管道防腐生產(chǎn)線運(yùn)管板鏈同步控制系統(tǒng)

姜 珮 蔣 沛 羅維多 黃盼盼 段井玉

（1. 天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730060；2. 山東東宏管業(yè)股份有限公司，山東 濟(jì)寧 273100 ）

1 管道防腐生產(chǎn)線運(yùn)管板鏈同步控制系統(tǒng)提出的背景

隨著電機(jī)技術(shù)與電機(jī)精度不斷提高，許多原來由復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)控制，現(xiàn)在越來越多地采用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)代替，而傳統(tǒng)的單電機(jī)驅(qū)動(dòng)難以滿足現(xiàn)代工業(yè)需求，所以多電機(jī)同步控制更多的應(yīng)用于各種領(lǐng)域，尤其是軋鋼行業(yè)、紡織行業(yè)、印染行業(yè)、造紙行業(yè)等多變量控制領(lǐng)域。同步控制算法與控制方式的選擇直接關(guān)系著系統(tǒng)的可靠性，產(chǎn)品的質(zhì)量和市場(chǎng)銷售，研究多電機(jī)的同步控制，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有重要意義。

管道防腐生產(chǎn)主要是針對(duì)鋼管進(jìn)行的，在鋼管防腐生產(chǎn)過程中，根據(jù)需要對(duì)鋼管依次進(jìn)行內(nèi)外拋丸、管內(nèi)吹掃、鋼管內(nèi)外環(huán)氧噴涂、3PE纏繞、聚氨酯泡沫噴涂纏繞、鋼管端口打磨等工序處理（圖1所示：一條鋼管內(nèi)外環(huán)氧、3PE、聚氨酯泡沫噴涂生產(chǎn)線工藝布置圖）。而鋼管在緩存平臺(tái)上平移的精確度直接影響上述工序能否順利進(jìn)行。

圖1 鋼管內(nèi)外環(huán)氧、3PE、聚氨酯泡沫噴涂生產(chǎn)線工藝布置圖

2 鋼管平移技術(shù)現(xiàn)狀及存在問題

目前國(guó)內(nèi)管道防腐生產(chǎn)工藝中，大部分采用人工扳滾的方式實(shí)現(xiàn)鋼管在緩存平臺(tái)上的平移，這種方式主要存在以下兩方面的問題。

第一，經(jīng)濟(jì)性方面的問題。在外拋丸工序段，拋丸完成后的鋼管之間、鋼管與緩存平臺(tái)之間相互碰撞擠壓，容易造成鋼管外表面錨紋深度不達(dá)標(biāo)，需要重新進(jìn)行外拋丸作業(yè)，直到鋼管外表面錨紋深度檢測(cè)合格。在聚氨酯泡沫噴涂工序段，附著聚氨酯泡沫的鋼管在滾動(dòng)過程中，容易造成聚氨酯泡沫開裂（如圖2所示），需要經(jīng)過人工鏟除整根鋼管表面的聚氨酯泡沫再重新進(jìn)行噴涂作業(yè)。在內(nèi)外環(huán)氧噴涂等工序段也同樣會(huì)出現(xiàn)類似的鋼管質(zhì)檢不合格的問題。由此可見，人工扳滾導(dǎo)致鋼管質(zhì)檢不達(dá)標(biāo)時(shí)，耗費(fèi)了大量的原材料和人力資源。同時(shí)，隨著管徑的不斷增大，采用人力移動(dòng)鋼管變得越來越困難；

圖2 聚氨酯泡沫開裂脫落

第二，安全性方面的問題。包括設(shè)備安全和人身安全。設(shè)備安全方面，人工扳滾用力過大導(dǎo)致鋼管在慣性作用下從緩存平臺(tái)掉落，砸壞地面上其他的設(shè)備。人身安全方面，因?yàn)榘夤苋藛T的疏忽大意很可能發(fā)生鋼管間擠傷事故，甚至威脅到員工的生命安全。

