鋼管精整線自動化控制系統

王 輝

（寶鋼工程技術集團有限公司，上海 201900）

引言

寶鋼鋼管精整線（下文簡稱精整線）原設計產品以普碳鋼為主，裝備屬于20 世紀70 年代末期技術水平，隨著市場環境的變化、用戶對高鉻管等高附加值產品的需求大幅增加，然而精整線的矯直機、鋸機以及探傷設備均不能滿足生產要求。現有設備老化嚴重、可靠性低、穩定性差、設備精度控制困難，嚴重制約了高附加值產品的生產，因此需對精整線進行全面改造。

1 工藝流程簡介

1.1 精整線工藝流程如圖1

工藝流程簡述：用行車將管料吊運到上料臺架，通過輸送鏈以及步進機將鋼管分別送入1#、2#鋼管切頭鋸；鋼管頭尾切割完畢后進入矯直機；矯直后送入分段鋸進行定尺分段；之后進入吹灰裝置吹灰；然后送入渦流探傷，探傷后不合格的鋼管撥入廢料筐；合格的管子在生產線上分為兩路，一路不需要超聲波探傷的鋼管直接進行外表檢驗；另一路鋼管進入超聲波探傷，探傷后不合格的鋼管送入廢料筐，合格的鋼管再進行外表檢驗；外表檢驗后的鋼管由步進機送入1#、2#管端磁粉探傷，檢驗完畢對不合格的鋼管進行標記；然后鋼管進入1#、2#內表面檢驗，將內表面檢驗和磁粉探傷檢驗不合格鋼管送入廢料筐，合格的鋼管兩端去毛刺；然后送入自動光譜分析儀對鋼管進行混鋼檢驗；混鋼的鋼管送入自動光譜分析儀后的收集料筐，合格的鋼管進入測量點區域，依次經過對齊、噴色環、測長、稱重等工序后，將長度、重量等測量值與實際值進行比較，如果超過標準規定時，則分別判為長度與重量不合格；測長、稱重結束后將鋼管送入除碳污染裝置；除碳污染后對鋼管進行噴印，噴印機采用噴印頭不動鋼管移動的穿過式噴印；噴印結束后對鋼管進行全長退磁；然后進入稱重料筐，經稱重后操作工操作打捆吊車將稱重料筐中的鋼管吊起，由人工使用氣動捆扎器進行捆扎，捆扎后的管捆由行車吊入庫。至此，整個加工過程結束。

圖1 精整線工藝流程

1.2 精整線改造主要設備見表1

表1 精整線主要設備

2 傳動及基礎自動化

2.1 傳動

精整線機電一體品設備的傳動由機電一體品廠家集成，機組輔助輸送設備中電機均為380V交流電機，其中液壓站主泵電機恒速運行，功率110kW，采用軟啟動控制；其他如輥道、步進機、輸送鏈等電機需變速運行，采用變頻器控制。

本項目使用ABB 公司ACS 系列變頻器，該系列變頻器支持V/F、矢量及DTC 等多種控制方式。變頻器采用交直交單獨傳動形式，其優點是單獨傳動時變頻器的運轉不受其他變頻器的影響，獨自控制與其相接的一臺或一組電機，這樣在出現個別電機或變頻器故障時可在不影響其他設備運行的情況下更換電機或變頻器。此外為變頻器選裝了Profibus-DP 通訊適配器接入PLC 系統，實現電機啟停、電機正反轉選擇、電機速度給定、電機電流反饋、速度反饋、故障反饋以及故障復位等一系列操作；還為變頻器選裝輸出電抗器，可對電機絕緣起到保護作用，并可增加輸出側電纜的有效長度。

精整線單線系統圖如圖2。

圖2 精整線單線系統圖

2.2 基礎自動化

基礎自動化主要由各機電一體品設備PLC、主線輸送設備PLC 以及現場遠程I/O 柜、遠程I/O 操作臺、HMI、工程師站等設備組成。根據控制功能的需要以及用戶的使用習慣，控制系統采用成熟可靠的西門子S7系列PLC。

各設備基礎自動化控制系統見表2。

表2 各設備基礎自動化控制系統列表

其中主線輸送設備設兩套PLC，一套控制鋼管切頭鋸、分段鋸、矯直機、渦流探傷設備、超聲波探傷區域內的輸送設備，并處理該區域內機電一體品的交接信號；另一套控制管端磁粉探傷、去毛刺機、分鋼儀、測長裝置、稱重裝置、涂色環、除碳污染裝置、噴印機、打捆區域內的輸送設備，并處理該區域內機電一體品的交接信號。

由于鋼管精整線輸送設備區域有大量的機位、料位傳感器以及液壓、氣動系統電磁閥，因此在現場各傳感器、電磁閥集中的區域設置遠程I/O 柜，柜內安裝西門子ET200 I/O 模塊，傳感器和電磁閥全部接入現場遠程I/O 柜中；此外精整線生產模式以現場操作為主，現場各工位設操作臺，在操作臺內安裝ET200 I/O 模塊，操作臺面板上的按鈕指示元件全部接入操作臺內的I/O模塊。通過現場遠程I/O柜和遠程I/O 操作臺的設置，較以往在電氣室PLC柜內集中設置I/O 模塊，可大量減少傳感器、電磁閥以及操作臺至PLC 柜的各種線纜；同時因傳感器、電磁閥和操作臺的信號就近進入各遠程I/O，也為現場調試和產線故障時的校線排除故障提供了便利。

HMI系統用于實現操作員與生產過程的人機通訊，通過畫面操作和顯示系統實現各設備生產過程的參數設定、起停控制、聯鎖控制以及生產設備的運行狀態和故障報警顯示。精整線的切頭鋸、分段鋸、渦流探傷、超聲波探傷以及測量點設備均設置了HMI 操作員站，分別放置在各機電一體品的操作室內。此外在兩套主線PLC 所在的電氣室內還設置了兩套工程師站，用于兩套主線PLC 的編程調試以及維護工作。HMI 操作員站硬件采用主流商用機，操作界面采用西門子WinCC 開發；工程師站硬件采用西門子工控機，內裝西門子PLC 編程軟件STEP7。

主線PLC 通過工業以太網與同區域的機電一體品PLC 連接，兩套主線PLC 之間也通過工業以太網相連；主線PLC 通過Profibus-DP 網與同區域的傳動裝置、現場遠程I/O 柜以及遠程I/O 操作臺連接；此外對通訊即時性要求較高的切頭鋸、分段鋸和矯直機等設備，通過加裝DP/DP 耦合器與主線PLC 進行Profibus-DP 通訊，這樣既保證了通訊的即時性，也可保持各自DP 網段的速率、地址等的獨立性，也不會因為各自的通訊故障而相互影響。

精整線基礎自動化網絡如圖3。

3 過程控制計算機系統

精整線過程控制計算機系統的控制范圍主要是測量點及打捆區域，在測量點操作室內配置1 臺L2過程服務機和1臺測量點L1 HMI，兩臺計算機采用獨立的以太網拓撲結構相連。其中L2 過程服務機上配有與L3 網絡通訊的網卡，滿足與L3 進行數據交互，實現對本區域生產過程中的數據進行管理；測量點L1 HMI 配有與PLC 通訊的網卡，用來接收PLC的數據及狀態信號，并對PLC發送控制指令，實現對本區域的鋼管進行料流跟蹤，同時將產線數據上傳L2 過程服務機。此外在測量點操作室還配有3臺打印機，分別用于紙標簽、塑料標簽及交庫單的打印。

精整線過程控制計算機系統的應用功能如下：

(1)數據管理

可對測量點區域生產過程中的原始數據、生產實績、生產設備狀態和故障報警信息等數據進行收集、存儲和管理。

(2)鋼管料流跟蹤

通過PLC 信號，從鋼管上料開始，對每個工位、緩沖區進行逐根跟蹤，直至鋼管成品打捆為止。

(3)控制功能

圖3 基礎自動化網絡圖

對測量點區域內各個單體設備進行控制，可按生產工藝要求使用或禁用單體設備及其部分功能。

(4)生產實際數據收集處理

通過與L1 交接的信號，按生產工藝的要求，對數據進行處理，如進行測長標定、鋼管長度計算、測長稱重判廢、噴印內容組織等。生產過程中產生的數據均保存至過程服務機的數據庫中。

(5)畫面系統

根據用戶需求設計跟蹤畫面、上料操作畫面、實績數據顯示畫面、生產跟蹤畫面、設備監控畫面、通訊接口畫面、故障報警畫面等。

(6)與L1、L3進行數據通訊

接收L1 的信號及數據，來實現料流跟蹤、數據收集等功能，并通過向L1 下發信號，來實現對區域內的各個單體設備控制。接收L3 的電文來獲取生產需要的數據，并在生產過程中向L3發送生產過程中的實績電文。

(7)報表打印

打印紙標簽、塑料標簽及交庫單報表。

(8)設備狀態及報警

通過L1 的信號來顯示并判斷生產線上的設備狀態和故障，并對重要的故障報警。

4 結語

精整線改造更換了矯直機、鋸機以及探傷等設備，主線電控系統也全部更新，機組具備了生產高鉻管等高附加值產品的能力，并且產線的運行更加成熟、可靠。通過設備和電控系統的全面改造，使鋼管精整線重新煥發了青春。