螺旋焊管生產線鋼管輸送輥道自動控制系統設計與應用

周書亮， 谷傳龍， 魏耀華， 李汝江， 孫志剛， 崔明亮

（1. 渤海裝備華油鋼管有限公司， 河北 青縣 062658；2. 渤海裝備研究院， 河北 青縣 062658）

0 前 言

螺旋焊管生產線鋼管輸送主要由輸送輥道、橫移車、 單機設備等組成， 主要作用是將鋼管運送到精整區域的各個崗位， 在不同工序間流轉。華油鋼管有限公司Φ508 mm～Φ1 626 mm 螺旋焊管生產線精整區域的鋼管輸送大多為手動操作方式， 該區域內鋼管加工工序較多， 操作點分散，操作人員需要將鋼管在不同工序間輸送， 勞動強度大、 工作效率低， 并且輸送輥道操作存在不連續情況， 占用時間長， 特別是在小直徑鋼管生產中， 由于鋼管生產速度較快， 容易造成鋼管生產工序擁堵[1-2]。

因此， 本研究設計了一種螺旋焊管生產線鋼管自動輸送系統， 以實現鋼管在精整區域不同工序間的自動流轉輸送和單機設備間的交互控制，減少人工介入， 提高生產效率， 從而保障鋼管輸送流程正常運行。

1 輸送輥道自動控制系統

1.1 運行過程控制

鋼管輸送輥道控制流程如圖1 所示。 自動控制模式下， 在輥道起點， 當位置傳感器檢測到輥道上有鋼管并且安全傳感器處于正常狀態， 同時前方輥道無鋼管的情況下， PLC 程序發出指令，控制輸送輥道運行。 當下一段輥道的傳感器檢測到鋼管時， 下一段輥道開始運行， 同時上一段輥道傳感器檢測到管道脫離時， 上一段輥道停止運行。 當輥道兩側的安全傳感器檢測到人員進入等異常信號時， 輥道停止運行并發出報警信息， 需要人工復位后才能繼續運行。 以管道清渣工位為例， 鋼管由運管設備運至輸送輥道上后， 需要經過G1～G5、 G6～G10 和G11～G16 三段輥道輸送到清渣工位， 并最終停在橫移車臺架上。 鋼管輸送控制過程中， 在多段輥道的每個起始位、 中間位和末位各安裝一個檢測傳感器， 通過PLC 控制， 從而實現鋼管自動輸送， 其他區域的鋼管輸送采用類似的控制模式。

圖1 鋼管輸送輥道控制流程

1.2 硬件構成

輸送輥道自動控制系統主要為西門子控制元件， 采用圖爾克電感式傳感器檢測鋼管位置， 光電式安全傳感器檢測輥道兩側異常狀態[3]以及PROFINET 主從控制模式。 以西門子S7-1500PLC作 為PLC 主 站， ET200MP 為 分 站， G120 變 頻器與主站建立通訊， 完成采集信號處理和邏輯運算[4]。 西門子SM521 模塊進行傳感器檢測信號的采集， 并將信號傳遞給PLC 主站； 觸摸屏完成設備運行狀態實時顯示及故障報警功能[5]。

2 鋼管信息交互控制系統

射頻識別技術 （radio frequency identification， RFID）， 是自動識別技術的一種， 通過無線射頻方式進行非接觸雙向數據通信， 并對記錄媒體（電子標簽或射頻卡） 進行讀寫[6]， 從而達到識別目標和數據交換的目的。 隨著國內焊管機組總體裝備水平和制管技術的大幅度提升， 鋼管生產線上各個環節的處理速度相應提高， 人工錄入鋼管信息成為制約生產線自動化、 信息化的一個瓶頸， 同時也存在一定的安全風險。 因此， 在螺旋焊管生產線自動控制基礎上， 采用射頻識別技術開發了鋼管信息自動傳遞系統， 從而提高焊管生產線的自動化、 信息化能力。

2.1 控制原理

當鋼管由橫移車運送到焊縫磨削工序時， 一旦感應器檢測到鋼管， RFID 系統將對讀取到的電子標簽信息與傳感器信號進行雙向確認， 避免由于周圍鋼管的影響產生錯誤信號的情況。 信息確認完成后， 機器人磨削設備開始執行焊縫自動磨削工作， 磨削完畢后設備退回原點， 電氣控制系統向RFID 上位機發出 “磨削完畢” 指令， 用布爾變量 “1” 來標記； 系統收到指令后， 將讀取到的鋼管信息標記為 “已處理”， 并向電氣控制系統發出指令， 橫移車將此鋼管運送到管端擴徑、 X 射線檢測等工序[7]。 整個過程減少了人工干預環節， 實現鋼管流程的自動化和信息化控制。

