中頻彎管機工藝參數自動化控制系統的改造

楊再忠 彭 承 李 勤

(徐州實華管道特種作業有限公司, 江蘇 徐州 221008)

中頻熱煨彎管加工工藝參數是影響彎管生產質量、生產效率和生產能耗的重要因素，現有的中頻熱煨彎管機推進速度、加熱溫度、彎曲角度等工藝參數由于缺乏先進的監視和控制手段造成彎管加工效率低下、能耗高、加工精度較低等問題。

作為中石化唯一一家彎管生產廠家，根據儲運公司各工程項目“嚴把質量關”的要求，迫切需要對彎管機監控系統進行改造，以保證彎管加工精度和質量、提高加工效率和降低生產能耗。

1 改造內容、技術指標及技術關鍵

1.1 改造內容

通過采用PLC和工控機，實時控制顯示彎管角度、推管速度和長度、加熱溫度和其他工藝參數，實時報警和進行技術數據存儲，實現工藝管理和產品信息管理，提升彎管制造的自動化、信息化水平。技術先進，提高加工精度降低能耗；提高工作效率，有效提高產量；工藝參數設置系統、監控系統和存儲讀取系統有機統一、操作簡單。

1.2 技術指標

(1)推進速度精度：±2 mm/min(標準要求：±2.5 mm/min)。

(2)加熱溫度精度：±20 ℃(標準要求：±25 ℃)。

(3)彎管角度精度：±0.4°(標準要求：±0.5°)。

(4)推進距離精度：5 mm。

1.3 技術關鍵

(1)監控顯示模塊由PLC、人機界面(觸摸屏)和操作盤以及控制柜、UPS電源組成。監控顯示模塊中PLC為可編程控制器，其功能為監控其他功能模塊，實現圖形顯示。人機界面配合其他功能模塊圖形化顯示當前彎管機工作狀態，例如彎管溫度、速度、角度、位置等信息。

(2)信息管理模塊主要由工控機、打印機等組成，其功能為：①儲存不同管徑、不同壁厚、不同材料的工件管子的加工工藝參數供彎管機操作人員調用。②記錄每次加工工藝過程和加工后的質檢報告；③對加工參數進行記錄、統計、報表輸出，用于提高彎管質量和加工效率。④直接控制機器動作；(5)提供對外網絡接口，用以實現公司管理層對彎管機的實時監控、管理。

(3)彎管溫度監測模塊采用適于彎管機工作環境的測溫儀可在線持續檢測彎管溫度，使操作員根據可靠的檢測數據而不是經驗控制加工過程，保證彎管質量。與信息管理模塊結合，可以通過科學的數據分析有效提高彎管質量和彎管效率。

(4)彎管角度監測模塊實時檢測當前彎管機搖臂角度，用于實時顯示角度值，結合動作執行等模塊可實現彎管機的自動化作業。

(5)彎管推進距離同彎管角度一樣，對其進行檢測可以實現機器的自動化作業，減輕操作員勞動強度，提高加工精度。

(6)彎管機液壓系統壓力、溫度監測模塊檢測液壓系統壓力溫度等數據，并可實時顯示。該模塊的主要作用是檢測液壓系統工作參數，保證加工順利進行。

(7)彎管機各動作執行系統位置監測模塊檢測各動作執行系統是否到達極限位置(位置開關)，用于保護彎管機。

(8)彎管動作執行模塊控制液壓站的電動液壓閥、電動機等動作。

2 系統設計

2.1 系統方案設計

改造前，彎管機采用液壓缸推進，速度控制采用調節閥手動開環調節，人工測量小車位置、速度、加熱溫度等加工參數，信息的記錄亦是手工完成。工藝參數控制水平低，質量不穩定，生產效率低，操作人員勞動強度高，缺少信息化。

為了解決當前彎管機監控系統存在的問題，本設計方案采用液壓比例閥來控制小車推進速度。在原來小車液壓缸和其控制閥之間加裝液壓比例閥，比例閥連接到程序控制器，由程序控制器完成小車推進速度的自動化閉環控制。

