1 引言

　　螺旋焊管是將低合金結(jié)構(gòu)鋼或者低碳碳素結(jié)構(gòu)鋼鋼帶由成型機(jī)組按一定的螺旋線成型角卷成管坯，再將管縫內(nèi)外焊接起來制成。大口徑螺旋焊管主要用于石油、天然氣的輸送管線，焊管質(zhì)量顯得尤為重要，而焊管質(zhì)量的提高已不僅僅依賴于個(gè)別生產(chǎn)環(huán)節(jié)工藝的提高，更大程度上是對(duì)螺旋焊管機(jī)組乃至整個(gè)生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度的提高。我國(guó)螺旋焊管機(jī)組水平與國(guó)際先進(jìn)企業(yè)相比，在自動(dòng)控制方面還存在較大差距，信息化程度不高。依托于寶雞鋼管遼陽鋼管廠的大口徑螺旋焊管生產(chǎn)線數(shù)字化自動(dòng)控制技術(shù)研究項(xiàng)目，主要研究大口徑螺旋焊管的剪切過程及原理，通過搭建基于PLC的硬件系統(tǒng)，編寫相應(yīng)軟件，實(shí)現(xiàn)了焊管的自動(dòng)優(yōu)化剪切，并采用無線通訊方式，基本取代了以往的人工控制方式，大大提高了機(jī)組信息化自動(dòng)化水平。

2 工藝流程及工作原理

　　螺旋焊管生產(chǎn)工藝流程，如圖1所示。成卷帶鋼放人生產(chǎn)線后，通過開卷，對(duì)焊，矯平，銑邊等工位，進(jìn)人成型機(jī)中成型與內(nèi)外焊，再由飛剪小車完成剪切，已成型的螺旋焊管再經(jīng)過x射線探傷，管端處理，水壓試驗(yàn)，超聲波探傷，管端檢測(cè)，稱重測(cè)長(zhǎng)等工位最終合格入庫(kù)。

圖1螺旋焊管生產(chǎn)工藝流程圖

　　其中成型機(jī)組成型和飛剪剪切是螺旋焊管生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，根據(jù)螺旋焊管不同管徑設(shè)定相應(yīng)的螺旋線成型角，成型機(jī)組進(jìn)行成型，飛剪小車進(jìn)行剪切，而在剪切環(huán)節(jié)往往由于人工控制剪切長(zhǎng)度，切頭以后執(zhí)行多次定尺剪切，最終切尾時(shí)預(yù)估不足，產(chǎn)生不滿足要求的廢管，造成了大量的帶鋼浪費(fèi)。

　　通過研究工藝流程，設(shè)計(jì)了一套軟硬件結(jié)合的自動(dòng)優(yōu)化剪切系統(tǒng)，采用PLC控制生產(chǎn)過程，實(shí)時(shí)采集實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)與理論值相對(duì)比，實(shí)現(xiàn)螺旋焊管的自動(dòng)優(yōu)化剪切，不僅滿足了原有生產(chǎn)過程的所有要求，而且彌補(bǔ)了切尾時(shí)產(chǎn)生廢管的不足之處。系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)框，如圖2所示。

圖2螺旋焊管自動(dòng)優(yōu)化剪切系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)的螺旋焊管自動(dòng)優(yōu)化剪切系統(tǒng)硬件主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)和電控設(shè)備兩部分構(gòu)成。

　　機(jī)械結(jié)構(gòu)包括兩組安放增量編碼器設(shè)備的支架，一組設(shè)置在對(duì)焊工位，一組設(shè)置在成型機(jī)前，通過兩組編碼器采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過PLC處理得到實(shí)時(shí)的帶鋼信息。

　　電控設(shè)備包括上位機(jī)，PLC和各種通訊控制模塊。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3螺旋焊管自動(dòng)優(yōu)化剪切系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

