直縫埋弧焊管輥道對中的精確控制

李 鋼，韓保材

（北鋼管業（營口）有限公司，遼寧 營口 115007）

直縫埋弧焊管生產線鋼管橫向移動采用輥道和橫移車聯合傳輸方式，HFW管線和螺旋焊管生產線用則采用滾動傳動方式。對于自動化程度較高的生產線，鋼管在橫移車對應輥道上的對中控制顯得尤為重要，直接影響鋼管在橫移車上的輸送效率與安全性。下面介紹通過兩個檢測開關和一個編碼器來實現鋼管的精確對中控制。

1 控制目的

直縫埋弧焊管由于其質量的安全可靠逐漸被市場認可，重點管線領域基本采用的是直縫埋弧焊管。隨著直縫埋弧焊管需求的增加，高端直縫埋弧焊管生產線也日趨增多。北鋼管業（營口）有限公司JCOE生產線自動化程度較高，輔助連接設備除修磨崗位外，基本實現無人操作。考慮到鋼管由于取樣以及有缺陷的管段切掉后，同一批訂單的管長也會不同，所以要實現輔連設備的自動化操作，對鋼管在直線輥道上的對中提出了更高的要求。控制對中的主要目的是便于橫移車運料，實現鋼管自動傳輸，無需人工干預，防止鋼管在橫移車上由于對中偏差大而發生鋼管傾翻，造成設備損壞或人員傷害等。

2 設備組成及控制原理

2.1 有關參數及設備

2.1.1 鋼管參數

采用Φ406～Φ1 626 mm規格鋼管，長度9～18.5 m，厚度6～65 mm。

2.1.2 設備

（1）輥道速度采用變頻調速電機控制，變頻器采用西門子S120系列產品。

（2）編碼器安裝于測量輪上，測量輪為帶彈簧的自由輥，安裝于輥道間隙，其表面略高于V形輥道表面，以保證鋼管在運輸過程中能與其充分接觸，確保輥道速度測量的準確性。

2.2 硬件配置及工作原理

控制系統由PLC及外部控制對象組成。外部對象包括PS1及PS2兩個位置的檢測元件、增量編碼器及輥道調速裝置。

2.2.1 PLC控制器

PLC控制器選用西門子S7-300系列產品。其邏輯及算術運算速度高，能滿足各種復雜、高速的實時控制要求，且具有很高的可靠性。其主要特點：①運算速度快，在PID算法和數學函數運算等方面特別突出，尤其適用于生產線自動控制；②各種配套位置控制模塊齊全，性能優越；③支持多種網絡接口，適合網絡化大系統應用；④編程指令豐富，功能強，使用簡單方便；⑤結構化編程功能強。

本系統選用的CPU型號為319-3PN/DP，其掃描時間不超過40 ms，資源占有率不超過70%。

2.2.2 光電編碼器

圖1 光電編碼器工作原理及輸出波形圖

光電編碼器是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器，是目前應用最多的傳感器，其工作原理及輸出波形如圖1所示。從圖1可以看出，圓盤上規則地刻有透光和不透光的線條，在圓盤兩側，安放發光元件和光敏元件，當圓盤旋轉時，光敏元件接收的光通量隨透光線條同步變化，光敏元件輸出波形經過整形后變為脈沖，碼盤上有之相標志，每轉一圈輸出一個脈沖。此外，為判斷旋轉方向，碼盤還可提供相位差90°的兩路脈沖信號。

根據檢測原理，編碼器可分為光學式、磁式、感應式和電容式；根據其刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式及混合式。

增量式編碼器及其原理與結構：增量式編碼器是直接利用光電轉換原理輸出3組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90°，從而可方便地判斷出旋轉方向，而Z相每轉一個脈沖，用于基準點定位。增量式編碼器的優點是構造簡單，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長距離傳輸。

增量式旋轉編碼器通過內部兩個光敏接受管轉化其角度碼盤的時序和相位關系，得到其角度碼盤角度位移量增加（正方向）或減少（負方向）。通過接入數字電路特別是單片機后，增量式旋轉編碼器在角度測量和角速度測量方面較絕對式旋轉編碼器更具有價廉物美和簡單易行的優勢。

圖2 旋轉編碼器工作原理及輸出波形圖

增量式旋轉編碼器的內部工作原理如圖2所示。A和B兩點對應兩個光敏接受管，A和B兩點間距為S2，角度碼盤的光柵間距分別為S0和S1。當角度碼盤以某個速度勻速轉動時，可知輸出波形圖中的S0∶S1∶S2比值與實際圖中的S0∶S1∶S2比值相同。同理，角度碼盤以其他的速度勻速轉動時，輸出波形圖中的S0∶S1∶S2比值與實際圖中的S0∶S1∶S2比值仍相同。如果角度碼盤做變速運動，把它看成多個運動周期（在下面定義）的組合，那么每個運動周期中輸出波形圖中的 S0∶S1∶S2比值與實際圖中的 S0∶S1∶S2比值仍相同。

通過輸出波形圖可知每個運動周期的時序，具體見表1。

表1 AB運動周期時序表

我們把當前的A和B輸出值保存起來，與下一個A和B輸出值做比較，就可以輕易得出角度碼盤的運動方向。若光柵格S0等于S1時，也就是S0和S1弧度夾角相同，且S2=1/2S0，那么可得到此次角度碼盤運動位移角度為S0弧度夾角的1/2，除以所消耗的時間，就得到此次角度碼盤運動位移角速度。

S0=S1，且S2=1/2S0時，1/4個運動周期就可以得到運動方向位和位移角度；如果S0≠S1，S2≠1/2S0，那么需要1個運動周期才可以得到運動方向位和位移角度。