為了減輕操作人員的勞動強度和實現速度及角度的閉環控制，系統內設計了兩個絕對式編碼器，兩個編碼器分別安裝在搖臂和小車上，搖臂上的編碼器隨搖臂轉動旋轉，小車上的編碼器隨小車前后移動旋轉。兩個編碼器通過PROFIBUS現場總線連接至程序控制器，程序控制器采集編碼器數值并運算得出搖臂角度、小車位置、小車速度等信息。這些信息被送至程序控制器，在操作盤上顯示，并由工控機進行記錄，其中小車速速作為反饋量參與完成推進速度的閉環控制。

系統內設計了兩臺紅外測溫儀來采集加熱溫度。該紅外測溫儀具有峰值保存功能，配合測溫儀的探頭掃描動作自動采集加熱區最高溫度點，該溫度被送至程序控制器，在操作盤上顯示，并由工控機進行記錄。

為實時顯示彎管機的角度、位置、速度、溫度、報警等信息，接受操作人員控制指令和控制參數，在操作盤上設計了Siemens公司的人機界面：多功能操作面板MP377。MP377可以圖形化直觀顯示機器狀態信息，提供按鈕、對話框、輸入輸出域等接受操作人員的控制指令和控制參數。

系統內的信息化部分由和程序控制器連接的工業控制計算機完成，工控機完成加工信息的采集、歸檔等功能，留有網絡接口。可滿足現代企業信息化管理要求。

2.2 系統設計

2.2.1 系統組成

系統主要由PLC柜，工作臺，操作盤，紅外測溫系統，編碼器系統組成，如圖1所示。

PLC柜主要由UPS、程序控制器PLC、24 V電源、繼電器、風扇、照明燈、斷路器、接觸器等組成，程序控制器控制繼電器、接觸器等動作完成彎管機監控系統的核心控制功能。

工作臺內主要由工控機、打印機組成，完成加工信息的采集、記錄、歸檔、打印功能。

操作盤內主要由ET200模塊、人機界面、24 V電源組成，完成接受操作員指令、顯示機器狀態信息、報警、急停等功能。

編碼器系統由2個PROFIBUS總線接口的絕對旋轉編碼器組成，一個是搖臂編碼器，完成搖臂角度測量，另一個是尾座編碼器，完成小車位置、速度測量功能。

紅外測溫儀由2臺紅外測溫儀和2臺測溫掃描電動機組成，組成2套測溫系統，完成內弧和外弧的測溫功能。

2.2.2 系統硬件設計

系統設計一臺UPS電源，用以凈化外部電源和斷電保護。UPS供電能力為3 kW，2 h。PLC柜和操作盤各設一微型斷路器，PLC柜微型斷路器容量為4 A，操作盤微型斷路器容量為2 A。PLC、工作臺、人機界面、編碼器間通過PROFIBUS總線連接。

系統主要由程序控制器PLC、工控機、人機界面、編碼器、測溫儀組成。程序控制器PLC、工控機、人機界面、編碼器四者間信息傳輸通過PROFIBUS現場總線連接，其總線網絡拓撲如圖2所示。測溫儀通過4～20 mA信號連接至程序控制器PLC模擬量輸入模塊，轉換為數字量后由PLC通過PROFIBUS總線傳送至工控機和人機界面。

小車位置、小車速度、搖臂角度、加熱溫度等加工信息的采集，用戶按鈕信號的采集，以及機器動作的控制由程序控制器PLC完成。其中信號采集由PLC輸入模塊組成，動作控制由PLC輸出模塊組成。輸入模塊點數為40點，輸出模塊點數為58點。小車位置、小車速度、搖臂角度、加熱溫度等加工信息的采集在電氣柜內完成，用戶按鈕信號的采集在操作盤內完成。為克服傳統的將按鈕信號通過大量線纜連接至電氣柜內帶來的可靠性低，不便于維修等問題，在電氣柜內設程序控制器PLC主站，在操作盤內設程序控制器PLC子站，兩者間分別對應完成小車位置、小車速度、搖臂角度、加熱溫度等加工信息的采集和用戶按鈕信號的采集，而兩者間通過PROFIBUS現場總線連接。這種連接方式只需要信號和供電兩根電纜，安裝維護方便，可靠性高。

監控系統中的PLC選用SIMATIC S7-300 PLC，它是一種模塊化微型PLC 系統，該系列PLC具有各種功能模塊，能非常好地滿足和適應自動化控制任務，簡單實用的分布式結構和多界面網絡能力，使得應用十分靈活。其可靠性高，安裝和維護方便，強大的算術運算功能可滿足多種控制方法對硬件的需求。

