缠纸流程自控系统的设计与应用

周书亮　谷传龙　李斌　李建一　孙志刚　李汝江　高平平　安立芬

摘 要 针对钢管防腐生产线缠纸工序采用手动缠绕的现状，设计基于PLC、伺服定位系统等的钢管自动缠纸装置及其交互控制系统。该系统的上线运行，避免了人工介入的不稳定因素，提高了钢管流程输送效率，降低了防腐质量风险，同时减轻了岗位人员的劳动强度。

关键词 交互控制 钢管防腐 缠纸 传感器 输送效率

中图分类号 TP273   文献标识码 B   文章编号 1000-3932（2023）04-0573-08

华油钢管有限公司？准508 mm～2 540 mm防腐生产线涂覆前准备区域的缠纸工序采用手动操作方式，区域内钢管防腐處理工序较多，需要外观检验、上连接器等，人工介入点多，操作繁琐。在缠纸处理工序过程中，需要人工在钢管两端缠绕纸带，缠纸效率低、劳动强度大。输送辊道和横移车操作存在不连续情况，需要频繁切换操作点，占用时间长。外抛丸工序钢管抛丸处理速度较快，而人工缠纸工序钢管流程处理不及时，极其容易造成钢管流程拥堵［1］。因此，公司组织技术人员设计钢管涂覆准备区域缠纸流程自控系统，以期实现钢管在外抛丸后和涂覆前的缠纸、辊道及横移车等工序的自动输送和设备间的交互控制［2］。

1 防腐流程简介

埋弧焊管防腐生产线主要由输送辊道、横移车、外抛丸、缠纸、中频加热、粉末喷涂及外涂覆等设备组成［3］。横移车将钢管运送到指定的输送辊道上，钢管沿输送辊道进入外抛丸、缠纸等处理工序，外涂覆完毕的钢管进入水淋室冷却后，沿输送辊道进入管端打磨等其他工序，完成流程处理过程，如图1所示。

2 自控系统工作原理

缠纸自控系统硬件结构如图2所示。缠纸自控系统的自动缠纸装置布置在台架的左、右两侧，缠纸工序安装有旋转辊，经外抛丸处理的钢管，由横移车从输送辊道托运到缠纸的旋转辊工序，电感式传感器检测到钢管信号，安全报警装置未触发的状态下，缠纸小车相向而行，到达管端时执行减速、停止指令，经过缠纸管端精确定位、卷纸自动输送、自动缠纸随动等控制后，进行缠纸作业，缠纸完毕后，两侧小车退回到起始点位置，横移车将钢管托运到下一工序，进行下一流程的作业。

左、右缠纸自控系统设计有手动控制和自动控制两种模式。自动控制模式下，在左、右缠纸小车起点位，当横移车将钢管放到缠纸旋转辊上，钢管位置传感器检测到信号时，PLC程序发出指令，控制左、右小车相向运行；当传感器检测到管端时，小车执行减速动作；当缠纸靠辊接触到钢管时，小车停止运行。水平移动平台带动缠纸机构向靠近钢管方向移动。V90伺服电机编码器实时检测位移量，根据钢管规格参数，当到达设定位置后，平台停止移动［4，5］。此时，贴纸辊的气缸升起，将纸端压在钢管外壁，并沿钢管弧面行走150 mm的弧长距离，起到将纸端压在钢管外表面的作用。

旋转辊带动钢管旋转，放卷装置带动卷纸盘旋转，监测传感器实时检测卷纸盘的消耗量，测长装置通过旋转编码器测量纸带的实时长度。在缠纸自动输送过程中，胶水喷涂装置运行，将胶水喷涂在纸带表面，当测长装置测量纸带长度达到设定值时，切纸装置开始动作，将纸带切断，放卷装置停止运行。纸带末端缠上管端后，旋转辊停止旋转，完成缠纸过程。

在自动运行过程中，缠纸小车两侧的安全传感器检测到人员进入时，自动程序终止，并发出报警信息，提示相关人员及时处理［6］。

3 硬件组成

3.1 控制器件

控制器件主要为西门子、欧姆龙等控制元件，由欧姆龙光电传感器检测钢管位置，镜面反射式安全传感器检测辊道两侧异常状态，采用PROFINET主从控制模式。以S7-1215C PLC作为PLC主站，G120变频器、V90伺服控制器与主站建立通信，实现采集信号处理和逻辑运算；西门子SM221模块完成传感器检测信号的采集［7］，并将信号传递给PLC主站；触摸屏完成设备运行状态实时显示及故障报警功能。

