在碳達(dá)峰、碳中和背景下，能源結(jié)構(gòu)“去煤化”方向明顯，根據(jù)《中長(zhǎng)期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》，我國(guó)油氣輸送將形成“主干互聯(lián)、區(qū)域成網(wǎng)”的模式，對(duì)多品種、多規(guī)格大口徑直縫焊管（直徑≥?406 mm）需求急劇增加。傳統(tǒng)的大口徑直縫焊管生產(chǎn)采用“模壓成型”的生產(chǎn)方式存在工、模具數(shù)量多，規(guī)格更換耗時(shí)長(zhǎng)，效率與性能不可兼顧的缺點(diǎn)，難以滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，急需研發(fā)一種新型生產(chǎn)工藝技術(shù)[1]。

太重完全自主開(kāi)發(fā)了“管體輥式成型+直邊輥式彎曲+連續(xù)合縫預(yù)焊”三位一體的聯(lián)合變形技術(shù)及設(shè)備，其三位一體工藝流程見(jiàn)圖1。

1.   系統(tǒng)配置

管體輥式成型機(jī)的裝機(jī)功率為1200 kW，配有液壓控制柜、配電控制柜、輔助傳動(dòng)控制柜、制動(dòng)電阻柜共9組電氣控制柜。主PLC采用Siemens1515T運(yùn)動(dòng)控制器。管體輥式成型機(jī)的設(shè)備見(jiàn)圖2。

4軸3馬達(dá)閥控系統(tǒng)：成型力大，而且主缸無(wú)桿腔與有桿腔面積比達(dá)到6倍。壓下、補(bǔ)償時(shí)，4缸同時(shí)作用于上輥，因此需要4缸同步工作，要求伸出時(shí)定位精度高，回程時(shí)響應(yīng)速度快。采用非對(duì)稱(chēng)伺服比例閥進(jìn)行位置控制，大流量插裝閥排出回程油液。管體成型時(shí)，3個(gè)排量不同的馬達(dá)線速度同步運(yùn)行，且為正反兩個(gè)方向轉(zhuǎn)換工作，采用高精伺服比例閥進(jìn)行位置控制，并且可進(jìn)行壓力保護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)新型輥式成型機(jī)工藝及設(shè)備的精確控制[2]。

直邊輥式彎曲機(jī)的裝機(jī)功率為400 kW，配有液壓控制柜、配電控制柜、輔助傳動(dòng)控制柜、制動(dòng)電阻柜共7組電氣控制柜。主PLC采用Siemens1515T運(yùn)動(dòng)控制器[3]。直邊輥式彎曲機(jī)設(shè)備外形見(jiàn)圖3。

6軸2馬達(dá)閥控系統(tǒng)：輥式彎曲機(jī)配置了6個(gè)液壓缸和2個(gè)馬達(dá)，每道次孔型調(diào)整時(shí)，6缸同時(shí)工作，定位精度高、響應(yīng)速度快。采用非對(duì)稱(chēng)伺服比例閥進(jìn)行位置控制，彎曲成型時(shí)，2個(gè)馬達(dá)線速度同步運(yùn)行，且為正反兩個(gè)方向轉(zhuǎn)換工作，采用高精伺服比例閥進(jìn)行速度同步控制，并且可進(jìn)行壓力保護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)輥式彎曲機(jī)工藝及設(shè)備的精確控制[4]。

連續(xù)合縫預(yù)焊機(jī)（圖4）的裝機(jī)功率為300 kW，配有液壓控制柜、配電控制柜、輔助傳動(dòng)控制柜、制動(dòng)電阻柜共7組電氣控制柜。主PLC采用Siemens1516T運(yùn)動(dòng)控制器。

14軸閥控系統(tǒng)：9軸合縫預(yù)焊機(jī)沿周向配置14個(gè)截面積相等的液壓缸，初步定位調(diào)整時(shí)，14缸同步運(yùn)行。閥控系統(tǒng)采用四通伺服比例閥，滿(mǎn)足了工藝及設(shè)備的控制要求。機(jī)械擴(kuò)徑機(jī)4閥協(xié)同液壓閥控系統(tǒng)：全長(zhǎng)機(jī)械擴(kuò)徑機(jī)為單缸大流量輸出系統(tǒng)，主缸配備了大流量插裝伺服閥進(jìn)行位置的精確控制。

