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寶鋼HFW焊管線自動控制系統
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寶鋼HFW焊管線自動控制系統
寶鋼分公司 王兆聚
摘 要：介紹了寶鋼中口徑高頻焊管生產線(HFW)自動控制系統硬件組成和主要控制思想，結合工藝設備較詳細地描述了這條線各大部分的控制特點。分制造執行級MES和基礎自動化級兩部分闡述控制功能，MES方面著重介紹快速設備系統和焊接質量保證系統；基礎自動化部分重點介紹輥縫位置直控制、鋼卷對接焊縫跟蹤、順序控制、主傳動速度控制及銑邊機、飛鋸、高頻焊機、焊接熱處理等單體設備的控制功能。該系統于2005年10月投入使用，運行穩定可靠。
關鍵詞：焊管；自動控制；焊縫跟蹤；快速設定系統
0 前 言
寶鋼鋼管廠書610 HFW機組由焊管、精整、套管和熱處理4條生產線組成。焊管線主要工藝設備從德國SMS—MEER公司引進，其中焊機和在線焊縫熱處理設備由挪威EFD公司生產。小610HFW機組設計年產量30萬t。產品規格為外徑219．1～609．6 mm，壁厚4．0～20．0 mm，最大長度18．0 m。可生產X42～X80鋼級的海上、陸地用管線管，J55～P110鋼級的焊接套管，以及各類結構圓管、方矩形管。這條生產線是目前世界上較為先進的生產線，已于2005年10月投產。本文結合工藝設備介紹寶鋼HFW焊管線自動控制系統。
1 焊管線工藝設備概況
HFW焊管線按主要工藝流程分為準備段、成型焊接定徑段和分段鋸切段。準備段工藝設備包括：開卷機、矯平機、剪切對焊機、活套和銑邊機；成型焊接定徑段工藝設備包括：粗成型機、線成型機、精成型機、高頻焊機、去內外毛刺設備、探傷設備、焊縫熱處理設備、定徑機；分段鋸切段工藝設備包括：飛鋸、噴號設備、鋸后輸送設備。
2 控制系統硬件組成
按設備控制范圍和功能劃分，HFW工廠自動化系統可以分成3個層次：制造執行級MES(Manufacturing Execution System)、基礎自動化級(L1)和設備傳動與檢測級(L0)。
MES設備配置采用典型的服務器(Setver)／客戶端(client)結構。配置有1臺信息數據庫計算機、2臺數據服務器、3臺自動化對象服務器、數據訪問服務器及多臺現場數據顯示收集終端等。焊管線單獨配置1臺PC用于快速設定系統和1臺焊機熱處理數據采集機。
基礎自動化級設備PLC、操作界面PC機及OP等全線以西門子產品為主。PLC主要包括3套S7—400和6套S7－300；操作界面(HMI)設備包括3臺西門子的PC機，5只OP7，3只OP270，2只標準數控操作箱。
傳動系統采用西門子6SE71系列全數字交流變頻傳動產品，主傳動和輔助傳動均采用直流母線帶多臺逆變器結構。主傳動包括3臺整流單元和23臺逆變器；輔助傳動包括5臺整流單元和68只逆變器，采用V／F、控制。高頻焊機和中頻熱處理采用挪威EFD公司的設備。焊管線調整設備位置調整精度要求高，采用位置閉環控制，整條線配備了絕對值編碼器用于位置或角度檢測。
整條焊管線PLC與MES、操作PC、快速設定PC之間均采用標準工業以太網通訊，PLC與傳動設備及檢測設備間采用網絡通訊連接，減少電纜量和設備故障。
3 主要控制功能
3．1 MES
MES主要功能是接收上級計算機下達的生產計劃，轉化成實際的產品制造計劃和設備控制參數，并控制實際生產過程，完成生產線調度、物料跟蹤和生產數據采集等功能，實現產品從生產計劃到成品產出全過程管理與控制。在焊管線，MES從L1收集的主要數據包括：擠壓力，焊接速度，高頻焊接頻率、功率和溫度，焊接溫度異常區域，在線超聲波檢測到的缺陷，焊縫熱處理溫度，熱處理溫度異常區域，單根管號和管長，設備故障報警信息和停機信息等。
3．1．1 QS(快速設定系統)
QS是MES的重要內容。QS是一套用于焊管線的計算機控制快速換輥調整設定系統，操作系統使用Windows XP，使用Microsoft－Access編程。通過使用快速設定，可以減少更換產品規格時調整生產設備的時間，其目標是無過程控制。QS的功能包括產品選擇、軋輥選擇、各軋輥位置數據設定等所有任務。
