈同步控制系統(tǒng)基本實現(xiàn)了運管板鏈同步控制。本控制系統(tǒng)已成功應用于中國海洋石油管道防腐公司塘沽分公司管道防腐車間。這不僅為生產企業(yè)節(jié)約了經(jīng)濟成本，而且消除了生產過程中可能存在的安全隱患。據(jù)統(tǒng)計，運管板鏈及其同步控制系統(tǒng)的應用可以為企業(yè)節(jié)約成本約350萬元/年。因此具有較高的實用價值。在以后的設計中，我們對信號采集系統(tǒng)與板鏈設備進一步集成優(yōu)化，使其成為一項成熟的技術應用在以后的項目中。