无缝钢管生产线自动化控制系统研究

谭德坤，蒋智，郑春娟

（烟台鲁宝钢管有限责任公司，山东 烟台265500）

1 引言

无缝钢管自动化控制系统的开发和研究可以有效减少钢管生产过程中人力资源的投入，降低无缝钢管的生产成本，提高无缝钢管的生产质量和生产效率。无缝钢管生产线自动化控制系统在无缝钢管生产中的有效应用促进了我国无缝钢管行业的可持续发展，加快了无缝钢管的生产步伐，提升了我国钢铁产业的整体效能，使得我国钢铁行业可以在激烈的市场竞争中存活并稳定发展下来。

2 无缝钢管的生产流程

无缝钢管的生产工艺主要包括锯切钢坯以及管坯加热、轧制检测、定型等相关过程，生产流程比较复杂，生产设备十分繁杂，控制比较困难。自动化控制系统在无缝钢管生产工艺过程中的应用可以解决人力所无法控制的问题，提高控制效率和控制质量，减少人为事故的发生。在轧制无缝钢管的过程中，通常以长圆柱批作为原料，将长圆柱坯放入加热炉中，加热完成之后送入穿孔机中进行穿孔，从而可以形成钢管。需要在穿孔之前在钢坯的后端中心处先打一个小孔，使得穿管机能够顺利地进入钢坯，保证穿孔的稳定性与安全性。可以将无缝钢管根据生产工艺的不同分为热定心和冷定心两种类型，热定心需要在加热以后以及穿孔之前进行，冷定心则主要在锯切钢坯之后以及加热前的过程中进行。热定心和冷定心两种方式都能够保证穿孔的稳定性，使得轧制过程更加顺利和均匀。

3 无缝钢管生产线自动化控制系统的构成

3.1 控制系统

无缝钢管生产线控制系统主要包括基础自动化系统过程、计算机控制系统、传动系统以及网络系统等。网络系统主要包括控制网络、现场总线、工业以太网、内部以太网相互组成的功能强大自动化控制系统。基础自动化系统包括人机接口界面系统、分布式系统以及控制器等。工程师站基于相关软件平台进行编程调试，传动系统采用交流变频传动装置，冷区基础自动化系统一般包括两套控制器，分布式系统需要采取对应型号的软件系统。各个单机控制系统采用工业以太网以及点对点的方式与主线系统进行通讯和交流[1]。

3.2 网络结构以及系统配置

无缝钢管生产线自动化控制系统配备三级自动化系统，构成集中管理、分布运算、分散控制以及资源共享的分布式的自动化控制系统。传动系统主要采用公共直流母线的多传动系统，最为突出的优势在于应用了通用技术，能够最大限度地满足响应速度的要求以及控制精度的要求，而且模块化的设计理念更加便于运行和维护，避免生产过程中出现停机事故，提高了生产效率和生产稳定性。控制器与传动系统之间采用光纤进行连接，并使用相关通信协议进行信息的交换，控制器之间的通信是一种使用光纤介质连接的高性能通信，具有低负荷和快速的特点，能够满足快速响应以及控制精度的需求。所有控制器、工程师站、服务器、过程数据采集分析系统都需要连接到自动化控制系统当中，实现基础通信功能。基础自动化系统中的服务器包括用户管理服务器、数据服务器以及功能服务器三种。其中，用户管理服务器主要承担着管理用户权限的功能。功能服务器一般包括两台互为冗余的服务器，承担对象和信息分配以及管理的功能，数据服务器主要功能在于实时数据的收集与分析，并为服务器提供自动的数据更新。在无缝钢管生产线自动化控制系统当中，工业以太网主要用于过程计算机控制系统、单机控制系统与控制器之间的通信。通过交换机连接定径机工艺控制系统、穿孔机工艺控制系统、连轧工艺参数设定及监控系统、单机PLC 控制系统、质量保证系统以及连轧自动辊缝控制系统等。

4 无缝钢管生产线信息化管理平台的实现

无缝钢管生产线信息化管理平台通常使用计算机语言Java技术实现，搭建基础框架之后，合理选择数据持久化工具。基础的实体类需要面向对象的思想指导进行构建，并将整个业务的逻辑按照框架技术进行划分，划分为接口层、控制层以及数据实现层三个层次，浏览器与控制层之间相互交互并用于数据的接收以及分析，数据得到简单处理之后直接发送至接口层进行业务逻辑的实际操作，返回的数据传递给控制层再发送给浏览器。这样能够有效降低程序内部的耦合度，提高代码的应用效率和重用性。在这种控制系统具体实现的过程中，设计开发人员普遍会遇到用户权限控制的问题，大型企业信息化管理平台通常需要应用相关技术作为身份验证以及情绪控制的基础。在内部用户进行系统登录时，会将相关用户信息直接存放到服务器端，此信息在整个用户会话过程中一直生效，这样在系统的前端页面便可以将当前数据的属性与特定属性进行比较，进行权限的对比，从而可以向用户有选择性地开放相关功能，实现平台控制的目的和效果[2]。

5 上位机软件的功能

整个无缝钢管生产线自动化设备由一条现场总线相连，所有连接该总线的设备都需要具有与总线相兼容的通信接口，这样便能够将相关通信接口分散到整个生产车间，从而可以达到对现场设备的精准控制和实时控制。借助工控机的过程监视软件可以实现整个生产过程的组态监控以及整个系统的监视。首先，上位机软件主要实现对生产线的监控功能，在组态成功之后，工控机能够获得无缝钢管生产线自动化系统试运行的各项运行参数，并借助这些参数和从系统中获得的数据能够实现可视化的模拟界面。通过对可视化的模拟界面进行分析和研究，可以及时发现生产过程中可能存在的问题，便于管理人员监控和调整。由于无缝钢管生产线所需要的监控设备比较多，为了能够更好地体现各个生产区域的生产细节，需要多个实施界面同时运行。例如，为了监视穿孔辊的位置以及相关的设置参数，可以制作一个专门的操作界面，用户可以借助这个专门的界面观察到无缝钢管生产线穿孔的全过程，并及时发现穿孔过程可能存在的问题。一旦出现生产事故，用户也可以借助界面上出现的提示完成急停操作，避免造成重大损失，保证无缝钢管生产行业生产的稳定性和安全性。其次，一般情况下，无缝钢管生产线都能够正常平稳运行，上位机软件对于偶尔出现的故障具有记录功能和报警显示的功能，这样有利于工作人员及时发现问题，有针对性地进行解决。所有的上位机的报警都会被记录下来，用户可以及时查询相关的报警信息，并发现某个阶段某个设备存在的故障信息。在生产过程中，上位机可以把各设备发送来的历史数据以及操作员对系统操作的历史数据存储到本地硬盘当中，并根据子用户的要求自动生成生产报表，体现历史数据，便于后续生产流程的调整以及问题的查找，保证生产的可靠性。例如，轧辊的准确位置对于生产出合格的无缝钢管非常重要，借助历史数据，操作员可以调整轧辊位置控制算法，找出最优位置，确保生产出合格优质的无缝钢管。

6 结语

综上所述，无缝钢管生产线自动化控制系统的有效应用能够极大地提升无缝钢管行业的生产效率和生产效率，减少人力资源的使用，实现精准控制和全程控制的功能。无缝钢管生产线自动化控制系统的设计与应用需要结合钢铁行业的实际情况，在原有自动化系统优化的基础之上，引入全覆盖的控制系统，能够实现生产流程的精准控制，保证生产的可靠性和安全性，减少安全事故的发生，促进钢铁行业持续稳定地发展。