中频弯管机工艺参数自动化控制系统的改造

杨再忠 彭 承 李 勤

(徐州实华管道特种作业有限公司, 江苏 徐州 221008)

中频热煨弯管加工工艺参数是影响弯管生产质量、生产效率和生产能耗的重要因素，现有的中频热煨弯管机推进速度、加热温度、弯曲角度等工艺参数由于缺乏先进的监视和控制手段造成弯管加工效率低下、能耗高、加工精度较低等问题。

作为中石化唯一一家弯管生产厂家，根据储运公司各工程项目“严把质量关”的要求，迫切需要对弯管机监控系统进行改造，以保证弯管加工精度和质量、提高加工效率和降低生产能耗。

1 改造内容、技术指标及技术关键

1.1 改造内容

通过采用PLC和工控机，实时控制显示弯管角度、推管速度和长度、加热温度和其他工艺参数，实时报警和进行技术数据存储，实现工艺管理和产品信息管理，提升弯管制造的自动化、信息化水平。技术先进，提高加工精度降低能耗；提高工作效率，有效提高产量；工艺参数设置系统、监控系统和存储读取系统有机统一、操作简单。

1.2 技术指标

(1)推进速度精度：±2 mm/min(标准要求：±2.5 mm/min)。

(2)加热温度精度：±20 ℃(标准要求：±25 ℃)。

(3)弯管角度精度：±0.4°(标准要求：±0.5°)。

(4)推进距离精度：5 mm。

1.3 技术关键

(1)监控显示模块由PLC、人机界面(触摸屏)和操作盘以及控制柜、UPS电源组成。监控显示模块中PLC为可编程控制器，其功能为监控其他功能模块，实现图形显示。人机界面配合其他功能模块图形化显示当前弯管机工作状态，例如弯管温度、速度、角度、位置等信息。

(2)信息管理模块主要由工控机、打印机等组成，其功能为：①储存不同管径、不同壁厚、不同材料的工件管子的加工工艺参数供弯管机操作人员调用。②记录每次加工工艺过程和加工后的质检报告；③对加工参数进行记录、统计、报表输出，用于提高弯管质量和加工效率。④直接控制机器动作；(5)提供对外网络接口，用以实现公司管理层对弯管机的实时监控、管理。

(3)弯管温度监测模块采用适于弯管机工作环境的测温仪可在线持续检测弯管温度，使操作员根据可靠的检测数据而不是经验控制加工过程，保证弯管质量。与信息管理模块结合，可以通过科学的数据分析有效提高弯管质量和弯管效率。

(4)弯管角度监测模块实时检测当前弯管机摇臂角度，用于实时显示角度值，结合动作执行等模块可实现弯管机的自动化作业。

(5)弯管推进距离同弯管角度一样，对其进行检测可以实现机器的自动化作业，减轻操作员劳动强度，提高加工精度。

(6)弯管机液压系统压力、温度监测模块检测液压系统压力温度等数据，并可实时显示。该模块的主要作用是检测液压系统工作参数，保证加工顺利进行。

(7)弯管机各动作执行系统位置监测模块检测各动作执行系统是否到达极限位置(位置开关)，用于保护弯管机。

(8)弯管动作执行模块控制液压站的电动液压阀、电动机等动作。

2 系统设计

2.1 系统方案设计

改造前，弯管机采用液压缸推进，速度控制采用调节阀手动开环调节，人工测量小车位置、速度、加热温度等加工参数，信息的记录亦是手工完成。工艺参数控制水平低，质量不稳定，生产效率低，操作人员劳动强度高，缺少信息化。

为了解决当前弯管机监控系统存在的问题，本设计方案采用液压比例阀来控制小车推进速度。在原来小车液压缸和其控制阀之间加装液压比例阀，比例阀连接到程序控制器，由程序控制器完成小车推进速度的自动化闭环控制。