2.   多軸同步系統(tǒng)

同步控制的前提是單軸高精度位置控制，針對(duì)被控對(duì)象的動(dòng)力學(xué)特征，通過(guò)采集液壓缸的位移、時(shí)間、閥開(kāi)口度數(shù)據(jù)，得到速度離散點(diǎn)，形成不同負(fù)載條件下閥的開(kāi)口度與液壓缸的速度曲線，制定出相應(yīng)的比例閥控制特性曲線，依據(jù)真實(shí)負(fù)載曲線，精確調(diào)整閥的開(kāi)口度，從而實(shí)現(xiàn)單軸高精度位置閉環(huán)控制，被控對(duì)象位置定位精度可達(dá)±0.01 mm[5]；其單軸位置控制原理見(jiàn)圖5。

外界多種因素造成被控對(duì)象的不同步，為了滿(mǎn)足多軸、多馬達(dá)高精度同步運(yùn)行的需求，建立多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)傳遞函數(shù)，采集被控對(duì)象的位移和壓力信號(hào)，根據(jù)設(shè)備不同動(dòng)力學(xué)特性選擇同步控制模式（同向同步和反向同步），通過(guò)主軸和從軸實(shí)際位置的差值對(duì)從軸的慣性、前饋、比例增益、滑動(dòng)摩擦等特性進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)多軸、多馬達(dá)的高精度同步控制[6]。

管體輥式成型機(jī)要求4軸3馬達(dá)同步控制，輥式彎曲機(jī)要求6軸2馬達(dá)同步控制。工作時(shí)負(fù)載大，被控對(duì)象慣量大，因此流量、功率輸出較大，采用同向同步方式，運(yùn)行較快的油缸減慢速度，運(yùn)行較慢的油缸加快速度，閥的開(kāi)口方向不發(fā)生改變，避免大流量變化帶來(lái)的液壓系統(tǒng)的震蕩，實(shí)現(xiàn)新型輥式成型機(jī)與輥式彎曲機(jī)多軸、多馬達(dá)的同步運(yùn)行[7]。

連續(xù)合縫預(yù)焊機(jī)要求14軸同步控制，被控對(duì)象慣量小，輸出流量小，因此響應(yīng)速度快，采用反向同步方式，當(dāng)液壓缸不同步時(shí)，增大運(yùn)行較慢的液壓缸閥開(kāi)口度，將較快的液壓缸閥開(kāi)口度反向調(diào)整，從而快速調(diào)整位置有偏差的液壓缸，實(shí)現(xiàn)9軸合縫預(yù)焊機(jī)的多軸同步運(yùn)行，反向同步調(diào)整方式較正向同步方式響應(yīng)速度更快，如圖6所示。應(yīng)用該多軸/多馬達(dá)高精度同步控制方法，被控伺服缸、馬達(dá)同步精度達(dá)到±0.1 mm，滿(mǎn)足了工藝設(shè)備的運(yùn)行要求和生產(chǎn)線靈活多變的控制需求[8]，并且實(shí)現(xiàn)了邏輯控制與運(yùn)動(dòng)控制一體化。多軸同步控制原理與控制運(yùn)行曲線見(jiàn)圖6。

3.   節(jié)能控制系統(tǒng)

液壓站系統(tǒng)配置了伺服電機(jī)+伺服驅(qū)動(dòng)器+定量泵系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)在不同的工作模式下按需供給，在停滯階段幾乎不產(chǎn)生溢流，從而帶來(lái)節(jié)能效果[9]。

其原理是在未到達(dá)設(shè)定壓力之前，驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行速度閉環(huán)控制模式，電機(jī)以設(shè)定的最大轉(zhuǎn)速跑動(dòng)；到達(dá)設(shè)定壓力之后，驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行壓力閉環(huán)控制模式，伺服系統(tǒng)只負(fù)責(zé)維持壓力恒定，速度自適應(yīng)。電機(jī)在不同時(shí)間階段功率損耗情況見(jiàn)圖7。

4.   自動(dòng)控制系統(tǒng)