　　系統(tǒng)采用兩組PLC處理器，分別是西門子S7—200 CPU和S7—300 CPU，前者設(shè)置在對(duì)焊工位附近，后者在成型機(jī)附近，通過以太網(wǎng)模塊CP243—1、CP341-1和無線以太網(wǎng)模塊SCALANCE744-1、SCALANCE 788—1實(shí)現(xiàn)主從站通訊，其中S7—200 CPU為主站，S7—300 CPU為從站。計(jì)數(shù)器模塊FM350—1采集增量編碼器脈沖，得到實(shí)時(shí)的生產(chǎn)信息，兩組PLC完成數(shù)據(jù)采集、交換、處理和傳輸，實(shí)現(xiàn)螺旋焊管自動(dòng)優(yōu)化剪切控制過程。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)的PLC程序采用STEP 7軟件縮寫，上位機(jī)由WinCC6.2編寫監(jiān)控界面。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)由三部分組成，分別為S7—200程序，S7-300程序和WlNCC監(jiān)控界面匿序。S7-200程序：高速脈沖計(jì)數(shù)，脈沖數(shù)轉(zhuǎn)化為帶鋼長(zhǎng)度，與S7-300通過無線以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換等。S7-300程序：高速脈沖{寸數(shù)，脈沖數(shù)轉(zhuǎn)化為帶鋼長(zhǎng)度，與S7-200通過無線以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，計(jì)算開卷機(jī)到成型機(jī)前的長(zhǎng)度、已成型鋼管的長(zhǎng)度、鋼帶理論成型鋼管長(zhǎng)度、鋼帶理論剩余長(zhǎng)度等一系列長(zhǎng)度計(jì)算與轉(zhuǎn)換。自動(dòng)優(yōu)化剪切控制程序聞，其軟件流程，如圖4所示。與WINCC通訊，交換實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。S7-200和S7_300中的高速脈沖計(jì)數(shù)采用不同方式，S7-200采用自身高速脈沖計(jì)數(shù)器讀取編碼器脈沖數(shù)，而S7-300采用FM350-1高速計(jì)數(shù)模塊讀取編碼器脈沖數(shù)，因此所編程序有所區(qū)別。WINCC監(jiān)控界面程序：參數(shù)輸入／輸出顯示，輸入包括鋼卷重量，寬度，厚度，定尺剪切、切頭、切尾設(shè)定長(zhǎng)度、成型鋼管管徑等。輸出包括對(duì)焊位到成型機(jī)前的長(zhǎng)度、已成型鋼管的長(zhǎng)度、帶鋼理論成型鋼管長(zhǎng)度、帶鋼理論剩余長(zhǎng)度等長(zhǎng)度信息，已成型鋼管數(shù)量，鋼管管號(hào)等。工作過程監(jiān)控，包括系統(tǒng)的啟動(dòng)停止，各種操作模式的選擇，報(bào)警信息等。需要同S7—300通訊，實(shí)時(shí)的更新數(shù)據(jù)和顯示數(shù)據(jù)。

圖4螺旋焊管自動(dòng)優(yōu)化剪切程序流程圖

5 優(yōu)化剪切算法

　　螺旋焊管成型機(jī)組成型各個(gè)公式如下：
　　成型角α：cosα=-B/(D-π)
　　螺距P：P=-B／sinα
　　螺旋焊管每米理論重量t：t=0.02466δ(D-δ)
　　單卷帶鋼理論可成型管長(zhǎng)度L：L=T(1.03t)

　　式中：B-工作板寬(單位：mm)；蝴管外徑(單位：mm)；D—板厚(單位：mm)；δ單卷帶鋼重量(單位：kg)。單根鋼管飛剪剪切規(guī)則如下：

　　(1)1 lm<剪切長(zhǎng)度≤12.2m；

　　(2)8．5m<剪切長(zhǎng)度<1 1m的成型管數(shù)量盡量少；

　　(3)不允許出現(xiàn)8m以下長(zhǎng)度的成型管。

　　從以上公式和規(guī)則可以看出，無法事先知道單卷帶鋼展開后的準(zhǔn)確長(zhǎng)度，也就無法通過成型角α等參數(shù)轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)確的實(shí)際可成型鋼管長(zhǎng)度，而只能通過單卷帶鋼重量T估計(jì)理論可成型鋼管長(zhǎng)度。理論可成型鋼管長(zhǎng)度存在著誤差，人工控制剪切時(shí)，單根鋼管長(zhǎng)度全憑工人經(jīng)驗(yàn)做出判斷，經(jīng)過切頭、定尺等步驟，在最后的切尾環(huán)節(jié)，往往由于預(yù)估不足，產(chǎn)生長(zhǎng)度小于8m的廢管，日積月累造成生產(chǎn)上的極大浪費(fèi)。

