熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖生產線研究

萬春紅 錢 瑾 范力棟 段興蓋 張恩壽 楊彩玲 李 潤 莊 園

（1.昆明電器科學研究所；2.昆鋼推進用鋼產業發展工作組）

1 引言

熱軋H型鋼側向剛度強、抗彎強度大，在工業建筑、石油化工、電力生產、船舶及機械制造領域應用廣泛；國內有超過2萬家的鋼結構生產加工企業，規模以上的達3 000余家，大量采用鉆鋸鎖傳統加工設備；在《中國制造2025》背景下，鋼結構產品的生產加工朝著提高效率和生產管理水平，降低成本和人工勞動強度的方向發展。

國內雖有成熟的鉆、鋸、鎖單機數控設備，尚沒有成套的智能化生產線，傳統生產線的每個工序，均需專人操作，工件在工序間流轉均為行車或平車搬運，用人工較多、生產效率低；國外生產線制造廠家，如意大利的FICEP公司，由于起步早，其生產線及設備智能化相對成熟，可顯著降低勞動強度、提高生產效率，但價格昂貴。

與國外同類設備相比，國內單機數控設備在功能、效率方面存在差距，但具有價格經濟的優勢，通過開展工藝設備優化及成套組合生產線研究，集成和研發生產線智能管控系統，實現熱軋H型鋼鉆鋸鎖生產線的智能化，可有效提升鋼結構企業的經營效益，減少安全生產事故，對熱軋H型鋼在建筑及裝備制造行業的推廣應用，延伸鋼鐵企業鋼材的加工配送具有重要的現實意義。

2 傳統生產線與智能生產線的對比

2.1 傳統熱軋H型鋼鉆鋸鎖加工生產線流程

傳統熱軋H型鋼的生產加工可大致分為備料、鋸切、鉆孔、鎖口加工和堆料下移五個步驟。

（1）備料：人工操作橋式起重機將成捆打包的未加工的熱軋H型鋼放置在備料口，由人工將其打開并通過懸臂吊（或直接）將單根H型鋼放置到數控帶鋸床口前。

（2）鋸切：夾緊熱軋H型鋼，對其進行測量后，移動到需要鋸切的位置進行鋸切加工，加工好后，經人工控制懸臂吊，把熱軋H型鋼放置到鉆孔加工設備前。

（3）鉆孔：采用三維數控鉆孔床，與鋸切加工類似，夾持工件，測量工件、定位、加工，加工好后，繼續由人工操作送往鎖口加工。

（4）鎖口加工：采用數控銑削鎖口加工機床，與鋸切步驟類似。

（5）堆料下移：由人工將加工完成的熱軋H型鋼成捆打包，經人工操作橋式起重機，將其堆放到指定位置。

國內幾乎所有鋼結構生產廠家均采用傳統加工生產流程，且該生產流程在20年前就已投入使用至今。

2.2 熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖加工生產線流程

在熱軋H型鋼智能生產線中，根據鉆鋸鎖三種單機設備的工效匹配和組合，以采用兩鋸、一鉆、兩鎖組成生產線為例，其工藝流程和生產線布置如圖1、圖2所示。

圖1 熱軋H鋼智能鉆鋸鎖生產線工藝流程圖

圖2 熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖加工生產線布置圖

生產線工序加工流程為：

上料工人操作行車把H型鋼工件放置在上料架上→輥道鏈條自動橫向推動H型鋼工件至縱向輥道→輥道自動運輸H型鋼工件至數控轉角帶鋸床，準備鋸切→數控轉角帶鋸床對H型鋼工件按程序單機作業鋸切→輥道自動將鋸切后的H型鋼工件運輸到三維數控鉆床，準備三維鉆孔→三維數控鉆床對H型鋼工件進行三維鉆孔→輥道自動將三維鉆孔后的H型鋼工件運輸到H型鋼數控鎖口銑床，準備鎖口→H型鋼數控鎖口銑床對H型鋼工件進行鎖口→輥道自動把鎖口后的H型鋼運輸至卸料架→卸料工人操作行車將H型鋼卸下。