为了减轻操作人员的劳动强度和实现速度及角度的闭环控制，系统内设计了两个绝对式编码器，两个编码器分别安装在摇臂和小车上，摇臂上的编码器随摇臂转动旋转，小车上的编码器随小车前后移动旋转。两个编码器通过PROFIBUS现场总线连接至程序控制器，程序控制器采集编码器数值并运算得出摇臂角度、小车位置、小车速度等信息。这些信息被送至程序控制器，在操作盘上显示，并由工控机进行记录，其中小车速速作为反馈量参与完成推进速度的闭环控制。

系统内设计了两台红外测温仪来采集加热温度。该红外测温仪具有峰值保存功能，配合测温仪的探头扫描动作自动采集加热区最高温度点，该温度被送至程序控制器，在操作盘上显示，并由工控机进行记录。

为实时显示弯管机的角度、位置、速度、温度、报警等信息，接受操作人员控制指令和控制参数，在操作盘上设计了Siemens公司的人机界面：多功能操作面板MP377。MP377可以图形化直观显示机器状态信息，提供按钮、对话框、输入输出域等接受操作人员的控制指令和控制参数。

系统内的信息化部分由和程序控制器连接的工业控制计算机完成，工控机完成加工信息的采集、归档等功能，留有网络接口。可满足现代企业信息化管理要求。

2.2 系统设计

2.2.1 系统组成

系统主要由PLC柜，工作台，操作盘，红外测温系统，编码器系统组成，如图1所示。

PLC柜主要由UPS、程序控制器PLC、24 V电源、继电器、风扇、照明灯、断路器、接触器等组成，程序控制器控制继电器、接触器等动作完成弯管机监控系统的核心控制功能。

工作台内主要由工控机、打印机组成，完成加工信息的采集、记录、归档、打印功能。

操作盘内主要由ET200模块、人机界面、24 V电源组成，完成接受操作员指令、显示机器状态信息、报警、急停等功能。

编码器系统由2个PROFIBUS总线接口的绝对旋转编码器组成，一个是摇臂编码器，完成摇臂角度测量，另一个是尾座编码器，完成小车位置、速度测量功能。

红外测温仪由2台红外测温仪和2台测温扫描电动机组成，组成2套测温系统，完成内弧和外弧的测温功能。

2.2.2 系统硬件设计

系统设计一台UPS电源，用以净化外部电源和断电保护。UPS供电能力为3 kW，2 h。PLC柜和操作盘各设一微型断路器，PLC柜微型断路器容量为4 A，操作盘微型断路器容量为2 A。PLC、工作台、人机界面、编码器间通过PROFIBUS总线连接。

系统主要由程序控制器PLC、工控机、人机界面、编码器、测温仪组成。程序控制器PLC、工控机、人机界面、编码器四者间信息传输通过PROFIBUS现场总线连接，其总线网络拓扑如图2所示。测温仪通过4～20 mA信号连接至程序控制器PLC模拟量输入模块，转换为数字量后由PLC通过PROFIBUS总线传送至工控机和人机界面。

小车位置、小车速度、摇臂角度、加热温度等加工信息的采集，用户按钮信号的采集，以及机器动作的控制由程序控制器PLC完成。其中信号采集由PLC输入模块组成，动作控制由PLC输出模块组成。输入模块点数为40点，输出模块点数为58点。小车位置、小车速度、摇臂角度、加热温度等加工信息的采集在电气柜内完成，用户按钮信号的采集在操作盘内完成。为克服传统的将按钮信号通过大量线缆连接至电气柜内带来的可靠性低，不便于维修等问题，在电气柜内设程序控制器PLC主站，在操作盘内设程序控制器PLC子站，两者间分别对应完成小车位置、小车速度、摇臂角度、加热温度等加工信息的采集和用户按钮信号的采集，而两者间通过PROFIBUS现场总线连接。这种连接方式只需要信号和供电两根电缆，安装维护方便，可靠性高。

监控系统中的PLC选用SIMATIC S7-300 PLC，它是一种模块化微型PLC 系统，该系列PLC具有各种功能模块，能非常好地满足和适应自动化控制任务，简单实用的分布式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活。其可靠性高，安装和维护方便，强大的算术运算功能可满足多种控制方法对硬件的需求。

