冷軋管機連續軋制管縫位置檢測控制系統

楊鵬，張杰，李麗，劉杰，周文浩，劉衛華(.中國重型機械研究院股份公司，陜西西安7003;.山東壽光巨能特鋼有限公司，山東濰坊67)

冷軋管機連續軋制管縫位置檢測控制系統

楊鵬1，張杰1，李麗1，劉杰1，周文浩1，劉衛華2
(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西西安710032;2.山東壽光巨能特鋼有限公司，山東濰坊262711)

冷軋管機的管縫檢測問題一直制約著高速冷軋管機的發展，高速生產的冷軋管機由于無法及時觀察管縫位置的變化，會造成諸多生產事故。利用現有的檢測設備，搭建合適的控制系統框架，并且研究相對應的工藝算法編寫合適的的程序，將已有的距離問題轉化成軋制次數問題，并通過該控制系統自動完成各個生產流程的工藝動作，避免了人為操作的失誤。

管縫檢測控制系統;工藝算法;軋制次數

0　前言

隨著我國經濟的發展，近年來在核電、熱電、化肥、化工、化纖、醫藥衛生、食品、石油鉆探、軸承制造業、煤炭開采、航天航空和軍事工業等領域需求大量的冷軋無縫鋼管，同時，我國每年也要向國外出口大量的鋼管。因此，市場大量需求高速全自動冷軋管機。在高速冷軋管機生產過程中，當前后兩根管材的管縫進入主機座時，因為軋制速度較快，操作工人無法及時觀察管縫的具體位置。由于管縫位置的不確定性，操作工人也無法相應的做到對軋機各部件的協調動作，容易造成以下故障:1)入口卡盤未及時打開，管端撞壞入口卡盤;2)出口卡盤未及時打開，管端撞壞出口卡盤，并造成芯棒孔型損壞，軋機悶車;3)快速拉出裝置未及時工作，導致兩只管材相叉或同時擠在出口卡盤的空心軸內，無法取出;4)管縫進入軋制區時，主機未及時降速，導致前后兩管相叉，造成生產事故。

冷軋管機正朝著連續高速的軋制方向發展，設備自動化程度越來越高，在軋制過程中，根據前后兩管接縫(以下簡稱管縫)實時的位置，軋機各部件動作要相應自動調整，以滿足生產要求，其中當管縫進入口卡盤時要將入口卡盤卡爪打開，以免管端頂到卡爪;管縫進入軋制區時要求降速軋制，以免造成前后兩管相插。前一根子管子軋制完后，要將出口卡盤卡爪打開，管子由快拉裝置自動快速拉出，防止前后兩管相插或同時擠在出口卡盤的空心軸內無法取出，造成生產事故。當前一根管子完全拉出后，后一根管子進入出口卡盤當中時，出口卡盤關閉，主機升至正常軋制速度。以往的低速不連續上料軋機，這些過程全由人工操作完成，而高速軋制的全自動連續上料軋管機生產速度較快，每分鐘擺動次數近200次，依靠人工觀察十分困難，管縫位置的不確定會帶來諸多生產事故，產品的質量也無法得到的保證，同時也無法高效的實現冷軋管機的連續全自動化生產。本文的實際意義在于提供一種新型的檢測方法，解決現有技術的問題。

1　管縫檢測控制系統的硬件組成

管縫檢測控制系統的硬件包括PLC控制器、人機界面HMI、主電機調速裝置、電磁閥繼電器、出入口卡盤液壓裝置、渦流環形管縫檢測儀器、送進電機驅動裝置和主機編碼器。如圖1所示，其中，PLC控制器分別通過工業以太網連接人機界面HMI、通過控制電纜與渦流環形管縫檢測儀器相連，通過SECROS光纖與送進電機驅動裝置相連，通過Profibus網同主電機調速裝置相連，PLC的輸出模塊通過控制電磁閥繼電器連接出入口卡盤液壓裝置，送進電機驅動裝置輸入端通過特殊電纜與主軸編碼器相連。

圖1　管縫檢測系統硬件配置圖Fig.1Thehardwareconfigurationofseamdetection diagram

各硬件之間均由主PLC來協調控制，分別完成各程序段的動作輸出。

2　管縫檢測控制系統的檢測步驟

圖2為軋管機主機座與管縫檢測系統的整體結構示意圖。該冷軋管機管縫檢測控制方法，包含如下步驟:

圖2　主機座與管縫檢測系統的整體結構示意圖Fig.2Themillstandandtheseamdetectionsystem schematicdiagram

(1)通過人機界面HMI輸入測量好的渦流環形管縫檢測儀器1與入口卡盤卡爪前端的距離L1、入口卡盤卡爪前端與卡爪末端的距離L2、入口卡盤卡爪末端與主機座內軋制區內軋制第一點的距離L3、軋制區內軋制第一點到芯棒上軋制完成點的距離L4、軋制完成點到出口卡盤卡爪末端的距離;

(2)通過輸入PLC內的程序計算得出管縫分別走完渦流環形管縫檢測儀器與入口卡盤卡爪前端的距離L1、入口卡盤卡爪前端與卡爪末端的距離L2、入口卡盤卡爪末端與主機座內軋制區內軋制第一點的距離L3、軋制區內軋制第一點到芯棒上軋制完成點的距離L4、軋制完成點到出口卡盤卡爪末端的距離的不同軋制次數;

(3)當管縫到達渦流環形管縫檢測儀器與入口卡盤卡爪前端的距離L2時，程序自動輸出，通過PLC控制器的輸出端接通電磁閥繼電器和出入口卡盤液壓裝置，打開入口卡盤;

(4)當管縫到入口卡盤卡爪前端與卡爪末端的距離達L3時，程序自動輸出，通過PLC控制器的輸出端接通電磁閥繼電器和出入口卡盤液壓裝置，關閉入口卡盤;

(5)當管縫到達入口卡盤卡爪末端與主機座內軋制區內軋制第一點的距離L3時，程序自動輸出，PLC控制器通過主電機調速裝置將主機速度降至原有速度的80%，主機降速反應給主機編碼器，同時通過送進電機驅動裝置降低送進電機送進頻率。

(6)當管縫到達軋制區內軋制第一點到芯棒上軋制完成點的距離L4時，程序自動輸出，通過PLC控制器的輸出端接通出口卡盤打開電磁閥繼電器、打開出口卡盤。檢測到出口卡盤打開后，快速拉出輥道電機工作，將軋制好的前一根管材快速從芯棒上拉出;

(7)當管縫到達軋制完成點至出口卡盤卡爪末端的距離L5時，程序自動輸出，通過PLC控制器的輸出端接通出口卡盤，關閉電磁閥繼電器，關閉出口卡盤。PLC控制器通過主電機調速裝置將主機升速至正常工作速度，主機升速后反應給主機編碼器，同時提高送進電機送進頻率，程序恢復至原有的工作狀態。

3　管縫檢測方法中的軋制次數的計算

根據步驟(2)的敘述，程序需要提前編好，編寫程序的首要前提就是要有一個合適的計算方法。該文的核心也正是選擇合適的計算方法。

軋機空車運轉，無送進時，管縫保持不動;管縫未進軋制變形區時，在送進接通后，管縫會以設定好的送進量向出料方向移動;當管縫進入軋制區時，管縫會以比設定的的送進量還快的速度向出料移動。軋制工藝規格、送進量、管子尺寸偏差均會影響到管縫的移動速度，為了準確的確定管縫的位置，將已有的長度和軋制速度的問題轉換成求解一段區間內的軋制次數，由此本文計算原理:管子軋制前和軋制后管子的總體積保持不變。

圖3為變形段送進示意圖(序號4、7與圖2序號一致)，根據圖3設定變量。

圖3　變形段送進示意圖Fig.3 Deformation to the schematic diagram

(1)L1和L2內軋制次數計算。管坯在L1和L2內送進時管坯無變形發生，因此可以推算出該段內的軋制次數就是的長度除以送進量和段的長度除以送進量。

管縫在渦流環形管縫檢測儀器與入口卡盤卡爪前端的距離內的軋制次數n1為:

管縫在入口卡盤卡爪前端與卡爪末端的距離L2內的軋制次數n2為

(2)L3內軋制次數計算。管坯在L3內發生變形，根據金屬變形后體積不變的原理，發生變形的管坯與送進的管坯總量應該體積相同。根據圖3所示，發生變形前的管坯是一個空心圓臺，定義送進一次后的空心圓臺體積為Va，由圖3推出公式