2.3 傳統加工流程和智能化加工流程對比

國內現有傳統的熱軋H型鋼鉆鋸鎖生產線，每個工序均需有專人操作，工件在工序間流轉均為行車或平車搬運，用人工較多（操作工和輔助工），生產效率低；以國產一鋸一鉆一鎖設備組成的傳統生產線為例，三工序各自分開，設備投資約300萬元人民幣，產能約10 000 t/年，用工約7人/班。

國外智能化生產線，以中建鋼構廣東公司2017年新上的鉆鋸鎖生產線為例，整條生產線包括一鋸一鉆一鎖設備、全套縱橫傳輸輥道及電控設備、軟件，總投資約1 300萬人民幣，產能30 000 t/年，除兩端原材料上料、卸料需人工操作外，長度尺寸鋸切、三維鉆孔、機械鎖口三道工序及工件在工序間流轉，均為智能化程序控制，不需人工干預，用工少（2人/班），生產效率高。

與傳統熱軋H型鋼鉆鋸鎖生產線相比，智能生產線至少可提高生產效率2.5倍以上，減少用工50 %，預計增加投資400萬元，遠低于進口設備價格，在提高工效、降低勞動強度和節約成本方面具有顯著優勢。

3 熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖生產線控制系統關鍵技術

3.1 主加工設備電氣控制系統的集成技術

三維數控鉆床、數控帶鋸床、數控銑削鎖口機的電氣控制系統核心是數控系統，高端數控機床的數控系統，多采用國外公司產品，目前主要數控系統廠商，如FANUC、西門子、華數8系列、凱恩帝等，以西門子數控系統為例，整個系統采用PROFIBUS DP現場總線連接。

現場總線抗干擾性強、精度高，控制及反饋等信號均通過總線傳遞，布線簡化、安全可靠、維護方便，采用全數字通訊方式，克服了傳統脈沖、模擬量傳遞中易受干擾的缺陷；控制系統支持MODBUS，可通過RS232C在上位計算機監控設備運行情況。

現場總線控制在歐美非常流行，在國內目前還是少數高端應用，總線控制下的每一個數控軸均采用全數字通訊傳輸信號，可通過總線任意設置進給速度及目標值，也可通過總線監控每一個軸的運行狀態，軸數越多總線控制優勢越明顯。

現場總線控制系統具有開放性，通過編程可實現任意軌跡的控制，可實時修改定位目標值，可即時修正腹寬、腹高的實時檢測值；通過現場總線技術集成數控鉆鋸鎖設備，可實現生產線的全自動、智能化和高效運行。

3.2 縱橫向料道輸送系統的伺服控制技術

縱向料道和橫向料道是熱軋H型鋼二次成套加工生產線中的重要設備,可減少吊車、行車的使用頻次,提高生產的安全性和效率,集成編碼傳感器和伺服電機系統，通過熱軋H型鋼輸送控制系統，完成縱向料道和橫向料道的自動控制。

縱向料道安裝在機床的進料端和出料端，用于支撐工件。縱向料道由料道支架、支承輥、側定位輥等組成。在料道支架定位側安裝有定位輥，為熱軋H型鋼定位基準用。縱向料道中含動力料道和非動力料道,動力料道帶有液壓浮動裝置,以便輸送,同時具備工件側推裝置,自動扶正熱軋H型鋼,所有縱向料道的送料輥都是淬火后磨削加工而成,避免側推過程中送料輥表面刮傷后形成阻力。

橫向料道具有垂直舉升和橫向移動的功能,多條橫向料道的移動是同步進行的,它的作用是解決H型鋼的橫向轉移,并在生產線中兼有儲料功能。

由兩種料道動力設備的自動輸送控制系統受總線控制，可通過系統進行調節料道的傳輸速率，并且主設備中的傳感器信號接入自動傳輸系統，通過設備的具體工作狀態、效率進行自動調整，具體通過PLC、變頻器、伺服電機等電氣系統實現速率的控制。