CPU模块CPU315-2DP位于主站中，它具有中、大规模的程序存储容量和数据结构，对二进制和浮点数运算具有较高的处理能力，具有PROFIBUS DP 主站/ 从站接口，可用于建立分布式I/O 结构，易于系统扩展。主站上的其余模块依次为：PS 307电源模块，1个32点数字量输入模块， 4个16点数字量输出模块，1个8点模拟量输入模块，1个2点模拟量输出模块。主站输入模块的作用主要为检测机器的状态，其中数字量输入模块连接接触器开关、压力开关、传感器报警等，模拟量输入模块连接中频电压变送器、中频电流变送器、中频频率变送器、中频功率变送器、红外测温仪等。主站输出模块的作用主要为控制机器执行预定动作，其中数字量输出模块的作用主要为控制各动作对应的液压阀、水阀、风阀、电动机等动作。模拟量输出模块控制尾座推进液压比例阀流量。

操作盘内PLC子站由ET200M，3个16点数字量输入模块，1个16点数字量输出模块组成。ET200M用于同主站的耦合连接，数字量输入模块连接操作盘按钮开关等信号，用于接受操作指令，数字量输出模块连接操作盘指示灯，输出机器状态。

弯管机是一台结构复杂的设备，其加工弯管的直径范围、弯管壁厚、弯曲半径等参数跨度很大。显然，很多加工参数如速度、温度等要随管坯变化而变化。另外，操作员需要随时了解加工状态(弯制角度，尾座位置等)，这要求控制系统具有用户友好的人机界面。用户友好的人机对话环境可提高弯管质量、效率，降低操作员劳动强度。

人机交互用的人机界面安装在操作盘上，与PLC通过Profibus现场总线连接。如图3所示，人机界面用动画方式直观显示所连接PLC的操作状态、当前过程数据以及故障信息，接受操作员输入的推进速度等参数并传递给PLC执行。人机界面采用了Siemens的多功能操作面板MP377，MP377为12.1英寸TFT显示，分辨率800×600，38个系统键，Windows CE V3.0操作系统，它可以在全图形的动态画面上对过程、机械设备和系统进行显示，通过输出域、棒图或趋势曲线对过程报警和变量进行显示。

每一根弯管加工时的加工参数(温度、功率、速度等)都需要记录以备查询。传统方法用人工测量(或根据经验观察)后填写记录。这使得操作员劳动强度大，记录不准确，记录容易丢失，且手工记录查询不方便。本项目弯管机监控系统能够自动检测加工参数并记录，避免上述缺点同时更具备易于统计分析，可用现代科学方法进行质量控制，可与ERP集成等优点。

控制系统中的上位机采用研华工控机IPC-510，这台工控机CPU为intel P4 3.0G，1 G内存，80 G硬盘。工控机上安装与PLC通讯用的Profibus网卡CP5611。工控机的USB口连接一台惠普激光打印机。

弯管角度监测编码器实时检测当前弯管机摇臂角度，用于实时显示角度值，结合动作执行等模块可实现弯管机的自动化作业。改造前采用在摇臂上安装刻度盘的方式。操作员先不断去查看弯曲角度，然后结合经验调整机器和起停机器，这种方式加大了操作员劳动强度和降低了加工精度。新的监控系统采用绝对式编码器后，结合信息管理部分，角度值可以同别的加工参数(温度、速度等)一起被实时记录、分析，用于控制弯管质量，提高弯管效率。摇臂编码器选用宜科AM58C。它为PROFIBUS接口绝对式编码器，圈数12位，每圈精度13位。