3.2 管端精准定位装置

管端精准定位装置主要包括：行走小车、水平移动平台、检测传感器及位移传感器等。行走小车采用三相异步电动机驱动，主要带动缠纸机构沿钢管轴线方向移动，到达指定的缠纸位置。水平移动平台通过V90伺服控制器带动托纸辊、吸盘盒等移动到指定位置，便于进行缠纸动作。

3.3 卷纸自动输送装置

卷纸自动输送装置主要包括：放卷、测长、胶水喷涂及切纸等装置。放卷采用变频电动机驱动，电机输出轴连接气胀轴，卷纸固定在气胀轴上，通过气动胀紧力保证卷纸的稳定转动。卷纸通过张力轮自动输送。测长装置通过旋转编码器测量纸带实时长度，达到设定值后，切纸装置动作，将纸带切割完毕［8，9］。

3.4 自动缠纸随动控制装置

如图3所示，自动缠纸随动控制装置主要包括：管端位置传感器、随动伺服机构及轴向移动平台等。轴向移动平台上固定有检测钢管端面传感器，通过传感器检测到管端在轴向的位置变化，通过伺服机构来控制移动平台做相应伺服移动，达到保证管端缠纸宽度在固定参数的目的，平台在轴线方向移动机构为直线导轨。

3.5 单机设备

在外抛丸出管区域为V型台架，由外抛丸后辊道输送来的钢管经过自动对中后，需要将钢管通过横移车运送到V型台架或缠纸旋转辊上。

3.6 硬件特性

为了避免生产不同规格钢管时频繁调整传感器位置，辊道位置检测传感器采用光电镜面反射方式，并在辊道末端设计双传感器信号触发［10］，如图4所示。

在外抛丸输出辊道有钢管、V型台架钢管倒运到缠纸旋转辊、缠纸旋转辊钢管倒运V型台架或输送辊道等控制需求条件下，优先倒运外抛丸输出辊道钢管，避免外抛丸设备停机。

在自动运行模式下，左、右两侧缠纸小车没有退到原点位置时，禁止横移车在旋转辊工位升降。横移车在旋转辊上升托管的使能信号为上升沿信号，避免误动作，可增强自控系统运行的可靠性。

4 软件开发

钢管由横移车放到缠纸旋转辊上后，缠纸小车达到指定位置，需要经过管端精准定位、缠纸自动输送、缠纸随动控制等系统实现自动缠纸功能。PLC程序通过采集传感器信号和西门子V90伺服电机编码器实时数据，经过逻辑判断后，控制缠纸机构执行相应动作，从而实现钢管管端自动缠纸功能，控制流程如图5所示。

4.1 自动控制程序

4.1.1 自动缠纸

当横移车将钢管放到缠纸旋转辊上后，PLC程序通过采集缠纸小车、定位装置、输送装置等传感器检测信号，经过逻辑判断后，可确定自动缠纸系统是否处于准备就绪状态，在自动模式下，缠纸小车处于原点位置、纸带端部处于起始点、涂胶装置胶水温度及液位在設定值范围内且输送机构均在复位状态，东西小车沿钢管方向相向运行，缠纸系统执行管端定位、纸带自动输送及缠纸过程中的随动控制等程序，当测长装置测量纸带长度达到设定值时，切纸装置开始动作，将纸带切断，放卷装置停止运行。纸带末端缠上管端后，旋转辊停止旋转，完成缠纸过程［11］。采用LAD（梯形图）语言进行编程，控制程序段如图6所示。

4.1.2 流程交互自动控制

将输送辊道、横移车等设备工作状态、前后限位、设备位置采集到PLC程序中，通过程序实现自动交互控制（图7），保证设备的有序自动运行。

流程交互自动控制的主要控制逻辑为：

a. 辊道上设置钢管东端极限保护限位，当超长管超过对中范围时，钢管在极限限位处停止，满足横移车托管需求。

b. 在自动模式下，若V型台架及缠纸旋转辊上没有钢管，且缠纸小车处于原点位置，横移车将辊道上对中完毕的钢管托放到缠纸旋转辊上，缠纸小车相向运行，执行缠纸动作。若V型台架及缠纸旋转辊上有钢管，通过PLC程序逻辑判断，横移车将钢管放到V型台架上。

c. 缠纸完毕后，缠纸小车后退到原点，经过程序运算处理，横移车将缠纸完毕的钢管放到缠纸后V型台架或输送辊道上，并将V型台架或外抛丸出管辊道上钢管放到缠纸旋转辊上，完成流程交互控制。

