焊管・第３３卷第１２期・２０１０年１２月 ・２７・ ●应用与开发 直缝埋弧焊管生产线传输设备自动控制系统 孟庆军，张洪坤，李 刚 （中油宝世顺（秦皇岛）钢管有限公司，河北秦皇岛０６６２０６） 摘要：介绍了直缝埋弧焊管生产线传输设备的组成及工艺流程，重点介绍了传输设备自动 控制系统实现的功能、设计框架以及硬件组成，并根据钢管停位原理和横移车工位识别原理， 提出了自动控制系统软件的设计和实现方式。钢管传输设备自动控制系统采用集散控制方式 和分布式ＬｅＯ控制技术，已经应用于生产线。应用结果表明：优化了工艺流程，降低了劳动强 度，提高了生产效率，钢管生产过程更加安全、稳定。 关键词：直缝埋弧焊管；传输设备；自动控制 中图分类号：ＴＰ２７８ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００１—３９３８（２０１０）１２—００２７—０３ Ｔｈｅ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｉｎ ＳＡＷＬ Ｐｉｐｅ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｌｉｎｅ ＭＥＮＧ Ｑｉｎｇ－ｊｕｎ，ＺＨＡＮＧ Ｈｏｎｇ—Ｋｕｎ，ＬＩ Ｇａｎｇ （Ｚｈｏｎｇｙｏｕ ＢＳＳ（Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ）Ｐｅｔｒｏ－ｐｉｐｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ ０６６２０６，Ｈｅｂｅｉ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｌｏｗ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｉｎ ＳＡＷＬ ｐｉｐｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｌｉｎｅ，ａｎｄ ｅｍｐｈａｓｉｚｅｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｄｅｓｉｇｎ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ａｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅｓ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ． Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅｏｒｉｅｓ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ ｓｔｏｐ ａｎｄ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｃａｒｒｉａｇｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ，ｉｔ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｒｅ— ａｌｉｚａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｓ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ａｄｏｐｔｉｎｇ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ａｎｄ ｄｉｓ— ｔｒｉｂｕｔｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅ ａｎｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｉ／Ｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｈａｓ ｂｅｅｎ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎｔｏ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｌｉｎｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉ— ｅａｔｅｄ ｔｈａｔ ｉｔ ｃａｎ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｌｏｗ，ｒｅｄｕｃｅ ｌａｂｏｒ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｍａｋｅ ｐｒｏ— ｄｕｃｔｉｏｎ ｃｏｕｒｓｅ ｍｏｒｅ ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＳＡＷＬ ｐｉｐｅ；ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ 中油宝世顺（秦皇岛）钢管有限公司直缝埋 弧焊管生产线工艺流程分为两部分，一部分为主 横移车Ｃ１３—３由１ ＲＴ前台架取管放至Ｉ＊ＲＴ进管辊道 机设备工艺流程，另一部分为连贯主机设备的传 输设备工艺流程。笔者在这里重点介绍该生产线 １ ＲＴ进管辊道送管至１’ＲＴ，显像后出管，对中完成 的传输设备。该生产线传输设备采用自动控制技 术，提高了生产效率，增强了生产连贯性，节省了 横移车Ｃ１３－４１￣ｒＲＴ进管辊道取管放至台架或ｌ ＲＴ后辊道 人力资源。 进管辊道 堡需 １Ｉ ＲＴ后辊道运管至补焊台架，对中完成 １传输设备的组成及工艺流程 — ＞ 磊 矗Ｙｉ 再 图１为直缝埋弧焊管生产线１ ＲＴ段传输设 备工艺流程图，其中涵盖了所有传输设备的工作 工序。 图１ １ ＲＴ段传输设备工艺流程 焊 管 ２０１０年１２月 传输设备连接所有的主机设备，按工艺流程传输 物料。传输设备分为钢板传输设备与钢管传输设 备。钢板传输设备主要是传输辊道，只向前传输 物料，没有分流与倒料。钢管传输设备分为执行 机构和控制机构，执行机构包括横移车、辊道、翻 转设备；控制机构分为主站、分站、变频器及其软 件部分。钢管传输设备依照工艺流程，很多地方 需要分流或倒料，自动控制过程比较复杂。 ２传输设备控制系统硬件组成 传输设备自动控制系统采用集散控制…方 式，分四大区。每区由一个主站和若干分站组成， 每区软硬件设计基本相同，下面以某一大区为例， 介绍一下系统构建方式，系统框架如图２所示。 ，ｊｓ￣ ＭＩ Ｉ ！ ！ ：鲨ｌ第一大区主站Ｉ １囱 壶 ．［二二＿类分站Ｎ个ｌ ！Ｑ！ ———＝］ ： ｌ二类分站Ｍ个ｌ．． ［————：：Ｉ—‘。１‘‘‘。。’Ｉ：ｊ ｉ ｕｓ一。 ［———— ：：Ｔ—Ｉ— 一。 检测元件ｌｌ检测元件ｌｌ变频器ｌ ｌ检测元件ｌＪ操作元件ｌ ｌ执行元件 传感器Ｉ ｌ操作台Ｉ ｌ Ｍ４４０ Ｉ Ｊ传感器ｌＩ操作台Ｉ ｌ 辊道 编码器ＩＩ操作点ＩＩ ５７０ ＩＩ编码器ＩＩ操作点ＩＩ横移车等 Ｉ执行机构ＪＩ ｌ执行机构 Ｉ辊道 Ｉ ｌ 辊道 横移车等ｌ Ｉ横移车等 图２自动控制系统框图 ２．１ 主站（ＨＭＩ）介绍 主站采用西门子产品ＳＩＭＡＴＩＣ精简人机界 面和Ｓ７—３００的ＣＰ３１７—２ＤＰ 构成，负责实时查 询、传感器检查、通讯联结、参数设置、故障记录， 主站通过ＤＰ线连接各个从站。人机界面集成了 操作键、指示灯、参数设置框及各种操作界面，指 示简明、操作简捷，极大地方便了工作人员的操作 和维护。如果需要设置变频器参数，只需在相应 主站触摸面板上打开变频器参数设置界面，即可 设置分站下对应变频器的参数，避免了通过变频 器ＯＢＰ面板参数设置带来的麻烦。 主站操作界面分为：①主操作界面；②工艺流 程可视界面；③参数设置界面；④参数实时监控界 面；⑤传感器实时监控界面；⑥故障查询界面。 ２．２分站介绍 根据功能大小，从站采用一类分站ＥＴ２００Ｓ ＩＭ１５１—７ 及其辅助电路、二类分站ＣＰ３１５— ２ＤＰ及其辅助电路，从站依据检测元件和操作元 件回馈信号，经ＰＬＣ运算后，通过执行机构做出 相应动作。一二类分站依靠ＤＰ线连结，所属分 站检测元件、操作元件、执行机构基本相同。检测 元件包括电感式传感器、光电开关、接点传感器以 及旋转编码器，用于感知钢管和金属遮光片。操 作元件主要指各种操作键，本系统选用西门子 ＭＭ４４０和ＳＥ７０变频器，变频器通过ＤＰ线连接分 站，变频器控制执行机构的工作状态。 ３传输设备控制系统软件控制部分 ３．１控制要求 （１）横移车速度可在６～２４ ｍ／ｒａｉｎ无级调速， 可前进、后退，横移车托架可随时上升、下降； （２）辊道传输最高速度达３６ ｍ／ｍｉｎ，可无级 调速； （３）主站能够调整变频器的参数，包括速度、 上升时间和下降时间； （４）主站能够监控横移车、辊道运行状态，检 测所有传感器； （５）主站能够查询故障报警记录，分站具备 故障报警功能； （６）分站控制所辖全部执行机构运行和停止 状态、运行方式； （７）控制机构能够实现分站点动或自动运行 与整体自动运行相结合的运行方式。 ３．２ 实现功能 （１）横移车能够由辊道位送管至台架工位； （２）横移车能够由台架工位取管至辊道位； （３）无放管、取管任务时，横移车能够实现台 架工位由后向前倒管功能； （４）辊道能够将钢管传输至合适位置，并且 可按工艺要求分流钢管； （５）翻转设备需要在人参与下执行动作； （６）工作时，横移车与辊道可实现无人操作。 ３．３控制原理 ３．３．１钢管停位原理 钢管停位原理如图４所示，其中ｓ ，ｓ 为传感 器，Ｅｎ为１０２４ Ｐｕｌｓｅ／ｒ旋转编码器，ｓ２至停止位 距离为 ，Ｓ 至Ｅｎ距离为 ，Ｅｎ至Ｓ 距离为Ｃ， 第３３卷第１２期 孟庆军等：直缝埋弧焊管生产线传输设备自动控制系统 编码器旋转轮周长ｚ。当钢管首端由传输方向行 至Ｓ 时，编码器开始计数，当钢管末端离开Ｓ。时， 计算出这段时间编码器数值为 由此可算出 钢管长度Ｌ＝Ｂ＋Ｃ＋Ｅ ，×（１／１ ０２４），如果需要钢 别等；倒管程序相对来说比较复杂，包括横移车位 判断、取管位判断、横移车速度转换、横移车托架 控制、目标位判断等。倒管程序流程见图６。 管中心停在停止位，钢管需前行距离Ｓ＝Ｌ／２＋Ａ， 如需进行减速停止，可在Ｓ一０．５ ｍ处开始。 钢管传输方向 Ｂ Ｃ Ａ 钢管停止位 ． ．１ Ｉ● ● Ｊ． 图４钢管停位原理图 ３．３．２横移车工位识别原理 横移车车体装载一个旋转编码器，用于记录 横移车行走距离，台架工位不尽相同，此处以５工 位台架为例，原理如图５所示。初始位至工位５ 距离为Ｅ（按脉冲数计算，以下距离均按脉冲数 算），Ｍ至工位５距离为 ，Ⅳ至工位５距离为 。 横移车送管至工位５时，由初始位编码器计数为 ０开始快速行驶，当计数值为（Ｅ—Ｈ）时，开始减 速，当计数值为（ — ）～ 时，横移车识别到工 位５，可以放管至台架。其余工位同理。 初始位工位１工位２工位３工位４ 工位５ Ｍ Ⅳ ＿＋ 横移车 ＋也 Ｅ 图５横移车工位识别示意图 ３．４软件设计方案 软件部分包括触摸屏ＷｉｎＣＣ Ｆｌｅｘｉｂｌｅ主站程 序与ＰＬＣ分站控制程序，控制程序主要分为４部 分：辊道、送管、取管和倒管程序。辊道程序包括 辊道对中、辊道起停、速度转换；送管程序是将人 口工位上的钢管运送到台架工位，涉及钢管对中 识别、横移车位判断、送管位判断、横移车速度转 换、横移车托架控制等；取管程序是将台架工位钢 管运至出口工位，涉及横移车位识别、取管位判 断、横移车速度转换、横移车托架控制、目标位识 自动模式下台架有管 。。。。。。。。。。。。。。。兰苎 在送管或取管 竺堡 查。。＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿●＿。——ＮＩ ｔ Ｉ从Ｋ号台架工位判断是否有管 —————— ｒ————一 Ｋ到Ｒ斗ｌ工位均有管，Ｒ号台架工 位无管，Ｍ号工位有管（Ｍ＜Ｒ＜Ｋ） 横移车前进／后退至Ｍ 号工位，托架升起 工 位 均 有 横移车前进编码器计数至Ｒ号工位 管 横移车停止在Ｒ号工位，托架降落 横移车回初始位或继续其他动作 结束Ｉ Ｉ无需倒管 图６倒管程序流程图 ４结语 传输设备自动控制系统的应用优化了工艺流 程，降低了劳动强度，提高了生产效率，使得钢管 生产线更加安全、稳定。国内钢管生产线传输设 备鲜有全部实现自动控制，鉴于此，能够把先进的 自控理念与焊管生产线的实际应用相结合，可推 动钢管生产线传输设备向自动控制发展的进程。 参考文献： ［１］何衍庆，黄海燕，黎冰．集散控制系统原理及应用 ［Ｍ］．第３版．北京：化学工业出版社，２００９：２６—２９． ［２］ＳＩＭＥＮＳＥ公司．分布式Ｉ／Ｏ系统ＥＴ２００Ｓ设备手册 ［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｅｎｋｕ．ｂａｉｄｕ．ｃｏｒｎ／ｖｉｅｗ／０７０４５８７３０２— ７６８ｅ９９５１ｅ７３８０ｃ．ｈｔｍｌ，２００８—０９—１８． ［３］ＳＩＭＥＮＳＥ公司．ｓ７—３００模块数据设备手册［ＥＢ／ＯＬ］． ｈｔｔｐ：／／ｗｅｎｋｕ．ｂａｉｄｕ．ｃｏｍ／ｖｉｅｗ／ｄｅｂ３４１ ｄ２８０ｅｂ６２９４ｄｄ８８— ６ｃａ７．ｈｔｍ１．２００９一Ｏ１—１２． 作者简介：孟庆军（１９８１一），男，山东莘县人，硕士，现从 事电气自动化及无损检验工作。 收稿日期：２０１０—０１—２３ 编辑：黄蔚莉