弯管推进距离同弯管角度一样，对其进行检测可以实现机器的自动化作业，减轻操作员劳动强度，提高加工精度。弯管推进速度同弯管温度一样，是影响弯管质量和效率的重要参数。因此，弯管推进距离、速度监测对于控制弯管质量，提高弯管效率有重要意义。本次改造采用绝对式编码器来测量尾座的位置和推进速度。同摇臂编码器相同，尾座编码器选用宜科AM58C。它为PROFIBUS接口绝对式编码器，圈数12位，每圈精度13位。

弯管温度监测的作用是检测加热区温度。加热温度是影响弯管质量的重要参数，但弯管机工艺原因使得加热区周围有大量水和雾等影响测温的因素。改造前弯管机弯制过程一般是靠操作员经验判断温度，或者采用普通测温仪在弯制中人工绕开水雾勉强测量一两次温度。普通测温仪很难适应弯管机的工作环境，温度检测中必须结合操作人员的经验。建立在操作员经验基础上的温度控制不能保证长期生产高质量的成品。经过对各种温度测量方法的研究、对比，最终确定使用非接触式光纤红外测温仪MS09(测温范围为550 ℃～1 440 ℃)，光纤探头用来避免电磁干扰，选取合适的波长范围避开水雾影响。温度监测与信息管理结合，可通过科学数据分析有效提高弯管质量和弯管效率。

2.2.3 系统软件设计

控制系统软件分为三部分：上位机软件，PLC软件，人机界面软件。

上位机软件利用Siemens公司WinCC编制。WinCC是一个在Microsoft Windows 2000和Windows XP下使用的强大的HMI系统，用于实现过程的可视化，并为操作员开发图形用户界面。弯管机上位机软件主要完成加工信息管理功能。图4所示为加工信息管理功能的一个画面。

PLC软件的编程环境为STEP 7 V5.4，STEP 7 是用于SIMATIC S7-300/400 站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形图、功能块图或语句表。弯管机PLC软件的主要功能为读取弯管机各传感器的值、判断机器状态、执行用户指令，从而弯制出合格的弯管产品。其基本流程如图5所示。

人机界面软件编程环境为SIMATICWinCC flexible。SIMATIC WinCC flexible提供了一个全集成的单源系统，用于各种形式的操作员监控任务。使用SIMATIC WinCC flexible，可以始终控制过程并使机器和设备持续运行。人机界面软件的功能是显示所连接PLC的操作状态、当前过程数据以及故障信息，接受操作员输入的推进速度等参数并传递给PLC执行。人机界面软件编制的操作画面如图3所示。

3 系统试运行

φ914中频加热弯管机工艺参数自动化控制系统的改造项目完成后，为了检验项目完成情况，特对改造后的弯管机工艺参数监控系统进行空载和加载(采用φ813×15.9-X65钢管，)试车检验，检查时间约7个小时，弯管机的各项指标均正常。试运行检验结果合格。

4 应用效果

中频加热弯管机控制系统的改造，提高了弯管机的整体性能。系统采用了先进的控制系统，通过编码器、测温仪等对弯管弯制角度、推管行程、推管速度、加热温度在内的多项工艺参数进行了精密实时监测，并实时显示在显示屏上，使得操作界面直观、方便，减轻了作业人员劳动强度，提高了生产率；对推管速度进行了PID闭环控制，使得弯管机弯制速度不受环境温度、负载等参数变化影响，提高了产品质量；控制系统实时记录加工参数，克服了手工记录方式记录不准确，容易丢失，不易于查询、统计等缺点，提高了设备的信息化水平；系统采用了PROFIBUS现场总线，系统可靠性高，维护方便，可扩展性好。

弯管机控制系统的改造充分体现了 “技术先进、运行稳定、操作简便”的设计思路。提高了钢制弯管的加工质量和工作效率，提高了弯管机设备的自动化控制水平，必将对我国高质量中频热煨钢制弯管加工起巨大的推动作用。

[1] 张俊杰, 强毅, 刘红旗, 等.中频加热弯管机控制系统研究[J].机电产品开发与创新,2008，21(4)：126-127.

[2] 张俊杰.大口径中频加热弯管机组数字控制系统研究与开发[D].北京：机械科学研究总院，2008.