快速設定系統的數據庫主要包括3 方面內容，分別是產品數據庫、軋輥數據庫和軋輥位置設定數據庫。這套系統不是獨立的，與基礎自動化L1相連接，既向L1發送設定數據，又從L1收集各產品規格實際生產調整的相關輥縫位置值，對優化的調整設定參數進行繼承，作為下次生產的最新設定值。有權限的生產技術人員根據產品檢驗結果判定當前設置是否最優化，并選擇是否覆蓋原有數據。
在改變產品規格時，通過比較當前所生產規格與即將生產規格，根據橫焊縫跟蹤信息，快速設定PC自動向PLC發送軋輥直徑、輸送角、力矩、相關軋輥位置設定值、焊接功率參考值、熱處理溫度設定值等。
產品數據庫根據最終直徑、壁厚和材料屈服強度自由結合選擇建立。設定位置以存儲在PC機里軋輥使用表為基礎建立，根據每種產品在軋輥使用表中直徑所確定的位置數據庫來管理。軋輥管理數據庫包含幾何形狀、使用位置、壽命和其當前位置等所有信息。高頻焊機和中頻熱處理所用的產品依賴的設定值也保存在快速設定數據庫中。
3．1．2焊機和焊縫熱處理的質量跟蹤
焊機和熱處理在HFW焊管線中是關鍵工藝設備，其工藝過程數據的積累非常重要。根據設備提供的焊接質量跟蹤系統，可以適時以曲線形式顯示當前的焊接功率、焊接溫度、生產速度、各段熱處理的功率溫度，將歷史數據存人數據庫中，供生產工藝人員進行工藝分析和設備人員進行設備狀態分析。
3．2基礎自動化控制功能
HFW焊管線基礎自動化控制功能主要包括：自動順序控制、料流跟蹤、焊縫位置跟蹤、鋼卷對中控制、開卷機張力控制、活套充套量控制、主傳動速度控制、軋輥位置控制、銑邊控制、焊接功率控制、熱處理溫度控制和飛鋸控制等。
3．2．1 自動順序控制
焊管線自動順序控制主要包括鋼卷自動上料控制、鋼卷直徑計算、剩余長度計算開卷控制、鋼卷頭部和尾部控制、對中控制、自動充套控制、焊縫位置觸發、自動換輥順序和自動位置調整等。
3．2．2料流跟蹤
焊管線料流跟蹤在基礎自動化L1級實現，料流跟蹤信息被發送至MES。所跟蹤的主要內容包括：鋼卷信息、銑邊后鋼帶邊部探傷信息和全板探傷信息、高頻焊機和中頻熱處理信息、焊縫在線探傷信息、飛鋸分段后鋼管信息和鋼卷對接焊縫所在位置。下面重點介紹鋼卷對接焊縫跟蹤。
銑邊機前設置一對光柵檢測鋼卷對接焊縫，光柵安裝位置作為焊縫跟蹤起始點，此點至飛鋸基準位的距離是固定值L，由于每卷鋼卷的長度不同，有些鋼卷長度可能小于L，故在程序中需要設置兩個鋼卷焊縫位置跟蹤器，當第一個跟蹤器占用時，用第二跟蹤器，當橫焊縫出飛鋸后復位。
橫焊縫位置跟蹤的主要作用有3方面：一是用于優化切割，二是換規格自動停機控制，三是壁厚或鋼級改變時的自動控制。采用優化切割可提高產品收得率；采用換規格自動停機控制可提高自動化水平并減少廢品；壁厚或鋼級改變時的自動控制包括速度自動轉換和位置自動調整，這樣可不停機換規格，減少停機時間和提高產品收得率。
3．2．3軋輥輥縫位置和輔助調整輥位置控制
在HFW焊管線，完整的軋輥位置控制系統包括：設定、電氣傳動、PLC、齒輪電機、機械機構等，自動設定值來自快速設定系統，手動設定值及生產過程中的微調由操作工在機旁OP上設定，精確定位部分采用變頻傳動控制，定位精度要求不太高部分采用接觸器控制，在PLC程序調用標準程序塊。
采用絕對值編碼器檢測軋輥及調整輥位置，初次調試或更換新編碼器后，在OP上將測定值輸人編碼器初始化，在編碼器失電時，實際位置值保持，不需重新校準。
各輥位置設定值包括：最大位、最小位、工作位、等待位、減速點等。程序中設置消除機械絲桿間隙功能，保證調整精度。各位置控制均調用標準模塊，減少程序對PLC內存的占用，方便維護人員故障處理。
PLC與用于位置控制的變頻器之間采用。Profibus通訊交換數據，通訊內容主要有控制字和狀態字。控制字包括：接通準備、運轉命令、正反轉指令、速度設定值和限幅等；狀態字主要包括：開關狀態、故障報警、實際值信息等，其速度控制采用VIF控制。
