一种新型无缝管脱脂线的工艺及自动控制流程

沈斌杰

(浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州313008)

一种新型无缝管脱脂线的工艺及自动控制流程

沈斌杰

(浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州313008)

介绍了新型无缝管在线脱脂线的工艺自动化控制流程。该脱脂生产线采用全自动化生产模式，大幅度降低人工工时，摒弃传统不锈钢的酸洗工艺，与传统工艺相比，提高了生产率，在一定程度上改善了钢管过度腐蚀的问题，并大幅降低了对环境的危害，满足了工业自动化的要求。脱脂装置采用外脱脂和内脱脂相结合的方式，分别由300PLC和200PLC全线控制，界面清晰、操作简单，维护方便，对钢管脱脂线的规划和自动化设计具有一定的借鉴作用。

在线脱脂；DP通讯；传感器；二维码打标

0 前言

伴随着社会工业自动化的不断推进，无缝管生产工艺也不断进行着更新，钢管生产中的传统酸洗工艺由于劳动强度高，环境污染严重等原因慢慢被新型的脱脂工艺所取代，自动化的脱脂生产线正是未来无缝管生产工艺中的重头戏。它具有污染大幅降低，设备自动化取代人工程度高，规模化，产业化，机动性高，更便于流水线式的工艺流程。且设备采用工控主流西门子300PLC控制具有可靠性高、便于后期维护及运行稳定性好等优点。

1 在线脱脂工艺流程

1.1 在线钢管外表面清洗工艺

钢管外表面脱脂采用在线进行，由前道变形设备送出的钢管进入在线外脱脂喷淋机构中心进行脱脂环洗、旋转环刷、脱脂环洗，后经压缩空气风刀吹干，二维码打标，再由外脱脂机后道夹送机构把钢管送入齐料V型辊道。 钢管由轧机以2 m/min速度和31°～57°的旋转角度进入钢管外表面脱脂线。进入脱脂设备前在钢管前端用软塞塞住后，进入在线外脱脂喷淋机构中心(钢管起初前进动力由前道设备出口机提供，钢管轧制结束后，由轧机给外脱脂设备发送完成信号，后由外脱脂夹送机构夹送) 。如图1所示，脱脂液在一定的温度(60～75 ℃)和压力(0.3～0.5 MPa)进行360°脱脂环洗、旋转360°环刷、360°脱脂环洗，经过四次环洗和一次旋转环刷后，经风刀吹干，由夹送机构将钢管在V型辊道送至齐平一端，并由拔料机构将单根钢管拔至自动打标机构打标工位，对钢管齐平一端进行自动径向打标码，如图2所示；钢管在储料斜台架上存储(斜台架带气缸振动装置)，后由分料拨料机构将储料斜台架上的钢管单支拨入外表面清洗设备前的V型辊道，再由四轮四驱夹送装置输送进入外表面清洗工序。

图1 外脱脂箱示意图

钢管外表面清洗采用在线进行，钢管进入在线外表面清洗喷淋机构中心进行热水环洗、旋转环刷、热水环洗，热风风刀干燥，再由夹送机构把钢管送入下一工序钢管头尾端自动锯切倒棱。

图2 打标示意图

完成打标后, 钢管由夹送机构以20～30 m/min速度进入钢管外表面清洗喷淋机构中心进行清洗。热水在温度60～75℃和压力0.3～0.5 MPa进行360°热水环洗、旋转360°环刷、360°热水环洗，经过四次环洗和一次旋转环刷后，后经进入风刀干燥室，经带蒸汽U型管360o热风风刀吹干，进入下道工序。

1.2 内表面脱脂工艺

该工艺道次主要功能是去除轧制完成后钢管内表面的油污，保证钢管内表清洁。

当管架上接近开关检测到某个工位的钢管存在时，引导机从停车位(停车位根据同批次最长钢管的长度设定)起动，向钢管方向前进。引导机上安装的红外高清视觉捕捉摄像头，主要根据钢管外壁镜面反射程度对下方物体进行探测(如图3)。并根据来料规格设定检测范围，检测到钢管后，把管头位置信息反馈给PLC，由PLC根据计算出的管头所在位置，指示机构向钢管运动。然后根据PLC计算出的位置停下，伸出抓手抓住钢管，然后将喷嘴套入钢管端部，自动密封后开动液体电磁阀冲洗管腔。每次冲洗后，都自动用压缩空气吹扫管腔。吹气结束这时钢管自动向前一工位拨位，同时翻料机构又将下一支钢管运送上来。每一根钢管都经过3道脱脂液加一道清水和最后一道打棉球后由输送辊道运送到下道工序。

