石油管加工生產線若干問題優化研究

劉慧博 王璟

摘 要：石油管加工工藝過程主要分：探傷、車絲、檢驗、擰接、試壓、測長噴漆、包裝等工序。經過調查，找出產線14道工序的單元作業時間和整支鋼管的交工時間，緊密地將各環節有機的聯系在一起，去掉等待空余時間，即進行優化工序時間的思路。通過學習引進先進的遺傳算法，對石油管產線各工序之間布局優化，進行合理地生產調度為產線產能提升，成本降低提供良好解決方案。

關鍵詞：石油管；生產節拍；車絲機；加工周期

1 車絲機輔機改造

某鋼企的石油管生產線Colinet牌車絲機[2]輔機現狀：鋼管移送依次由撥料器逐支給料，移送位置檢測到位，拋鋼機翻料入槽（位），此時鋼管在料槽擺動，待停止擺動后鋼管由擋料器放下，此時鋼管在擋料架擺動，停止后由送料小車升起，支撐撐輥接入鋼管入位，小車前移，送鋼管進入卡盤，定尺擋板對齊，小車減速、停止，卡盤液壓缸伸出，卡緊鋼管，導向架落下、回轉支架啟動，車絲機主機檢測就緒，開始啟動進行后續螺紋加工程序。通過分析鋼管在料槽和擋料架中自由擺動時間，屬無效時間。

1.1 應用編碼器實現自動控制鋼管中心高位置[3]

選用SIEMENS可編程控制器（PLC）S7200和高速計數器 I/O 單元（ACT01），其中高速計數器用于檢測編碼器脈沖數。將編碼器反饋的脈沖數輸入到高速計數器當中，實現位置脈沖的讀取，到PLC對鋼管的運動位置進行控制。

當鋼管進入托架小車，感應開關發出計數信號時，根據編碼器反饋回來的脈沖計數在數控系統（OP）中其數值可以實時顯示，編碼器每轉一圈檢測到3000個脈沖（系統檢測的值是4倍頻后），根據前一加工規格的鋼管中心距離，調整的距離近似等于移動的距離或者說 1 mm等于 X 個脈沖：X=相應的反饋脈沖/移動距離，得出關系。以基準鋼管定位，如加工177.8mm（7in）鋼管，中心托架位置為“零”點。用以調整PLC檢測的各點（頭、中、尾），以檢測到位，常亮即鋼管與機床軸線平行。托架將鋼管完全升起，反饋脈沖為3800個。當加工 340mm管徑時，中心高得，即[（340178）/2].X 當量個脈沖，即在原有“零”點位置上移動的正方向移動相應的距離即可。編碼器就會檢測到由原先托架升起的3800個脈沖圈數變到[（340178）/2].X +個脈沖圈數。這樣無論什么樣的鋼管都可在不用人工手動調整情況下實現自動，只要調用相應的管徑參數。

1.2 車絲機主機卡盤卡爪優化

夾緊卡爪是由液壓泵站驅動液壓油，提供反向吸合力。使用的比例閥選用華德液壓的 4WRE10E6410B/24VZ4 比例放大器對管路的流量大小進行控制[1]。比例放大器的作用是接受控制器的輸出電壓信號，經過處理后輸出控制電流，來控制比例換向閥電磁鐵的線圈，繼而控制驅動比例閥芯的動作，正向卡緊則有閥芯配置彈簧伸縮控制。它使用的電源電壓為直流 24V±10%，最大輸出電流為 12001500mA，振蕩頻率為 25KHz。其控制電壓可手動預調輸入±9V 電壓信號，此方式是通過比例閥外部調節電位器（滑線或旋轉）的方式來進行調解。

2 遺傳算法優化車間調度

為生產同種規格的石油管，又必須使用共同資源，如人力、材料、設備等，就會出現如何有效分配資源的問題，即生產調度問題。石油管兩條產線并線作業時，目標就是找到共享資源的分配和排序的方式，使得“生產約束”被滿足，同時生產成本最小化，即解決一個約束最優化問題。

2.1 簡單遺傳算法組成

一個對參數空間編碼的符號串表示；

一個評價符號串的適度函數；

一組產生成新的符號串的遺傳操作；

一組控制遺傳操作的概率值。

遺傳操作通過模擬、進化和繼承，而生成符號串（新的或舊的）。又以三個簡單遺傳操作復制、交叉和突變，在實際中給出了很好的效果。

2.2 車間調度數學模型

車間生產調度不僅具有極值性，即其結果是解值的最小化（最大化），而且具有特殊性，即結果必須符合現場生產作業調度的基本約束條件，石油管加工產線的基本約束條件為：

1）產線中每鋼管加工工序必須在它指定的機床上加工生產；

2）鋼管送料進入該工序時必須在它前道工序加工生產完畢后再進入加工；

3）在同一時間段內同一臺機器只能對一支鋼管進行作業。

2.3 適應度函數

通過對工序時間分析，占用加工周期最長的“瓶頸”時間，即為目標函數：

F（X）=max[c（1），c（2），…，c（i），c（m）]

車間調度問題中我們以作業在機床上的加載序列為調度方案，方法也不全相同。石油管生產作業調度問題的提法可以歸納為：生產過程中，有14臺機器（工序），每臺機器加工鋼管有若干操作，且這些操作不同。若干操作，要求將鋼管合理地分配步驟，做到加工次序和時間最佳。使約束條件被滿足，同時使一些性能指標得到優化。所以一個調度方案就是在一定時間內任務在機器上的一個分派，調度問題就是尋找一個任務在機器之間的傳遞序列。在本文的設定下該作業加載序列在執行時所花費的生產成本最小，也就是單元作業所需的時限最小，則達到了加工周期最短。

參考文獻：

[1]王振江.石油鋼管加工輸送裝置的自動化控制[D].吉林大學碩士學位論文，2008.

[2]徐馳，馬占昌，樊萍.鋼管加工中心自動找正電氣系統的研制與應用[J].鋼管，2009，12，38（12）：6468.

[3]王萬雷.基于遺傳算法的車間作業調度問題研究[D].昆明理工大學碩士學位論文，2002.