3.3 智能生產線參數信息的數據采集技術

對熱軋H型鋼鉆鋸鎖數控設備、料道輸送系統的狀態參數和生產信息的數據采集及其應用，是實現整條智能生產線集中監控的前提和基礎。

一般來說，數據采集系統需采集生產線的“人、機、料、法、環”各類數據，其中“人、料”的信息采集，采用條碼、RFID等方式來完成，“法”主要采集工藝實現、檢驗檢測等信息，“機、環”兩方面的數據采集，又以“機”為重中之重[1]。

熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖生產線控制系統數據采集的參數包括:鉆鋸鎖數控設備參數、料道輸送系統參數和生產信息參數等，具體參數如表1所示[1][2]。

表1 熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖生產線控制系統數據采集的參數

通過熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖生產線的集中監控系統（SCADA），以現場總線與現場數控設備、料道輸送控制系統組網通信，通過工業以太網與MES系統通信，通過OPC技術[3]，完成來自三方面數據源的數據采集任務，一是鉆鋸鎖數控設備的內部數據；二是外加傳感器的外部數據；三是MES系統的生產管理信息數據。

完成對熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖生產線的數據采集后，通過數據處理、數據傳輸、特征提取、狀態識別[2]，完成對生產線設備的控制，以及與生產任務、質量、生產進度等信息相關的聯合分析，為生產線全生命周期預防性維護提供數據信息支持，提升生產線的運行可靠性、可控性和生產效率，保障生產線運行穩定、可靠、安全。

3.4 搬運機器人在智能生產線的應用技術

隨著工廠自動化水平的提高，工業機器人在數控機床領域的應用越來越多，服務數控機床的工業機器人大體上分為：上下料和換刀兩大類。機床上下料機器人采用工業機器人替代操作工，自動完成在加工過程中工件的自動抓取、上料、下料、裝卡、工件移位翻轉、工件轉序等一系列上下料工作任務，能夠極大的節約人工成本，提高生產效率[4]。

搬運機器人的實現依賴于強大的單片機控制技術，其關鍵技術主要涉及自動尋跡技術、自動避障技術、傳感器識別技術、遠程無線通信技術等。

自動尋跡主要解決方案有激光導引、磁導引和軌道運行作為搬運機器人的向導，指引搬運機器人的運動；其中軌道運行將機器人的運行路線固定于軌道上，相比激光導引和磁導引不具靈活性；激光導引利用激光通過發射板反射回來的信號判斷與反射板的距離，搬運機器人自動判斷是否到達預定位置或需要轉向；磁導引主要是通過在搬運機器人路徑底下埋磁釘，搬運機器人通過對磁傳感器的數據進行判斷是否到達或需要轉向。

自動避障技術依賴于自動尋跡技術和后臺強大的運算分析能力，尋找最優的路徑進行搬運。后臺通過加持AI算法，持續對搬運機器人的狀態及位置信息進行跟蹤，將優化好的路徑通過無線通信技術發送至搬運機器人，搬運機器人按照最優化的路勁進行搬運，提高效率和減少故障發生。

傳感器識別技術是搬運機器人運行的關鍵技術，觸覺傳感器、距離傳感器、磁傳感器等是搬運機器人必備的傳感器。觸及傳感器多用于軌道式搬運機器人，用于判斷是否需要轉向或脫軌；距離傳感器多用于激光導引搬運機器人，計算與反射板的距離；磁傳感器多用于磁導引搬運機器人。

后臺對搬運機器人的監控和通信主要是通過無線通訊實現，利用藍牙、WiFi等無線通信技術，實現后臺與搬運機器人之間的數據傳輸。

在熱軋H型鋼智能生產線工序加工流程中，有人工操作的兩道工序，一是上料工人操作行車把H型鋼工件放置在上料架上，二是卸料工人操作行車將H型鋼卸下，先行嘗試應用卸料機器人代替人工操作，完成卸料工序工作。

3.5 生產線各工藝環節的智能化檢測技術

熱軋H型鋼鉆鋸鎖生產線的產品質量達到要求與否，需要每道工藝環節的生產均達到產品質量要求，即生產線中每一臺數控設備：三維數控鉆床、數控帶鋸床、數控銑削鎖口機的加工質量和精度，以及縱向料道和橫向料道準確的物料輸送和定位精度等均達到要求。

