螺旋焊管机组回转车自动控制系统的设计与应用

周书亮， 王立民， 袁华丽， 李汝江，孙志刚， 江 渊， 崔明亮

（渤海装备华油钢管有限公司， 河北 青县062658）

1 概 述

回转车是螺旋焊管机组主要设备之一， 其目的是将切割的钢管从机组区域输送到精整区域，具有钢管输送、 倒运的作用。 华油钢管有限公司螺旋焊管生产线回转车设备采用手动操作方式，正常工作过程中， 当运管车把钢管放到回转车辊道上时， 操作人员在回转车的起点位置操作旋钮， 回转车的两组走轮分别在行走辊道1 和行走辊道2 上行走。 运行到终点位置时， 钢管从回转车的辊道输送到清渣区域， 操作人员再操作回转车返回到起点位置， 完成整个流程。 回转车的结构如图1 所示。

图1 焊管机组回转车结构示意图

以生产Φ813 mm×14.2 mm 规格螺旋焊管为例， 切割一根钢管的平均时间约为8.3 min， 回转车完成一个运行流程的时间约为3 min， 在手动操作方式下， 需要专人值守， 劳动强度大， 工作效率低。 回转车设备如果发生故障， 维修时间过长， 容易造成焊管机组停机， 影响正常生产。因此， 设计一种回转车自动控制及故障预警系统， 实现回转车自动运行以及异常状况故障预警， 进而提前维护处理， 对提高生产效率、 保障焊管机组正常运行具有重要意义。

2 回转车自动控制系统设计

2.1 运行过程

回转车运行具有手动/自动两种控制模式， 自动控制模式下， 在回转车起点位， 当回转车上的传感器检测到钢管并且运管车的托料勾在下限位时， PLC 程序发出指令， 控制回转车向终点位运行。 回转车经过减速限位、 停止限位后， 到达终点位， 地面辊道有料传感器向PLC 发出信号， 以判断辊道上有无钢管， 若有钢管， 回转车在终点位等待； 若无钢管， 回转车上输送辊道运行， 把钢管送到地面辊道。 当钢管脱离回转车时， 回转车自动返回到起点位， 完成一个控制流程。

2.2 控制原理

回转车自动控制系统功能如图2 所示。 现场控制系统为西门子控制元件， 采用PROFINET主从控制模式。 以西门子S7-1500PLC 作为PLC主站， ET200MP 分站与主站建立通讯， 完成采集信号处理、 冗余运算、 逻辑控制及触摸屏通讯[2]； 西门子SM521 模块完成传感器检测信号的采集， 并将信号传递给PLC 主站； 触摸屏完成设备运行状态的实时显示及故障预警功能。

图2 回转车自动控制系统功能图

2.3 安全措施

（1） 在回转车起点位， 当运管车把钢管放到回转车上时， 若钢管长度超出地面检测传感器位置， 则PLC 程度控制回转车辊道反转， 直到钢管到达后退限位； 若钢管到达后退限位后， 钢管的另一端未脱离地面检测传感器位置， 则在触摸屏上显示报警提示。

（2） 在回转车自动运行区域人员出入口装有安全光幕传感器， 在自动运行下， 当有人员进入时， 安全光幕传感器向PLC 发出信号， PLC 程序自动切断自动模式， 只能手动操作回转车， 从而保证人员和设备运行的安全。

3 硬件组成

3.1 检测机构

回转车自动控制检测机构主要由钢管有料传感器、 管头检测传感器、 管尾检测传感器、钢管脱离检测传感器、 超长检测传感器、 回转车实时位置检测编码器及传感器支架组成。 开关量检测采用电感式接近传感器， 检测距离为0～75 mm[3-4]， 传感器支架为伸缩带高度可调机构， 可根据生产不同规格钢管对传感器高度进行调整[5]； 编码器安装在回转车走轮上， 用来测量回转车运行的实时位置。

钢管有料传感器安装在回转车中间位置， 检测有无钢管； 管头和管尾传感器通过PLC 程序逻辑判断钢管是否位置放偏； 钢管脱离传感器控制回转车自动返回动作； 超长传感器安装在地面上， 检测到钢管信号时， 控制回转车辊道电机执行反转动作， 使钢管在安全范围内运行。

3.2 PLC 控制系统

PLC 控制系统主要由CPU 模块、 SM521 信号输入模块、 SM522 信号输出模块、 ET200MP（从站） 模块和G120 变频器组成， 主要完成传感器信号的采集运算、 回转车行走、 辊道电机运行等控制。