管坯進入軋制區后經過變形可以等效為一個空心平截圓錐體，定義該區域內的空心平截圓錐體體積為Vb，其體積為:

根據金屬變形后體積不變的原則，L3變形區的送進次數n3應該為變形區的管材總體積除以每次送進的體積，即:

(3)L4和L5內軋制次數的計算。當管材進入L4時金屬變形已經完成，將軋制變形后的延伸系數定義為λ。延伸系數就是管坯橫截面積與成品管橫截面積的比值。通過工藝參數的已知量，管坯外徑D0，管坯壁厚t0，成品管外徑D1，成品管壁厚t1，可以計算出λ，即

軋制完成后發生金屬變形后的實際長度應該是原有長度的λ倍。在L4和L5段內管坯已經徹底完成變形，實際送進量變長，設該實際送進量為S1，即

由此可以計算出管縫在軋制區內軋制第一點到芯棒上軋制完成點的距離L4內的軋制次數n4:

管縫在軋制完成點到出口卡盤卡爪末端的距離L5內的軋制次數n5為:

4　管縫檢測程序的編寫

根據前述的結果，結合已有的各種檢測設備來編寫相應的程序，控制系統的流程圖如圖4所示，當渦流檢測裝置檢測到管縫進入時，該裝置向PLC發出信號，PLC調用已經編寫好的管縫檢測程序。

首先記錄渦流環形管縫檢測儀器與入口卡盤卡爪前端的距離L1內的軋制次數。我們通過安裝在曲軸箱側的編碼器可以反應出實時的軋制角度，由于軋管機是一個往復運動的工作狀態，可以通過一個減速箱將往復運動轉化為一個圓周運動。編碼器可以通過反應圓周運動來得知軋管機主機架位置，圓周運動當中的每一點或者每一個范圍都是不同的，因此只需要記錄任一角度范圍走過的次數，即可得到相應的軋制次數。通過PLC的數值比較模塊以及計數器模塊就可以完成該任務。當編碼器通過設定好的角度范圍時接通一個中間變量，同時讓該中間變量為計數器模塊CU1的輸入端，同時將計算值轉為該計數器的數值預置量。當軋制次數到達n1時，計數器模塊輸出一個中間變量。通過該中間變量打開入口卡盤，同時接通L2區域內的計數器CU2的輸入端。根據L1的控制過程類推后續各段的過程，當軋制次數依次達到相應的軋制次數n2，n3，n4，n5時，計數器模塊CU2，CU3，CU4，CU5分別輸出一個中間變量，這些中間變量相應的接通各自流程內的動作。到達n2時關閉入口卡盤，到達n3時主機減速(根據工藝要求的速度)，到達n4時打開出口卡盤，同時快拉裝置啟動將軋制好的鋼管迅速拉出，到達n5時關閉出口卡盤，同時主機升速至正常軋制速度。

圖4　控制系統流程圖Fig.4 Flow chart of control system diagram

5　結論

本文通過對管縫檢測問題的研究，找到了一種合適的算法，通過程序的編寫和控制系統硬件的搭配實現了管縫檢測的自動化控制，將以往的人工控制改成了全自動控制，提高了設備的安全性，對高速生產的設備有非常重要的意義。該方法已經成功應用于中國重型機械研究院生產的LG15、LG25、LG40、LG60等型號的高速冷軋管機上，并達到了預期效果。本研究項目獲得專利:ZL2013 2 0411158.9。

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Control system of cold pilger m ill seam detection

YANG Peng1，ZHANG Jie1，LILi1，LIU Jie1，ZHOUWen-hao1，LIUWei-hua2
(1.China National Heavy Machinery Research Institute Co．，Ltd．，Xi'an 710032，China; 2.Shandong Shouguang Juneng Special Steel Co．，Ltd．，Weifang 262711，China)

The problems of cold pilgermill seam detection always restrict the development of high-speed cold pilger mill，the lack of timely observation tube seam change of location uncertainty would cause lots of accidents．Under the present circumstances，a suitable control framework system is set up to study the corresponding process algorithm with writing appropriate programs，which lead the existing distance issue to a stroke time question．This controlling process could act flow action automatically，which avoid the error of artificial operation

system of seam detection;algorithm;stroke times

TG333

A

1001－196X(2015)02－0012－05

2014－10－11;

2015－01－21

楊鵬(1984－)，男，中國重型機械研究院股份公司工程師。