2.2.3 檢測元件

PS1及PS2兩個位置的檢測元件采用TURCK，型號為NI75U-CP80-AP6X2磁感應式接近開關。

2.2.4 輥道調速裝置

輥道成組傳動輥道采用西門子G120系列變頻傳動設備。

2.3 檢測元件安裝

編碼器安裝在一個非傳動的測量輪上。兩個位置PS1及PS2檢測元件以及測量輥安裝在橫移車前的運輸輥道之間。PS2位置檢測元件安裝在距離橫移車中心線2.5 m處，帶編碼器的測量輪固定在距橫移車中心線3.5 m處，PS1位置檢測元件安裝在距測量輪7.5 m處，具體位置如圖3所示。

圖3 不同管長鋼管對中檢測控制示意圖

3 控制過程

3.1 9 m管長的對中控制

（1）當管子被直線輥道輸送通過測量輪，管端頭部到達檢測元件PS2時，觸發傳感器，PLC開始計數，同時測長增量編碼器也開始記錄測量輪轉動圈數。

（2）管子繼續前進，當管尾到達檢測元件PS1時，PLC采樣當前計數t，也就是鋼管運動的時間。此時測量輪轉動圈數為n。通過t、n和測量輪直徑D可計算出鋼管在時間間隔t所走過的長度L=πDn，從而計算出鋼管總長度L0=8.5+L，進而計算出此時鋼管中心距橫移車中心距離T=L0/2－L+2.5。

（3）考慮到最短管長為9 m，當鋼管管端觸發PS2接近開關時，鋼管管尾距離PS1接近開關只有0.5 m的距離，因此，PS1與測量輪之間的距離7.5 m已經是極限值。鋼管繼續向橫移車中心運行，同時，測量輪開始測量鋼管走過的距離，直到測量輪測量的距離為T時，鋼管就實現了對中。此過程中要保證測量輪始終被鋼管接觸，因為鋼管長度的一半為4.5 m，測量輪安裝位置距離橫移車中心線3.5 m，所以，當鋼管對中時鋼管尾端可以保證與測量輪接觸。由于鋼管長度短，鋼管尾部離開PS1接近開關后，鋼管中心與橫移車中心距離較遠，鋼管繼續保持原來速度恒速運行，鋼管的對中減速距離T0由極限鋼管的最大慣性等確定。即當T＞T0時，鋼管以原有速度進行傳動；當T=T0時，PLC通過控制變頻輥道的運轉速度來實現鋼管的降速及中心的精確定位。

3.2 18.5 m管長的對中控制

（1）當管子被直線輥道輸送通過測量輪，管端頭部到達檢測元件PS2時，觸發傳感器，PLC開始計數，同時測長增量編碼器也開始記錄測量輪轉動圈數。

（2）管子繼續前進，由于鋼管長度18.5 m遠大于PS1距離橫移車中心線距離11 m，鋼管繼續運行時，不但管端越過橫移車中心線，鋼管中心線也會更加接近橫移車中心線。當管尾到達檢測元件PS1時，PLC采樣當前計數t，也就是鋼管運動的時間。此時測量輪轉動圈數為n。通過t、n和測量輪直徑D可計算出鋼管在時間間隔t所走過的長度L=πDn，從而計算出鋼管總長度L0=8.5+L，進而計算出此時鋼管中心距橫移車中心距離 T=L0/2－L+2.5。

（3）考慮到鋼管最長為18.5 m，當鋼管管端觸發PS2接近開關時，鋼管管尾距離PS1接近開關還有10 m左右的距離。鋼管繼續向橫移車中心運行，鋼管尾部離開PS1接近開關后，此時鋼管尾部距離橫移車中心線為11 m，鋼管長度一半為9 m左右，鋼管中心與橫移車中心距離大約11－9=2 m左右，此時鋼管進入對中減速控制，PLC通過控制變頻輥道的運轉速度來實現鋼管的降速及中心的精確定位。

4 結 語

通過上述控制方法可以使9～18.5 m長度范圍內的鋼管在輥道上的對中精度達到±60 mm以內，足夠滿足橫移車接管、運管的要求，避免了傳統對中方式對同一批鋼管的不同管長對中時出現偏斜嚴重的問題，能夠實現全自動運行，從而大大減少了操作者的勞動強度以及生產運行成本。

[1]王曉香.我國油氣長輸管線用焊接鋼管生產技術的發展與展望[J].鋼管，2004，33（3）：7－14.

[2]朱晉英，薛峰.大口徑直縫埋弧焊管機組內外焊縱向輸送小車的改進[J].冶金設備，2014（S1）：90－92.

[3]李記科，齊玉釵，高建忠.國內ERW鋼管生產情況[J].焊管，2006，29（6）：63－67.

[4]邱宣懷.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2010.

[5]劉玉冰，陳俊杰.基于8421碼的多工位定位系統在制管生產線中的應用[J].鍛壓裝備與制造技術，2014（1）：62－64.

[6]宋剛，秦月霞，張凱，等.基于普通編碼器的高精度測速方法[J].上海交通大學學報，2002（8）：1169－1172.

[7]聞邦椿.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2010.

[8]王婧，朱軍，李中祥，等.鋼管信息跟蹤系統的設計與實現[J].制造業自動化，2013，35（10）：116－119.

[9]程周.可編程控制器技術與應用[M].北京：電子工業出版社，2002.

[10]姜曉強，項占琴.PLC在鋼管自動分選生產線中的應用[J].機電工程，2004，21（9）：14－16.