钢管扩径机组自动化与信息化系统研究与应用

2015-07-01杨正法王东明

锻压装备与制造技术 2015年3期

杨正法，王东明

（天水锻压机床（集团）有限公司，甘肃天水741020）

钢管扩径机组是输送油、气大口径直缝钢管生产线必备专用设备。其作用有三：其一，对钢管径向进行扩张到精确的圆度和直径；其二，消除钢管在冷折过程中产生的杂乱应力，增加材料的屈服强度；其三，对钢管进行一次检测[1]。该机组能提高大口径直缝钢管几何精度、钢管强度、增加钢管安全性、延长钢管使用寿命。2006年之前，我国钢管扩径机组全部依赖进口。

1 钢管扩径机组机械设备配置及功能

钢管扩径机组由扩径机主机和辅机共七台套设备组成，基本配置和功能如下。

（1）进、出料钢管横移车。包括进料钢管横移车和出料钢管横移车。进料钢管横移车完成将钢管送入钢管前冲洗工位，待前冲洗完成后将钢管送入扩径工位。出料横移车完成将扩径后的钢管运出扩径工位，送到钢管后冲洗工位，待后冲洗完成后，将钢管送到下道工序。

（2）扩径机主机。包括扩径机快速复合动力油缸、扩径机拉杆、扩径头等部件组成。

①快速复合动力油缸。该油缸是扩径机的关键部件之一。由于钢管扩径过程分为整圆、扩胀成形、卸载回弹3 个阶段，因此要求扩径速度快、时间短，为此设计了快速复合动力油缸，将油缸工作划分为快速进给、快速扩径、缓冲卸压、快速返程四个冲程。

②扩径头。扩径机扩径头涉及到扩径头摩擦副材质选配，扩径过程中锥体与模块之间摩擦副材料选用以及热处理工艺等关键技术。

③扩径机拉杆。扩径机拉杆是扩径机快速复合动力油缸与扩径头之间传递动力的关键部件, 拉杆最小直径覬310mm，长度15m。

④扩径头、扩径机拉杆润滑系统。扩径头锥体与扇形块之间相互滑动面及扇形块垂直滑动面在工作行程承受很高的压强,因此必须实行主动润滑, 润滑剂为亲水型扩径机油,以便可用水清洗[2]。由于扩径头承受力大，抗胶合能力差，对水基润滑油的抗胶合能力、抗磨损力要求很高，因此，对自动润滑控制系统设计要求较高。

（3）校直机系统。钢管在扩径过程中利用五辊校直系统对钢管进行校直，提高扩径后钢管直线度。

（4）托辊系统。由固定托杆辊、固定拖头辊、摆动托杆辊、摆动拖头辊、钢管旋转辊、钢管送料辊等部件组成。主要完成扩径拉杆、扩径头不扩径时的固定支撑与扩径时的摆动避让，钢管焊缝12 点位置的旋转找正，钢管扩径时的辅助送料。

（5）钢管送进车系统。包括夹钳升降伺服系统，钢管送料系统。钢管扩径时的定长步进送料，钢管扩径完成后的快速返回均由钢管送进车完成。在钢管扩径过程中夹钳伺服系统配合校直机系统、自动步进升降，完成钢管校直。

（6）前、后冲洗系统。由乳化液冲洗、扩径头冲洗、清水冲洗等系统组成。前冲洗系统完成钢管内壁清洗，保证钢管内无焊渣、焊剂、氧化皮等杂物，保证钢管扩径头安全；清水冲洗系统将扩径过程中附着在钢管内壁的水基润滑油进行冲洗；扩径头冲洗系统冲洗扩径头模片表面各种残留物，确保扩径头使用安全和寿命。图1 给出了扩径机主机和辅机共七台套机械设备配置。

图1 钢管扩径机组机械系统设备配置图

2 钢管扩径机组自动控制软硬系统

钢管扩径机组完成钢管扩径的全过程自动控制。包括钢管定长步进送进；快速复合动力油缸速度和位置电液比例控制，扩径力电液比例压力控制；扩径机组机械参数、工作参数设定；当前加工工序、工艺流程、故障实时监控。

（1）钢管扩径机组自动控制系统规划。规划为一个主操作台从站；一个夹钳送进车从站柜；一个进料横移车从站箱；一个校直机从站柜；一个后冲洗从站柜；一个扩径头电液比例控制从站柜；一个油泵控制、油箱控制从站柜；一个横移车及前冲洗从站柜；一个出料横移车从站箱；一个主站控制柜；一个校直机从站柜。每个柜（箱）内配置有不同功能的CC-Link从站模块。图2 给出了钢管扩径机组自动控制系统主/从站柜（箱）站地址以及模块名称。