本研究中PLC 系统为S7-1500 系列1513 产品， 采用新型的背板总线技术、 高波特率和高传输协议， 信号处理速度更快。 S7-1513 PLC 集成PROFINET 接口， 可实现低成本快速组态的现场级通信和公司网络通信， 便于车间层控制网络与生产管控层网络的融合， 大大减少了通讯协议转换的工作量。

3.3 触摸屏

触摸屏实现设备运行状态的实时显示及故障预警功能， 便于维护人员及时了解回转车设备状况， 出现异常时报警提示。 本系统采用西门子SIMATIC 精智TP1200 触摸屏， 支持USB、MPI、 PROFIBUS-DP 和Ethernet 通 讯， 可 直 接与西门子S7 系列PLC 建立通讯并进行变量连接。 TP1200 自带报警系统， 可用博途软件对其进行组态。 PLC 与触摸屏采用PROFINET 通讯方式。

4 软件设计

4.1 检测控制

为了避免干扰信号造成设备误动作情况发生， PLC 系统采用检测信号导通后定时器延时触发控制逻辑， 消除瞬间扰动信号的影响。 钢管放到回转车体上时， 由于钢管直度、 椭圆度等形貌的影响， 出现管头、 管尾与辊道输送线存在一定夹角的情况， 在辊道输送过程中， 钢管容易偏离输送辊道掉落地面。 为避免这种情况发生， 在输送辊道中心线上对应的钢管管头、 管尾处各设置一组检测传感器， 只有这两组传感器同时检测到钢管信号时， 才允许执行输送指令， 确保系统自动运行的可靠性。

编码器用来检测回转车的实时位置以及起点和终点的精确定位。 为避免回转车主动轮打滑对编码器测量精度的影响， 编码器安装在被动轮上。在PLC 硬件组态中， 设置编码器为连续计数模式，计数范围为-2 147 483 648～2 147 483 647， PLC 程序通过SM550 模块对采集的信号进行运算[6]， 转换为回转车行走位置， 计算程序如图3 所示。

在回转车送管完毕返回起点时， 采用双重信号检测方式， 只有车体以及地面辊道都检测不到钢管信号时， 才允许回转车执行返回动作， 避免因检测传感器失效、 钢管管尾还没有脱离回转车时， 回转车自动返回情况的发生。

PLC 程序通过对检测传感器信号的逻辑判断， 控制回转车自动执行送管、 返回动作， 实现全自动流程控制[7-8]， 自动控制程序模块如图4所示。

图3 回转车位置计算程序

图4 回转车自动控制程序模块

4.2 触摸屏组态

（1） 触摸屏组态软件采用博途V15.1， 是西门子发布的一款全新的集成自动化软件， 也是业内首个采用统一的工程组态和软件项目环境的自动化软件， 用户能够快速、 直观地开发和调试自动化系统， 可对西门子全集成自动化中所涉及的所有自动化和驱动产品进行组态、 编程和调试，适合所有工业领域的解决方案， 支持多语言， 可以集成到所有自动化解决方案内。

（2） 在本设计中， 博途V15.1 通过PROFINET与PLC 主站建立变量连接， 变量表见表1。

表1 连接变量表

在博途软件组态设置界面中， 触摸屏通讯地址设置为192.168.66.22， 访问点为S7ONLINE，经过参数设置后， 与PLC 主站建立通讯连接[9-10]，图5 为组态通讯界面。

图5 组态通讯界面

（3） 通过博途软件组态界面和PLC 主站的通讯连接， 将PLC 的参数读取到软件中。 为了便于查找设备自动运行过程中出现的故障， 设计了故障自诊断预警系统， 该系统经过传感器采集设备运行信息， 进行多条件逻辑组合判断， 实现故障提示、 易损件 （如轴承、 走轮） 定期维护保养提示和故障预警 （温度、 振动量异常等），达到对于设备故障及异常状况进行报警和预警提示[11-12]的效果， 图6 为回转车控制系统界面。

图6 回转车控制系统界面

4.3 应用效果

回转车自动控制系统改造完成后， 实现了全自动无人值守作业， 缩短了钢管运送流程时间，在降低了故障率的同时， 提高了设备有效作业率。 表2 为回转车控制系统改造前后对比情况。回转车控制系统改造完成后， 已安全、 稳定运行16 122 h， 合并操作岗位1 个。

表2 回转车控制系统改造前后效果对比

5 结束语

焊管机组回转车自动控制系统采用关键控制指令双重检测方式、 检测信号延时触发控制逻辑、 区域安全防护保障措施、 PLC 逻辑判断以及控制硬件单元自动执行运行指令， 实现回转车全自动流水线作业， 确保了系统运行的安全性和稳定性。 同时， 通过传感器采集设备运行信息和控制算法， 实现了故障报警、 保养预警提示等功能， 提高了设备有效作业率， 系统运行稳定、 可靠。