全自動(dòng)的運(yùn)行需要兩個(gè)必要條件，首先工藝軟件要準(zhǔn)確，根據(jù)不同鋼管的加工工藝計(jì)算出每個(gè)設(shè)備的輸送步長(zhǎng)及壓下量；其次自動(dòng)工作流程要準(zhǔn)確，這樣不僅可以提高生產(chǎn)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本，還可以有效的對(duì)人身和設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。

整個(gè)自動(dòng)控制流程加入了GRAPH語(yǔ)言編程，省去了中間寄存器，使得順序控制更加容易。其自動(dòng)控制流程見(jiàn)圖8。

5.   智能檢測(cè)設(shè)備

在成型機(jī)和彎曲機(jī)上安裝激光測(cè)量?jī)x，對(duì)變形區(qū)域進(jìn)行無(wú)接觸式管型測(cè)量。通過(guò)以太網(wǎng)將每次成型后的測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送到工藝模型計(jì)算機(jī)，然后將實(shí)際形狀與理論形狀進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)計(jì)算將優(yōu)化后的成型參數(shù)重新發(fā)往成型機(jī)的PLC，使工藝參數(shù)與實(shí)際成型狀態(tài)匹配，并將優(yōu)化的工藝參數(shù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中[10]，流程見(jiàn)圖9。

在預(yù)焊機(jī)出口處安裝線激光測(cè)量?jī)x，經(jīng)過(guò)軟件分析計(jì)算出焊縫的間隙和錯(cuò)邊量，并將數(shù)據(jù)傳給PLC系統(tǒng)，調(diào)整相應(yīng)壓輥的位置。通過(guò)安裝激光測(cè)量?jī)x檢測(cè)預(yù)焊機(jī)焊縫跟蹤見(jiàn)圖10。

6.   遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)

主要通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)（以太網(wǎng)、4G、5G、Wi-Fi）將不同區(qū)域的工業(yè)設(shè)備接入云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控、程序上下載和故障報(bào)警等功能，為用戶(hù)提供一種簡(jiǎn)單可靠的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸方案。

將本機(jī)的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，如當(dāng)前鋼板板號(hào)、運(yùn)行電流、震動(dòng)、溫度、液位、系統(tǒng)壓力等生產(chǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到PLC內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)用數(shù)據(jù)塊，用戶(hù)通過(guò)電腦或手機(jī)，可以隨時(shí)隨地了解現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)。遠(yuǎn)程監(jiān)控架構(gòu)圖見(jiàn)圖11。

7.   應(yīng)用效果

產(chǎn)品的加工精度取決于設(shè)備的控制精度，對(duì)主要設(shè)備在生產(chǎn)中的控制精度要求見(jiàn)表1。

該生產(chǎn)線為解決大口徑直縫焊管大規(guī)模批量化生產(chǎn)和多品種、多規(guī)格市場(chǎng)需求之間的矛盾，突破現(xiàn)有“模壓成型”的工藝方式，創(chuàng)新性的采用“輥式成型”的工藝方式，實(shí)現(xiàn)了全線設(shè)備生產(chǎn)能力與生產(chǎn)節(jié)奏的協(xié)調(diào)化，工藝和控制模型多樣化。

利用上述核心創(chuàng)新技術(shù)成果并匹配其余必要工序，完成了全線工藝、裝備與控制系統(tǒng)的集成創(chuàng)新，建成了國(guó)內(nèi)首條大口徑直縫焊管輥式成型柔性生產(chǎn)線，結(jié)合多工序協(xié)同連續(xù)生產(chǎn)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了?406~1422 mm全系列產(chǎn)品的高效柔性生產(chǎn)。

8.   結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目獨(dú)有的控制技術(shù)和設(shè)備打破了國(guó)外技術(shù)壟斷，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，實(shí)現(xiàn)了工藝技術(shù)與裝備原始創(chuàng)新及成套設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化，其研究創(chuàng)新方法對(duì)我國(guó)大型設(shè)備成套技術(shù)的自主研發(fā)具有重要參考價(jià)值，為大型復(fù)雜成套裝備的研制蹚出了一條新路；為國(guó)家綠色能源、安全能源輸送提供了有力支撐，同時(shí)降低了建設(shè)成本；為相關(guān)中小型民營(yíng)企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展、擺脫同質(zhì)低價(jià)殘酷競(jìng)爭(zhēng)提供了最佳選擇。

文章來(lái)源——金屬世界