2.2 硬件構成

鋼管信息交互控制系統主要由信息讀寫器、固定式射頻天線、 射頻卡、 鋼管檢測傳感器、 上位機系統和電氣控制系統組成。 考慮到電子標簽在鋼管流程輸送過程中的可靠性、 穩定性及重復可利用性， 采用抗金屬屏蔽強磁標簽實現鋼管管號信息的錄入存儲， 避免讀取過程中因鋼管金屬屏蔽造成射頻信號不穩定的問題。 操作人員將寫入信息的強磁電子標簽吸附于鋼管內壁70 cm處， 保證鋼管標簽在流程處理中的完整性。 強磁電子標簽在管端的位置如圖2 所示。

圖2 強磁電子標簽在管端的位置

射頻天線安裝桿高1.2～1.9 m， 高度可調節，上下2 個天線， 天線識讀范圍為219～2 220 mm，0～5 m 全覆蓋， 適應不同規格鋼管生產的需求。在每個數據采集點， 安裝有感應器對鋼管運行情況實時檢測， 從而保證RFID 識別的穩定性和安全性。 通過RFID 識別技術實現鋼管信息快速識別， 并將識別信息通過TCP/IP 協議上傳到上位機中， 電氣控制系統通過Ethernet （工業以太網） 與上位機系統進行交互通訊， 實現信息讀取與自動控制的變量對接[8]， 上位機系統通過中間數據庫將管號信息在生產管理系統監控界面顯示出來。 信息交互控制系統工作流程如圖3 所示。

圖3 信息交互控制系統工作流程

3 自動控制程序設計

3.1 鋼管輥道自動輸送

PLC 程序通過采集安裝在輥道的傳感器信號確定鋼管位置， 在自動模式下， 輸送輥道處的翻料鉤不在下限位置、 安全門不在關閉狀態以及安全傳感器觸發后， 輸送輥道均不允許動作， 保證了鋼管運行的安全性。 實現有鋼管時運轉、 無鋼管不運轉以及輥道自動分段控制功能。

3.2 鋼管工序流程自動控制

將焊縫磨削、 管端擴徑等設備的工作狀態、前后限位等信號采集到PLC 程序中， 通過程序實現連鎖交互控制， 保證設備的有序自動運行。 主要有以下控制邏輯： ①當焊縫磨削、 管端擴徑等設備處于原點位置， 且工位上沒有鋼管時， 允許橫移車將鋼管放到相應工序； ②當橫移車在工序之間運送鋼管時， 優先運送已處理完畢并在等待狀態的鋼管； ③在自動運行過程中， 安全傳感器檢測到人員進入等異常信號時， 設備立即停止， 并發出報警信息， 在人工復位后才能恢復自動程序[9-10]。

3.3 信息交互設計

RFID 系統工作運行前， 需要設置各個工序RFID 讀寫器的相關參數， 包括IP 地址、 讀取頻率、 響應時間等， 參數設置完畢后， 讀寫器與上位機系統通過TCP/IP 協議建立通訊， 并在系統界面生成各個工序鋼管管號的相關信息。 參數設置界面如圖4 所示。 上位機系統通過Web Service技術， 將鋼管管號信息經過中間數據庫存儲后，傳遞給生產管理系統， 并在監控界面顯示出來。另一方面， 上位機系統通過接口程序， 與電控系統的CP1543-1 模塊建立Ethernet 連接[11-12]， 實現信息傳遞。 生產管理系統監控界面如圖5 所示。

圖4 信息交互系統參數設置界面

圖5 生產管理系統監控界面

4 應用效果

設計的螺旋焊管生產線鋼管自動輸送系統在渤海裝備華油鋼管公司進行生產應用， 實現了鋼管輥道輸送的自動分段控制、 工序流程信息的自動交互以及各區域設備的集中控制， 并降低了人工處理鋼管信息的時間， 提高了生產效率， 降低了設備能耗。 系統應用前后設備能耗統計情況見表1，由表1 可知， 應用前后輸送輥道消耗電能分別為3.555 kW/h 和1.668 kW/h， 節約能耗達到53.1%。

表1 鋼管自動輸送系統應用前后電能消耗統計結果

5 結束語

開發的螺旋焊管生產線鋼管自動輸送系統，通過在多段輥道合理布置檢測傳感器， 利用PLC實現輥道分段控制， 實現了鋼管在精整區域各工序流程的自動輸送， 同時采用RFID 管號自動識別裝置， 實現了鋼管信息的自動傳遞， 從而提高焊管生產線的自動化、 信息化能力， 減少了人工干預的環節， 提高了生產效率， 降低了設備能耗。