不锈钢焊管生产线自动化控制系统

概述了不锈钢焊管生产线自动化控制系统，介绍了系统的主要功能与控制设备。在实际应用中，这一控制系统体现了技术先进性、适用性与可靠性，确保了整条生产线的安全稳定运行，应用效果良好。

北钢管业（营口）有限公司新建了1626mm直缝双面埋弧不锈钢焊管（JCOE）生产线，设计年产直径406~1626mm大口径不锈钢焊管（LSAW）25万t，产品品种为管线管、结构管、流体管。控制系统由中冶京诚工程技术有限公司设计制造，主要控制钢板上料装置、钢板输送平辊道、钢板对中装置、不锈钢焊管输送V形辊道、钢管纵横向输送小车、中间存放台架、板面清扫装置、内外焊缝清理装置、光电检测装置和液压润滑系统等。

1控制系统概述

自动化控制系统采用成熟、可靠、先进、实用的控制技术和设备，硬件设计时，在确保设备完整性、可靠性、先进性的同时，兼顾操作方便、维护简单。硬件设备选型尽可能统一品牌、型号，以降低硬件设备的备品备件数量。软件设计方面，以标准化、模块化、参数化为原则，保证控制系统控制算法精良、功能丰富、可靠性高和自动化程度高。

电控系统由两级自动化系统、数据采集系统构成，通过两类通信网络连接，组成并行运算、集中管理、分散控制、资源共享的分布式计算机控制系统。以西门子ST系列可编程序控制器（PLC）为核心，以标准化、模块化的控制软件包为前提，针对PROFIBUS-DP协议网络通信全数字变频装置进行设计。控制系统与传动系统之间完全通过网络交换信息，构成全数字化控制系统。控制信息和系统状态信息通过以太网和输入输出PROFINET或PROFIBUS协议网络进行交换，由人机界面（HMI）计算机和通信网络构成全厂监控系统。

先进硬件与可靠控制软件的组合，使系统具有如下主要特点。

（1）先进的传动及控制性能，在硬件上保证了系统的可靠性。

（2）独立开发的标准化、模块化、参数化控制软件，自动化程度高，功能全面，选择灵活，软件上保证了系统的可靠性。

（3）完善的HMI系统，画面生动形象，信息丰富。

（4）采用全中文显示，具备在线帮助画面，容易掌握。

2系统主要控制功能描述

2.1系统集成

生产线工艺设备主要由单机设备和运输系统设备组成，单机设备通过运输系统连接在一起。各单机设备均带有独立的电控系统，单机设备自带的液压站由各单机成套控制。运输系统由运输辊道、小车及各区域液压站等设备组成。将所有单机及运输设备无缝集成在一起，实现生产线所需要的控制功能，保持整个系统的完整性。

运输系统可与各个单机分别通信，通信方式根据单机实际情况确定，主要有点对点硬接线、PROFIBUS-DPDP/DP耦合器以及以太网。

2.2小车电气设备与主线供电、通信连接方式

自动引导运输车（通常称小车）上设置独立的中央处理器（CPU）。CPU用作主站，以PROFIBUS协议与车载变频器、编码器通信。CPU用作从站，以PROFINET或PROFIBUS协议与主线CPU通信。液压站及行走传动电机控制中心（MCC）与变频器安装在小车上，小车焊接电气设备可以放置在焊接系统的电气柜中。

小车上电气设备与主线供电、通信连接分为两种方式。

（1）供电和通信均采用拖链硬接线，地面设置接线端子箱，从地面端子箱到小车上电气箱采用拖链软电缆。

（2）供电采用安全滑触线，通信则采用无线方式。

2.3小车定位控制

四轮横移小车如图2所示，用于将钢管横向从输入辊道移送至缓冲、加工工位或输出辊道。小车升降通过液压驱动，横移通过变频电机驱动（焊接纵向小车采用伺服电机）。小车横移定位通过编码器实现，定位误差在±4cm以内。

由于小车定位工位较多，每个定位过程累加之后时间就比较长，因此如能实现快速定位，则能节省较多时间。传动控制采用不带编码器的矢量控制。小车定位采用中冶京诚的专有技术，按照给定波形移动，通过位置增量限幅控制最大移动速度，使位置逐步给定，再根据反馈逐步检查，最后达到精确定位。相比常规定位控制，这一控制方式精度和可靠性高，时间短，很好地解决了稳定性问题。

2.4小车运料控制

小车运料控制以最大程度满足设备工艺生产节奏为原则。小车运料工位用一个状态字来表示，单个小车运料时，采取入口优先或出口优先两种模式。出口优先模式时，运料方向使状态字变小，即向出料方向运料。两个小车联合运料时，对于进管车而言，放管工序控制等级最高，取管工序次之，倒管工序最低；对于出管车而言，取管工序等级最高，放管工序次之，倒管工序最低。可临时改变运料优先策略。