　　設(shè)計(jì)的自動(dòng)優(yōu)化剪切系統(tǒng)兩組PLC分別實(shí)時(shí)采集安放在對(duì)焊機(jī)和成型機(jī)前的編碼器脈沖，自動(dòng)轉(zhuǎn)化為走過該工位的帶鋼長(zhǎng)度，通過無線以太網(wǎng)交換數(shù)據(jù)，由S7—300處理得到實(shí)際已成型鋼管長(zhǎng)度+對(duì)焊機(jī)到成型機(jī)前的帶鋼長(zhǎng)度，結(jié)合理論帶鋼長(zhǎng)度，理論可成型鋼管長(zhǎng)度L_t，對(duì)焊機(jī)前帶鋼理論剩余長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)，提前計(jì)算得出剩余可成型鋼管長(zhǎng)度，隨時(shí)準(zhǔn)備切尾的自動(dòng)優(yōu)化，保證滿足剪切規(guī)則的情況下盡量不產(chǎn)生廢管。

　　采用該優(yōu)化矩陣編寫程序，規(guī)范了程序結(jié)構(gòu)，減小了編程難度。為了使整個(gè)工作過程連續(xù)起來，在計(jì)算時(shí)還要考慮當(dāng)前鋼卷和下一鋼卷對(duì)焊位后需要剪切的長(zhǎng)度，相當(dāng)于下一鋼卷的切頭長(zhǎng)度。

　　前期對(duì)以上自動(dòng)優(yōu)化剪切算法進(jìn)行了大量仿真，符合預(yù)想的單根鋼管剪切要求。在現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試階段，自動(dòng)優(yōu)化剪切算法效果良好，但是也發(fā)現(xiàn)了問題，當(dāng)L_r極小時(shí)，程序根據(jù)優(yōu)化算法對(duì)最后三根鋼管進(jìn)行處理，出現(xiàn)了L_x2<L_min的情況，優(yōu)化不能執(zhí)行。針對(duì)這一問題，對(duì)算法做了相應(yīng)改進(jìn)，當(dāng)L_r<0.2m時(shí)，將L_r添加到下一鋼卷的切頭長(zhǎng)度中。避免了上述問題的再次出現(xiàn)，完善了自動(dòng)優(yōu)化剪切算法。

6 總結(jié)

　　隨著諸如“西氣東輸”等國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略工程的啟動(dòng)，我國(guó)的油氣管道建設(shè)迅猛發(fā)展，對(duì)螺旋焊管的需求也日益增大，推動(dòng)了各個(gè)焊管廠家生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，提高了生產(chǎn)線自動(dòng)化水平，生產(chǎn)效率大幅提升的同時(shí)保證了鋼管質(zhì)量㈣。設(shè)計(jì)的自動(dòng)優(yōu)化剪切系統(tǒng)，PLC采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，通過無線以太網(wǎng)交換信息，實(shí)時(shí)控制生產(chǎn)過程，完成螺旋焊管的自動(dòng)優(yōu)化剪切過程。在寶雞鋼管遼陽鋼管長(zhǎng)現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試后，效果良好，滿足生產(chǎn)要求，基本替代了以往人工操作，且很好地避免了不滿足長(zhǎng)度要求的廢管產(chǎn)生，提高了生產(chǎn)效率，并且減少了不必要的成本浪費(fèi)。系統(tǒng)提高了廠家螺旋焊管生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平，但是與國(guó)際先進(jìn)螺旋焊管廠家相比，在數(shù)字化信息化方面還存在較大差距，仍需繼續(xù)努力，改進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制算法，實(shí)現(xiàn)鋼管的生產(chǎn)信息跟蹤，生產(chǎn)過程記錄等功能。