HFW焊管線的位置調整分為生產狀態下動態調整和換輥后的非生產狀態下調整。對于不改變鋼管外徑而只改變鋼管壁厚或鋼級的情況，采用邊生產邊自動調整的方式，這種情況下的位置調整需要橫焊縫跟蹤信息，對鋼級變強或變弱以及壁厚變厚或變薄的不同情況，位置調整行程以及調整開始時刻是不同的；對于改變鋼管外徑的情況，全線要停止生產更換軋輥，此時采用自動停機快速換輥模式，不采用動態自動調整位置方式。
3．2．4主傳動速度控制
焊管線生產速度決定于所生產鋼管規格，鋼管壁越厚，允許的最大生產速度越低。速度設定可采用快速設定系統給出的指導速度，也可由操作人員在允許范圍內手動設定。所設定速度是Break－Down速度，其他各傳動速度均以此為基準。Break—Down速度傳送至準備段PLC，作為自動充套基準速度；準備段活套量計算或檢測出料空時，成型段的速度設定自動變零。
準備段速度(充套速度)以矯平機速度為基準，其他傳動的速度在此基準上修正。在自動條件下，矯平機轉速與活套內帶鋼量、焊管線適時速度、鋼卷剩余長度有關。當新一卷鋼卷剪切對接完成，自動接通對活套進行充套。當焊接段正在生產而活套內料未接近滿時，充套速度是焊接段速度的倍數，此倍數可由操作人員設定，最大不超過2．5；當充套接近滿時，充套速度與焊接段速度相同；當焊接段不在生產狀態時，以固定的速度充套；充套滿時準備段速度設定變為零。活套內料空和料滿均有檢測和計算兩套保護。當鋼卷剩余量少于設定值時啟動尾部自動程序。
主傳動與基礎自動化PLC間通過Profibus通訊交換數據。開卷機主傳動采用張力控制，其他如：矯平機、夾送輥、精成型和定徑機等均采用速度閉環控制，速度設定、速度限幅和力矩限幅值等均在PLC，通過通訊送至變頻器。
3．2．5銑邊機
銑邊機兩個刀盤由1臺變頻電機驅動，采用速度閉環控制。刀盤驅動電機轉速與鋼帶參數、銑切量及焊管線生產速度有關。刀盤位置由比例控制油缸帶有位移傳感器控制，在人口側安裝的位移傳感器檢測鋼帶邊緣變化，并通過跟蹤油缸適時跟蹤鋼帶變化而自動調整刀盤進刀位置。
3．2．6高頻焊機
高頻焊機的控制分：手動功率控制、自動功率控制和自動溫度控制3種方式。自動功率控制根據成型段PLC發送來的實際生產速度及鋼管規格自動計算設定和調整焊接功率；自動溫度控制是功率控制與溫度閉環控制的組合，以功率控制為主，溫度控制占20％，采用溫度閉環控制方式時，焊接點的溫度檢測準確與否是關鍵因素，由于焊接點的環境原因，溫度檢測準確度比較難達到，故采用溫度閉環控制比較困難。
3．2．7中頻熱處理
中頻熱處理采用溫度閉環控制，在開始加熱階段為了加快加熱速度采用最大功率加熱，當溫度達到設定溫度的80％后溫度閉環控制投入。中頻熱處理共分成兩段，每段3臺加熱器，兩段之間是水冷淬火，共6臺加熱器可以根據工藝需要組合使用。在高頻焊機后設置焊縫位置噴漆設備，與焊縫位置90。方向噴連續的焊縫標記線，在每段熱處理的中間位置設置圖像識別儀，中頻加熱線圈根據焊縫的變化自動調整位置，保證焊縫熱處理加熱到焊縫位置。
3．2．8銑切式飛鋸
飛鋸前設置一測速輪，用于飛鋸小車的速度控制和鋼管長度的測量計算，飛鋸根據MES發送的長度信息鋸切鋼管。飛鋸的控制主要包括小車位置控制、小車速度控制、小車與焊管線生產速度同步控制、優化切割、取樣控制、刀片主軸速度控制、刀片行走軌跡設定、刀片行走位置控制等。
4 結 語
HFW焊管線基礎自動化控制設備與被控對象就近安裝，大量采用遠程I／O及Profibus通訊方式，既減少了電纜量，又減少了設備故障。結合鋼卷對接焊縫自動跟蹤功能使用快速設定系統，對提高產品收得率和減少換規格時間效果明顯。傳動系統采用整流器帶多個逆變器結構，沒備投資省，有節能效果。程序中采用標準模塊方式，實現同類設備相同的標準化編程，節省PLC內存資源，便于使用、維護人員理解程序。采用自動焊機功率控制和焊縫熱處理自動溫度控制，操作簡單，生產質量穩定。寶鋼HFW焊管生產線(原稱ERW)于2005年10月順利投產，生產情況良好，自動化程度高，自動控制系統運行穩定。
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