2.5钢管在辊道上的中心定位

不锈钢焊管中心定位通过两个检测元件（PS1、PS2）和一个编码器来完成，PS2同时可用于辊道工位检查，编码器安装在一个非传动的测量辊上，检测元件及测量辊安装在运管小车前的运输辊道之间，如图3所示。

（1）当不锈钢焊管由辊道输送通过测量辊，头部到达检测元件PS2位置时，PLC开始计数。

（2）不锈钢焊管继续前进，当管尾到达PS1位置时，PLC采样当前计数值。

（3）通过上述两步，PLC测出钢管的长度，计算出钢管中心与小车中心线的距离，通过控制变频辊道的运转来实现钢管中心的精确定位。定位精度为±100mm。

2.6物料跟踪

物料跟踪系统采用人工确认跟踪方式，区域内局部自动跟踪，进而实现物料流向控制。

人工确认跟踪时，各单机设备以操作人员确认进行跟踪，运输辊道、小车等运输设备及缓冲区域对钢管原则上不进行识别及跟踪。人工确认跟踪方式实现简单，实用可靠。

2.7HMI功能

操作人员通过HMI与控制系统交换信息，HMI采用全汉字界面显示，提供了方便灵活的选择、设定和监控功能。

HMI主要画面和功能如下。

（1）设定画面。提供生产设备组态、工艺和部分控制参数设定及修改功能。

（2）监控画面。提供传动合分闸、自动控制功能选择等操作功能，提供设备运行状态、电机运行状态、系统设定参数和实际运行参数等显示。

（3）物料跟踪画面。提供不锈钢焊管跟踪信息显示。

（4）诊断画面。提供按区域、设备、信号、层次区分的诊断功能，由不同颜色进行状态标记。

（5）报警画面。提供报警信息的显示、存储与自动打印功能，提供传动故障码在线查询功能。

2.8远程诊断

提供远程诊断及服务功能，功能关系如图4所示。远程诊断的主要优点如下。

实现PLC远程连接，可在线修改程序。

（2）L1、L2工程师站远程协助、实时交流。

（3）基于数据采集系统，实现实时数据采集分析、诊断。

（4）24h在线提供支持服务。

（5）可减少维护人员，降低维护成本，提高维护效率，减少系统故障维护时间。

3系统控制设备

3.1PLC系统配置

选用西门子S7-300系列PLC。该系列PLC的逻辑及算术运算速度快，能满足各种复杂、高速实时控制的要求，且具有很高的可靠性。

该系列PLC的主要特点如下。

（1）运算速度快，在比例积分微分算法和数学函数运算等方面特别突出，尤其适用于生产线自动控制。

（2）各种配套位置控制模块齐全，性能优越。

（3）支持多种网络接口，适合在网络化大系统应用。

（4）编程指令丰富，功能强，使用简单方便。

（5）结构化编程功能强。

全线运输系统分为4个控制区域，分别由单独的PLC完成控制，CPU型号为319-3PN/DP，扫描时间不超过40ms，资源占有率不超过70%。运管小车本体的控制采用ET200SCPU。区域性液压站由单独的PLC控制，随液压系统成套提供。

3.2分布式输入输出系统

采用ET200系列CPU，通过PROFIBUS-DP协议网络与主PLC进行通信。现场设置远程输入输出站，所有现场信号就近进入远程输入输出站内，以减少控制电缆长度。集中操作台操作信号进入台内远程输入输出站，就地操作箱根据需要设置远程输入输出站。

CPU框架及所有输入输出站设计时考虑15%的备用插槽，用于15%的数字量与模拟量输入输出备用信号。

3.3操作台、箱设置原则

（1）在运输系统（运输辊道、小车等）较复杂的单机操作室内设置集中操作台。

（2）在加工、检查、修磨等人工操作工位设置就地操作点。

（3）在原料入口及成品出口处设置就地操作点。

此外，对4组修补工位增加无线操作盒，具体位置以最终设计为准。

3.4HMI系统

包括工程站在内，全线共设置12套HMI系统，配置见表3。其中，上料区HMI可以录入钢板信息，包括炉号、管号、材质、规格、客户信息、生产班组、生产时间等。中央控制室HMI用于对软件开放的单体设备和辅连设备进行监控。

4结论

北钢管业（营口）有限公司JCOE生产线的基础自动化控制系统，在借鉴国内多家制管生产线辅连设备和电控系统，并结合国内现有JCOE生产线新技术的基础上，进行设备优化设计，保证了供货设备和技术的先进性、适用性、可靠性，确保了整条生产线的顺利可靠运行，实际生产运行效果良好。