CPU模塊CPU315-2DP位于主站中，它具有中、大規模的程序存儲容量和數據結構，對二進制和浮點數運算具有較高的處理能力，具有PROFIBUS DP 主站/ 從站接口，可用于建立分布式I/O 結構，易于系統擴展。主站上的其余模塊依次為：PS 307電源模塊，1個32點數字量輸入模塊， 4個16點數字量輸出模塊，1個8點模擬量輸入模塊，1個2點模擬量輸出模塊。主站輸入模塊的作用主要為檢測機器的狀態，其中數字量輸入模塊連接接觸器開關、壓力開關、傳感器報警等，模擬量輸入模塊連接中頻電壓變送器、中頻電流變送器、中頻頻率變送器、中頻功率變送器、紅外測溫儀等。主站輸出模塊的作用主要為控制機器執行預定動作，其中數字量輸出模塊的作用主要為控制各動作對應的液壓閥、水閥、風閥、電動機等動作。模擬量輸出模塊控制尾座推進液壓比例閥流量。

操作盤內PLC子站由ET200M，3個16點數字量輸入模塊，1個16點數字量輸出模塊組成。ET200M用于同主站的耦合連接，數字量輸入模塊連接操作盤按鈕開關等信號，用于接受操作指令，數字量輸出模塊連接操作盤指示燈，輸出機器狀態。

彎管機是一臺結構復雜的設備，其加工彎管的直徑范圍、彎管壁厚、彎曲半徑等參數跨度很大。顯然，很多加工參數如速度、溫度等要隨管坯變化而變化。另外，操作員需要隨時了解加工狀態(彎制角度，尾座位置等)，這要求控制系統具有用戶友好的人機界面。用戶友好的人機對話環境可提高彎管質量、效率，降低操作員勞動強度。

人機交互用的人機界面安裝在操作盤上，與PLC通過Profibus現場總線連接。如圖3所示，人機界面用動畫方式直觀顯示所連接PLC的操作狀態、當前過程數據以及故障信息，接受操作員輸入的推進速度等參數并傳遞給PLC執行。人機界面采用了Siemens的多功能操作面板MP377，MP377為12.1英寸TFT顯示，分辨率800×600，38個系統鍵，Windows CE V3.0操作系統，它可以在全圖形的動態畫面上對過程、機械設備和系統進行顯示，通過輸出域、棒圖或趨勢曲線對過程報警和變量進行顯示。

每一根彎管加工時的加工參數(溫度、功率、速度等)都需要記錄以備查詢。傳統方法用人工測量(或根據經驗觀察)后填寫記錄。這使得操作員勞動強度大，記錄不準確，記錄容易丟失，且手工記錄查詢不方便。本項目彎管機監控系統能夠自動檢測加工參數并記錄，避免上述缺點同時更具備易于統計分析，可用現代科學方法進行質量控制，可與ERP集成等優點。

控制系統中的上位機采用研華工控機IPC-510，這臺工控機CPU為intel P4 3.0G，1 G內存，80 G硬盤。工控機上安裝與PLC通訊用的Profibus網卡CP5611。工控機的USB口連接一臺惠普激光打印機。

彎管角度監測編碼器實時檢測當前彎管機搖臂角度，用于實時顯示角度值，結合動作執行等模塊可實現彎管機的自動化作業。改造前采用在搖臂上安裝刻度盤的方式。操作員先不斷去查看彎曲角度，然后結合經驗調整機器和起停機器，這種方式加大了操作員勞動強度和降低了加工精度。新的監控系統采用絕對式編碼器后，結合信息管理部分，角度值可以同別的加工參數(溫度、速度等)一起被實時記錄、分析，用于控制彎管質量，提高彎管效率。搖臂編碼器選用宜科AM58C。它為PROFIBUS接口絕對式編碼器，圈數12位，每圈精度13位。

彎管推進距離同彎管角度一樣，對其進行檢測可以實現機器的自動化作業，減輕操作員勞動強度，提高加工精度。彎管推進速度同彎管溫度一樣，是影響彎管質量和效率的重要參數。因此，彎管推進距離、速度監測對于控制彎管質量，提高彎管效率有重要意義。本次改造采用絕對式編碼器來測量尾座的位置和推進速度。同搖臂編碼器相同，尾座編碼器選用宜科AM58C。它為PROFIBUS接口絕對式編碼器，圈數12位，每圈精度13位。