4.2 触摸屏软件编程

触摸屏具有方便直观、图像清晰、坚固耐用及节省空间等优点，操作者只要用手触碰显示屏上的图符或文字就能实现对系统的操控，摆脱了键盘和鼠标操作，从而提高了设备的可操作性、安全性和便捷性。

该系统采用SIMATIC KTP900触摸屏实现与PLC的交互通信、状态显示、故障报警等功能。

采用博途软件对其进行组态，PLC与触摸屏采用PROFINET通信方式。

该控制系统中，设计触摸屏用于实现自动缠纸的参数设置、设备运行状态的显示以及缠纸过程中数据的统计和查询功能。通过参数设置，实现缠纸过程中不同规格钢管工艺要求的自动控制。

在缠纸PLC系统组态配置界面中，添加SM221、SM222等模块实现自动缠纸动作功能的控制；添加V90伺服控制器分站、G120变频器分站GSD文件并配置I/O变量、网络地址等参数以实现控制器与PLC主站的PROFINET通信；左、右小车的1214C PLC系统通过SCALANCE XB008工业交换机实现交互通信［12，13］。配置好的软件界面如图8所示。

触摸屏上参数设置完后，触摸屏与PLC系统通过PROFINET协议建立通信，将参数值写入PLC系统中，根据参数值执行相应逻辑控制，设备的运行状态和报警信息在触摸屏上显示（图9）。

5 应用效果

自动缠纸控制系统投运前、后，工作方式、参数与应用效果的对比见表1。

系统上线运行后，实现了钢管外涂覆前管端自动缠纸，工序间辊道、横移车的自动交互；实现缠纸区域流程自动控制功能，减少了岗位数量，提高了区域自动化水平和生产效率，并降低了防腐质量风险。

6 结束语

缠纸流程自控系统的上线运行，打破了设备孤岛，实现钢管外涂覆前区域过程控制的自动化和可视化，提高了产品的一致性，优化了岗位设置，降低生产成本和防腐质量风险，实现了提质增效，具有良好的经济效益和社会效益。

在钢管防腐行业，通过钢管管端精确定位技术、卷纸自动输送技术和自动缠纸过程中的随动控制技术，实现防腐钢管管端自动缠纸功能，代替人工缠纸，为行业内装备制造能力提升提供借鉴思路；开发区域内自动缠纸系统与钢管输送设备的智能交互控制算法，形成外涂覆前区域自动化流水线生产模式，提高了钢管防腐质量管控能力，助力推进钢管防腐过程中智能制造进程。

参 考 文 献

［1］ 李和平.现代精细化工生产工艺流程图解［M］.北京：化学工业出版社，2014.

［2］ 马凯，肖洪流.自动化生产线技术［M］.北京：化学工业出版社，2017.

［3］ 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.管道外防腐补口技术规范：GB/T 51241—2017［S］.北京：中国计划出版社，2018.

［4］ 赵晶，黄韬.运动控制系统原理及应用［M］.北京：化学工业出版社，2020.

［5］ 黄风.运动控制器与交流伺服系统的调试和应用［M］.北京：机械工业出版社，2021.

［6］ 李运华.安全生产事故隐患排查实用手册［M］.北京：化学工业出版社，2012.

［7］ 魏克新.西门子S7-1200/1500PLC学习手册［M］.北京：化学工业出版社，2018.

［8］ 马明建.数据采集与处理技术［M］.西安：西安交通大学出版社，2012.

［9］ 左维，陈昌安.西门子数控系统结构及应用［M］.北京：机械工业出版社，2020.

［10］ 周润景，李茂泉，董海波.常用传感器技术及应用［M］.北京：电子工业出版社，2020.

［11］ 魏克新.自动控制综合应用技术［M］.北京：化学工业出版社，2012.

［12］ 王建.触摸屏实用技术［M］.北京：机械工业出版社，2012.

［13］ 蔡皖东.工业以太网技术［M］.北京：电子工业出版社，2020.

（收稿日期：2022-06-21，修回日期：2023-05-07）