图3 内脱脂抓管原理图

2 控制系统硬件

2.1 控制系统硬件设计

如图4所示, 外脱脂控制系统主要由PLC300、变频器、变频电机、传感器、气缸、电磁阀、ET200等组成。

图4 控制系统硬件组成

2.1.1 PLC的选型和主要控制方式

通过分析脱脂线的工艺流程,可以归纳出系

统对信号的处理集中为数字量的处理和伺服的控制。系统需要处理输入/输出点160多个，PLC要驱动12个气缸、5个伺服电机，根据系统的功能需求(控制系统信号的数量)和便于后期优化的需要，采用西门子PLC315-2DP/PN。该CPU具有较强的数字运算和处理能力，且兼DP通讯功能和TCP/IP以太网通讯功能，能较好的对系统进行控制和监控。前道变形工序发出完成信号后，CPU经过内部处理，然后通过对变频器的控制来驱动变频电机，同时气阀夹紧，把钢管往外脱脂箱送。PLC通过传感器反馈的信号判断钢管的实际位置，控制气阀的夹紧和变频电机的驱动。PLC的高速脉冲输出点控制夹送辊变频电机的高频段输出。PLC的I/O表如表1所示。

表1 主要I/O点概要

2.1.2 钢管的打标

外脱脂结束，钢管由输送辊道进入齐头打标工位。当钢管到达打标机前传感器(脉冲上升沿)，系统把钢管的位置信号通过I/O点的形式发送给打标机，打标机接收到来料信息后，提示操作人员将钢管信息在上位机上录入并由系统自动匹配生成二维码，打标就绪。钢管继续前进，进入打标，此时打标机将正在打标的状态信息发送给PLC300，上位机显示“钢管正在打标”。约60S当打标完成以后，打标机将完成信息反馈给PLC300，气阀再次夹紧，夹送辊反转，钢管离开打标机。当打标机前传感器下降沿信号触发，夹送辊停止，气阀打开，等待翻料机构翻料。翻料机构将钢管翻上待料平台，待料台传感器信号触发，振动气缸小幅度振动，使钢管平稳滚到待料台最下方挡板，PLC计数。待料架储存钢管数量由上位机画面设定，当钢管支数等于设定值时，挡板下降使一根钢管掉落进下方V型输送辊后，挡板升起。当钢管进入内脱脂后继续上料。

2.1.3 内脱脂上料

关于内脱脂的上料。钢管在上内脱脂之前，需要在两头切头切尾并倒棱(在输送辊道两端各有一台锯切倒棱机)。原理与打标相似。当钢管尾部切头倒棱完成以后，钢管离开锯切倒棱机，锯切机发送完成信号给PLC300。管尾离开锯切倒棱前传感器时，PLC作出指令，气阀打开，夹送辊停止，等待翻料，进入内脱脂工序。内脱脂分为5个工位，前3个位脱脂液，第4道为清水，第5道为打棉球。每根钢管经过5道工位后，内脱脂完成，翻料进输送辊道，进入下道工序。具体为：当钢管锯切倒棱完成，在等待翻料位，PLC300把钢管位置信息通过DP通讯的方式发送给内脱脂控制中枢(200PLC)。每个工位的自动抓管机构主要靠可定位伺服系统和高清视觉捕捉器。200PLC的高速输出模块，通过输出高速脉冲对伺服驱动器进行控制可以控制5个伺服，脉冲的频率、脉冲数及加减速时间可以改变伺服电机的速度和位置。

O2D视觉定位系统。O2D高清视觉定位捕捉器是一种半导体材料，O2D上由许多并排排列整齐的电容，能够感应光线，并把捕捉到的影响信息，经过处理(如曝光程度，范围等)转换成数字信号。O2D上植入的微小的光敏物质称作像素(Pixel)。O2D上包含的像素越多，其捕捉到的画面分辨率也越高。作为光电转换式图像传感器，以其灵敏度高、体积小、分辨率高和采样速度快等特点，成为现代电子学和现代测试工业中比较活跃的传感器。调试软件相对简单，安装好软件后，可通过TCP/IP接口与PC电脑接连。配置PC电脑IP为192.168.0.XX(0～255)，子网掩码255.255.255.0配置好后与传感器连接，可根据钢管的不同规格，对曝光程度、检测范围、反射面等参数进行调节。

2.2 监控系统

根据系统对人机界面的功能要求，选择研华工控机和西门子HMI触摸屏。此人机界面能与PLC进行实时通讯，显示系统寄存器状态和实时数据，对物料所在状态有全方位的定位跟踪。并具有报警列表功能，实时显示当前报警信息。

2.3 伺服控制系统

伺服系统要求采用直线滑块高精度螺旋丝杆及伺服马达，确保重复精度0.1mm。所以选择台达ASD-B2-0721伺服驱动器和配套伺服电机。伺服驱动器工作在位置控制模式时，速度和位置取决于接收到的高速脉冲的个数和频率，脉冲的个数决定伺服电机转过的角度，脉冲的频率决定伺服电机的转速。伺服驱动器采用位置控制模式，通过自带的CN1端口与PLC连接，接收PLC输出使能信号，高速脉冲和方向指令， 同时向PLC输入伺服驱动器状态，CN2端口与伺服电机光电编码器相连获得伺服电机实时位置。满足系统的精度要求。