每一臺數控設備的加工質量和精度取決于設備本身的制造、裝配精度及數控系統的控制精度，主要包括幾何精度、定位精度和加工精度。

幾何精度綜合反映了數控設備機械零部件裝配、調整后的幾何形狀誤差，檢測時所使用的工具及檢測方法類似于普通機床。數控設備的定位精度是指各坐標軸在數控裝置控制下運動所達到的位置精度，而重復定位精度是指數控系統執行同一程序代碼時設備坐標軸定位位置的一致程度，定位精度和重復定位精度綜合反映了數控設備的機械傳動精度和數控系統的控制精度，決定了數控設備所能加工零件的精度。

數控設備的加工精度由數控系統的控制精度和設備的機械精度共同組成。數控系統的精度高低、伺服控制的方法是否調整到最優直接影響數控設備的加工精度，而設備的機械本體 精度同樣也會制約數控機床的加工精度，影響高精度數控系統實現高精度控制。要研究如何提高數控設備加工精度，設備精度的檢測尤為重要。

數控設備存在著制造、裝配誤差，還存在數控系統的插補進給誤差、位置控制誤差、伺服系統誤差等各種非機械原因造成的誤差，實際使用中，這些誤差并不可能完全消除。

隨著使用時間的增加，數控設備工作時的綜合運動誤差會變得越來越大，直接影響到設備的加工精度，相應地實時檢測、控制其綜合運動誤差，并適時地給以補償，可保證設備使用時的正常精度達到產品質量要求，延長設備的使用年限；通過分析數控設備的綜合運動誤差和精度，對查尋數控設備故障原因，分析工件加工誤差產生原因具有重要意義[5]。

為使熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖生產線數控設備和輸送設備的加工質量和精度達到要求，既需要針對單臺數控設備的檢測技術和手段為保障，又需要集數控設備、測頭系統、計算機系統及在線檢測軟件等為一體的在線檢測系統，通過在線檢測功能與數控系統的高度集成，實時檢測和控制生產線的質量達到要求，熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖生產線檢測技術如表2所示。

表2 熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖生產線檢測技術

4 熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖生產線控制系統構建

4.1 智能生產線控制系統的需求分析和特征

（1）熱軋H型鋼鉆鋸鎖單機數控系統，備料、存料、輥道輸送系統與生產線智能管控系統的集成。

熱軋H型鋼鉆鋸鎖智能生產線，不只是單機數控設備和備料、存料、輥道輸送等設備的功能一體化，更重要的是按照智能生產線管控的系統需求，滿足智能生產線的特征而設計、集成和制造；智能管控系統也不只是傳統的單機數控設備控制，增加備料、存料和輥道輸送等系統的組合控制，而是整條智能生產線的集中協調智能管控，實現單機數控化和智能生產線的全局協調管控。

（2）熱軋H型鋼鉆鋸鎖生產線工藝設備狀態、生產過程參數檢測、數據采集及信息交互。

要實現熱軋H型鋼鉆鋸鎖生產線的智能管控，在工藝設備組成生產線的幾個環節，需要具備與智能管控系統之間的傳感器檢測、數據采集、通信和信息交互，包括：數控鉆鋸鎖單機系統與智能管控系統之間；數控鉆鋸鎖單機系統之間；備料系統與數控鋸切工序之間；數控鎖扣工序與存料系統之間等，形成信息驅動的網絡化集成控制的智能化模式[5]。

（3）熱軋H型鋼鉆鋸鎖生產線工藝知識數據庫及工藝知識模型的建立，根據實時采集的生產線數據和信息，經工藝模型的計算和分析，提供最優的工藝路線及參數，對熱軋H型鋼鉆鋸鎖生產線設備進行智能管控。

根據已有的熱軋H型鋼鉆鋸鎖生產線工藝知識，建立工藝知識數據庫和工藝知識模型，在生產中學習并獲取新的工藝知識，智能維護工藝知識數據庫；采集生產線信息，通過工藝知識數據庫和工藝模型，對信息進行加工、計算和分析，為生產線智能管控提供最優工藝路線和參數。