（2）快速复合动力油缸控制需要大流量、大通径电液比例控制，实现复合动力油缸四个冲程运行中系统快速响应稳定运行，完成油缸位置、速度半闭环控制。

①控制系统组成。油缸速度和位置反馈传感器，通过挂接在CC-Link 总线的高速计数模块（8#～11#从站），将油缸位置和速度信号反馈给Q02H-CPU，由Q02H-CPU 计算出油缸实时控制值，通过挂接在CC-Link 总线的模拟量输出模块（6# 从站），控制比例方向阀的开度和方向，电液比例方向阀控制油缸运行，组成速度、位置闭环电液比例控制系统。

图2 钢管扩径机机组自动控制系统拓扑图

②工作原理。高速计数模块（8#～11#从站）的两个通道CH1 和CH2 中，快速复合动力油缸使用CH2通道。计数器控制字定义为“304H”,即计数器模式为非掉电保持型，周期计数模式，两相输入四倍频。该计数器完成：参考点修正，目标值与当前值比较计算，发出电液比例系统快速、慢速、停止控制信号。

③D/A 转换模块（6# 从站）初始化与控制字的设置采用Gx Developer 编程软件设置网络和自动刷新模块参数。打开该编程软件，进入“网络参数”选项，打开“远程设备站初始化设定”，进行初始化设定，D/A 模块控制字设定为“0000H”，即D/A 模块的CH1 和CH2 通道输出信号为正负0～10 伏电压信号，数字量转换范围0～4095。

图3 钢管扩径机组PLC-MES 接口-MES系统数据库链接图

（3）钢管扩径机组自动控制软件系统。钢管扩径机组软件系统设计出符合钢管扩径工艺流程要求程序。程序结构的好坏直接影响到扩径机组工艺流程的顺畅、程序的编程效率、通用性、可靠性、可读性、可维修性以及程序编制的工作量[3]。扩径机组工艺流程主要以顺序工作为主，因此软件设计采用SFC（Sequential Function Chart）顺序控制语言。

钢管扩径机组SFC 软件功能模块分为高速计数模块、D/A（数/模）转换模块、A/D（模/数）转换模块、变频器远程设备站、HMI 人机界面链接模块、扩径机专用快速缓冲复合动力油缸压力、速度、位置计算方法模块、比例方向阀、比例压力阀控制模块等。

3 钢管扩径机组MES系统接口

MES（Manufacturing Execution System）是一种部署在企业生产车间的信息和通讯系统，可用在车间现场实时收集生产数据，当发生事件时提供实时反馈，根据当前数据进行指导和处理[4]。

（1）采用三菱MES 接口模块，可以直接把PLC内部数据采集并传送到数据库。将钢管扩径机工作状态信息、扩径工艺的实时分析和管理，建立一个可视化管理系统。通过管理钢管扩径机锥体和模片的使用次数，根据钢管扩径机历史数据来预测其使用寿命，实现模片有计划的更换和保养。将钢管扩径机内部控制参数，工艺参数等信息实时上传，为大口径直缝钢管生产线MES系统提供“管控一体化”交互式基础数据,实现钢管扩径机组与车间级MES系统的无缝链接。图3 给出了基础数据从钢管扩径机组PLC 到MES 接口再到车间MES系统数据库的链接过程。

（2）PLC-MES 接口-MES系统数据库数据链接过程如下：①标签功能。将网络上的各可编程控制器CPU 软元件数据，以标签为单位进行数据采集。②触发监视功能。监视标签的值，在触发条件成立时启动触发缓冲功能。触发条件由数值监视、时间循环监视和握手信号组成。③触发缓冲功能。在触发条件成立时，将数据缓冲到MES 接口的内存中，为缓冲数据执行（数据运算和数据发送）作准备。④SQL 文发送功能。MES 接口自动生产的SQL 文（Structured Query Language 结构化查询语言）和数据库进行通讯的功能。选择（select）功能通过将SQL 文发送到数据库，将数据库的值写入到标签要素，储存到临时变量中，为以后在其它动作中作为变量使用。更新（update）和插入（insert）功能，将标签要素的值和临时变量的值嵌入到QSL 文中，将值写入到数据库中。⑤运算处理功能。对标签要素值进行运算，运算结果带入标签要素或临时变量中。⑥程序执行功能。在作业活动执行之前和作业执行之后，执行应用程序，实现精确的信息链接。⑦DB（Data Base 数据库）链接功能。在网络断开的情况下，将未发送的SQL 文缓冲到MES 接口的存储卡中，待网络恢复后再将SQL 文发送到数据库中，保证数据安全、可靠。