3 控制系统软件

(1)控制系统的软件主要由外脱脂PLC300程序、内脱脂PLC200程序和WinCC人机界面三部分组成。

(2)PLC300程序主要包括自动程序块、手动程序、打标通讯程序块、锯切倒棱通讯程序块等。主程序是自动程序块和手动程序块，这两个程序是核心，负责各功能块的调用和对各信息的处理反馈，与HMI及内脱PLC200部分的通讯。

(3) PLC200程序主要包括主程序、上料通讯程序、与外脱脂通讯程序块、伺服控制块、自动找管子程序等。主程序主要对内脱脂状态的监测和对各子程序的调用，并通过PLC300与HMI通讯。

(4)人机界面系统。主要功能包括来料参数设置界面、系统参数设置界面、伺服参数设置界面、I/O状态监控界面、当前报警界面、历史报警查询界面、手动/检修界面等。编程软件采用STEP7-300软件编写、组态软件使用IFIX，工控机通过TIP/IP接口与PLC直接连接实现实时通讯。

4 钢管脱脂设备控制流程(图5)

图5 钢管脱脂控制流程总图

5 现场调试

根据设计要求，因为该生产线涉及上道工序和下道工序的衔接，该生产线系统及控制系统安装完毕以后，进行了自身控制系统的调试及上、下料工序的全面联调。由于在前期设计规划时进行了比较详细的攻关和研究，因此联调的过程比较顺利，调试的方法采用模拟正常生产模式，即试生产。经过对生产操作人员的简单培训和相关数据分析，整个在线脱脂生产线工作正常，调试结果满意。按照企业的初步统计， 目前该生产线的运行状况相比过去的传统酸洗和离线脱脂，工作效率有所提高，大幅降低了对环境的危害，可循环利用程度高，如图6所示。经过后期的不断运行，该生产线的效率还会有一定的提高潜力，当然还会有其他细节方面的后续改善。

图6 主要数据对比

6 结束语

经过后续该控制系统经过实验仿真、现场调试、及正式交付使用，到目前为止，其工作稳定、可靠，完全达到了设计目标。同时也验证了在强干扰环境下，所设计的硬件及软件完全可以稳定工作。设备已成功用于实际生产。经过运行观察，系统运行稳定，同时具有人机界面友好、维护方便、系统操作简便，对工人零要求，并方便企业查询数据，成本投入低的优点。该生产线的成功运用对无缝管的去油工艺具有较好的推广价值。

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专利介绍

一种双金属复合管高压液胀机出料系统(CN103286238A)

本发明的目的是克服现有的双金属复合管高压液胀机出料系统机械结构复杂，出料过程协调性差，控制精度低，出料系统不仅造价成本高，而且生产过程维护极为不便的问题。

本发明提供的双金属复合管高压液胀机出料系统，包括左胀型模具、翻料臂、右胀型模具、长轴、固定顶杆和液压缸；左胀型模具和右胀型模具的右端安装在长轴上；翻料臂为与左胀型模具的内表面半径相同的弯曲臂，设置在该左胀型模具的端面，该翻料臂的左端顶部与该端面铰接；液压缸置于左胀型模具的左侧，其端盖与地面铰接，其活塞杆的顶部与左胀型模具的底面的左侧铰接；固定顶杆固定在该端面前并置于翻料臂的左侧下方与液压缸之间，当左胀型模具在液压缸的驱动下向左下翻转过程中顶推住翻料臂。该出料装置结构简单，稳定性好，便于控制，易于维护。

本发明提供的双金属复合管高压液胀机出料系统采用翻料臂和左胀形模具一体化设计，翻料臂无需单独的驱动装置，能够随着翻胀形模具的升降自动进行翻料，翻料臂端部为与胀形模具半径相同的环状，使得在将钢管从胀形模具中翻出的过程中减小了对钢管的冲击碰撞。结构简单，稳定性好，便于控制，易于维护。

Automatic technology control process of a new-type seamless pipes

SHEN Bin-jie

(Zhejiang Jiuli Hi-Tech Metals Co., Ltd., Huzhou 313008, China)

Described in the article is the automatic technology control processing of the on-line degreasing line for the new-type seamless pipes. The degreasing production line is adopted automatic production mode, greatly reducing the labor hours, abandoning the traditional stainless steel pickling process, improving the steel excessive corrosion problem to a certain extent, and largely reducing the impact on the environment, which meets the requirements of industrial automation. The device is combined with the external and internal degreasing, controlled by the 300PLC and 200PLC for the full-degreasing line with the characteristics of clear interface, with simple operation and convenient maintenance, which has a certain reference value for the construction planning of the present pipes degreasing-lines and automation design.

online degreasing；DP communication； sensor；two-dimensional code marking

2016-11-16；

2016-12-09

沈斌杰(1987- )，男，助理工程师，从事设备电气技术管理工作

TP393

A

1001-196X(2017)03-0017-06