4.2 智能生產線控制系統架構

以兩鋸、一鉆、兩鎖組成的生產線為例，熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖生產線控制系統采用三層架構，分別為現場控制層、SCADA集中監控層和MES管理層，現場控制層與SCADA集中監控層采用現場總線通信網絡，集中監控層與MES管理層采用以太網通信網絡；卸料機器人與卸料工作站采用無線WiFi通信，如圖3所示。

圖3 熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖生產線控制系統架構

（1）現場控制層

現場控制層設有單機系統控制站5臺，分別為控制站1至5，完成鉆鋸鎖設備的單機控制；在生產線上料口附近，設控制站1臺，在生產線卸料口附近，設遠程站1臺，完成對物料輸送系統（包括上料、輥道輸送和卸料）的控制；各單機系統通過現場總線形成總線控制網絡；各控制站完成對各自伺服系統、檢測系統、變頻系統、I/O系統的控制；生產線卸料工序流程中，卸料機器人完成熱軋H型鋼加工成品的卸料。

（2）SCADA集中監控層

SCADA集中監控層設工作站計算機，通過現場總線通信模塊接入現場總線網絡，連接各個控制站；通過工業以太網通信接口，與MES管理系統連接。控制操作站直接控制生產線輸送系統的PLC，同時通過總線網絡，完成對各單機控制系統的信號交互，完成對生產線的協調集中控制，接收MES管理系統的最優工藝路線和參數的指令。

（3）MES管理層

整條生產線設管理工作站，利用MES管理軟件，集中管理生產線工藝設備及生產計劃，在生產現場只需少量操作人員甚至無人化，熱軋H型鋼從程序啟動開始，通過物料輸送系統，將工件輸送至各個加工單元，按照工藝路線和參數要求生產加工，完畢后繼續執行其他排產計劃。

4.3 智能生產線SCADA集中監控系統

熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖生產線SCADA集中監控系統，主要完成四大任務：一是對物料輸送系統的控制，二是對各單機數控設備的數據采集和數據交互，三是對生產線工藝設備的集中監視和協調控制，四是與MES管理系統的管控功能集成，同時，SCADA系統與卸料機器人工作站之間，以通信方式建立信息交互，如圖4所示。

圖4 熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖生產線SCADA集中監控系統

4.4 MES管理系統

將MES管理系統集成到生產線控制系統中，即實現對熱軋H型鋼鉆鋸鎖加工生產過程的智能管控，包括收集生產線生產信息，包括設備、安全、質量、產量等信息，對生產情況進行全方位跟蹤，并出具各生產情況報表。

成本管控：按工藝環節收集生產線消耗原料信息，并通過原料價格、計劃原料消耗等系統計算和分析后，得出各設備和生產環節的計劃生產成本，實際消耗成本信息，掌握并監控生產成本情況。

工藝質量管控：智能維護生產線工藝知識庫的參數 ,采集現場實際使用參數，經工藝模型計算、分析和比較 ,發現并調整生產環節各工藝參數和加工路線，對設備、原料出人庫加工進行管理，包括庫存管理，跟蹤設備及物料庫存情況 ,制定設備檢修計劃，記錄設備故障及維修記錄等[6]。

4.5 智能生產線系統控制程序策略

熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖生產線系統控制程序策略如圖5所示。

圖5 熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖智能生產線系統控制程序策略

智能生產線系統控制程序策略包括三個方面：一是采用生產線工序加工流程為主控流程順序；二是主控流程每一步執行的條件，依據生產線全局實時數據，經分析判斷算法，確定執行對應的子程序和步數，實現單機數控和智能生產線的全局協調運行；三是基于MES管理系統的工藝知識數據庫和工藝模型，對生產線實時數據進行加工、計算和分析，為主控流程順序確定最優工藝路線和技術參數，實現信息驅動的網絡集成智能管控模式。

5 結語

通過對熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖生產線的研究，分析了國產智能化鉆鋸鎖生產線研發的必要性和重要性，比較了傳統生產線與智能化生產線的差異和特點，分析了智能生產線控制系統的關鍵技術、控制需求和特征，提出了智能生產線總體架構和控制系統程序策略，為研發熱軋H型鋼智能鉆鋸鎖生產線做好前期準備。