彎管溫度監測的作用是檢測加熱區溫度。加熱溫度是影響彎管質量的重要參數，但彎管機工藝原因使得加熱區周圍有大量水和霧等影響測溫的因素。改造前彎管機彎制過程一般是靠操作員經驗判斷溫度，或者采用普通測溫儀在彎制中人工繞開水霧勉強測量一兩次溫度。普通測溫儀很難適應彎管機的工作環境，溫度檢測中必須結合操作人員的經驗。建立在操作員經驗基礎上的溫度控制不能保證長期生產高質量的成品。經過對各種溫度測量方法的研究、對比，最終確定使用非接觸式光纖紅外測溫儀MS09(測溫范圍為550 ℃～1 440 ℃)，光纖探頭用來避免電磁干擾，選取合適的波長范圍避開水霧影響。溫度監測與信息管理結合，可通過科學數據分析有效提高彎管質量和彎管效率。

2.2.3 系統軟件設計

控制系統軟件分為三部分：上位機軟件，PLC軟件，人機界面軟件。

上位機軟件利用Siemens公司WinCC編制。WinCC是一個在Microsoft Windows 2000和Windows XP下使用的強大的HMI系統，用于實現過程的可視化，并為操作員開發圖形用戶界面。彎管機上位機軟件主要完成加工信息管理功能。圖4所示為加工信息管理功能的一個畫面。

PLC軟件的編程環境為STEP 7 V5.4，STEP 7 是用于SIMATIC S7-300/400 站創建可編程邏輯控制程序的標準軟件，可使用梯形圖、功能塊圖或語句表。彎管機PLC軟件的主要功能為讀取彎管機各傳感器的值、判斷機器狀態、執行用戶指令，從而彎制出合格的彎管產品。其基本流程如圖5所示。

人機界面軟件編程環境為SIMATICWinCC flexible。SIMATIC WinCC flexible提供了一個全集成的單源系統，用于各種形式的操作員監控任務。使用SIMATIC WinCC flexible，可以始終控制過程并使機器和設備持續運行。人機界面軟件的功能是顯示所連接PLC的操作狀態、當前過程數據以及故障信息，接受操作員輸入的推進速度等參數并傳遞給PLC執行。人機界面軟件編制的操作畫面如圖3所示。

3 系統試運行

φ914中頻加熱彎管機工藝參數自動化控制系統的改造項目完成后，為了檢驗項目完成情況，特對改造后的彎管機工藝參數監控系統進行空載和加載(采用φ813×15.9-X65鋼管，)試車檢驗，檢查時間約7個小時，彎管機的各項指標均正常。試運行檢驗結果合格。

4 應用效果

中頻加熱彎管機控制系統的改造，提高了彎管機的整體性能。系統采用了先進的控制系統，通過編碼器、測溫儀等對彎管彎制角度、推管行程、推管速度、加熱溫度在內的多項工藝參數進行了精密實時監測，并實時顯示在顯示屏上，使得操作界面直觀、方便，減輕了作業人員勞動強度，提高了生產率；對推管速度進行了PID閉環控制，使得彎管機彎制速度不受環境溫度、負載等參數變化影響，提高了產品質量；控制系統實時記錄加工參數，克服了手工記錄方式記錄不準確，容易丟失，不易于查詢、統計等缺點，提高了設備的信息化水平；系統采用了PROFIBUS現場總線，系統可靠性高，維護方便，可擴展性好。

彎管機控制系統的改造充分體現了 “技術先進、運行穩定、操作簡便”的設計思路。提高了鋼制彎管的加工質量和工作效率，提高了彎管機設備的自動化控制水平，必將對我國高質量中頻熱煨鋼制彎管加工起巨大的推動作用。

[1] 張俊杰, 強毅, 劉紅旗, 等.中頻加熱彎管機控制系統研究[J].機電產品開發與創新,2008，21(4)：126-127.

[2] 張俊杰.大口徑中頻加熱彎管機組數字控制系統研究與開發[D].北京：機械科學研究總院，2008.