因此，我們開發(fā)出運(yùn)管板鏈設(shè)備取代鋼管緩存平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)布置如圖3、圖4所示。圖3中，型材底座以一定的間隔安裝在水平地面上，其上安裝橫梁，在橫梁的兩端分別裝有主動(dòng)輪和被動(dòng)輪，用工業(yè)鏈條將主動(dòng)輪與被動(dòng)輪連接起來，其中，主動(dòng)輪的一側(cè)安裝有一個(gè)三相交流異步電機(jī)，由以上相同的兩條板鏈組成一套完整的運(yùn)管板鏈裝置，如圖4所示。運(yùn)管板鏈裝置可以同時(shí)完成多根鋼管的橫向平移，將鋼管從一個(gè)工位順序移動(dòng)到下一工位。

圖3 單臺(tái)板鏈圖

圖4 整體結(jié)構(gòu)圖

實(shí)際應(yīng)用中，由于兩條板鏈的制造安裝及其驅(qū)動(dòng)電機(jī)存在誤差，使得兩條板鏈在平移過程中存在速度差，因此，亟需設(shè)計(jì)一套運(yùn)管板鏈同步控制系統(tǒng)，使得運(yùn)管板鏈運(yùn)行同步。這種同步方式再不需要增加復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，安裝難度小，造價(jià)低，適用于不允許開挖基坑的管道防腐生產(chǎn)線。

3 基于PLC的管道防腐生產(chǎn)線運(yùn)管板鏈同步控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 運(yùn)管板鏈同步控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案

運(yùn)管板鏈同步控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于三層設(shè)備、兩層網(wǎng)絡(luò)的3+2網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)。第一層設(shè)備是位于上層的操作設(shè)備，如操作臺(tái)、觸摸屏等。第二層設(shè)備是位于中間層的控制設(shè)備，如PLC等。第三層設(shè)備是位于底層的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，如編碼器、各種分布式IO設(shè)備等。兩層網(wǎng)絡(luò)是指現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制設(shè)備之間的控制網(wǎng)絡(luò)，控制設(shè)備與操作設(shè)備之間的管理網(wǎng)絡(luò)。

3.2 硬件部分

運(yùn)管板鏈同步控制系統(tǒng)主要由PLC、變頻器、三相異步電動(dòng)機(jī)、編碼器等硬件組成，如下圖5所示。PLC是實(shí)時(shí)控制的核心設(shè)備，通過PROFIBUSDP總線與兩臺(tái)變頻器進(jìn)行通訊，通訊硬件連接圖如圖7所示，讀取變頻器中各個(gè)電機(jī)的速度，向變頻器發(fā)送指令，設(shè)置各個(gè)電機(jī)的速度，同時(shí)接受變頻器反饋回來的運(yùn)行狀態(tài)信息和故障報(bào)警信息等。變頻器是電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，它通過DP總線與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，控制電機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行和停止。編碼器實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，將檢測(cè)數(shù)據(jù)通過譯碼轉(zhuǎn)變成PLC可接受的電信號(hào)傳送給PLC，再由PLC向變頻器發(fā)送命令，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。其在現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備和操作柜位置如圖6所示。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖6 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及操作柜

3.3 軟件部分

利用西門子公司的STEP7編程軟件來實(shí)現(xiàn)運(yùn)管板鏈同步控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)、PLC編程以及從站通訊等軟件設(shè)計(jì)。

PLC控制系統(tǒng)主程序流程圖如圖8所示。 PLC上電后程序開始循環(huán)執(zhí)行，根據(jù)需要，可對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行相應(yīng)控制，PLC響應(yīng)時(shí)間為10ms。

圖8 主程序流程圖

系統(tǒng)上電后，PLC首先執(zhí)行初始化程序，接著在操作臺(tái)啟動(dòng)運(yùn)管板鏈，PLC將發(fā)送啟動(dòng)命令控制字給兩個(gè)變頻器，兩個(gè)變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)開始運(yùn)行。系統(tǒng)以電機(jī)1的轉(zhuǎn)速為基準(zhǔn)，并由編碼器1測(cè)得電機(jī)1的轉(zhuǎn)速；編碼器1測(cè)得的數(shù)據(jù)通過譯碼轉(zhuǎn)變成PLC可接受的電信號(hào)實(shí)時(shí)上傳至PLC存儲(chǔ)器中，同時(shí)編碼器2測(cè)得了電機(jī)2的轉(zhuǎn)速，同樣的，編碼器2測(cè)得的數(shù)據(jù)通過譯碼轉(zhuǎn)變成PLC可接受的電信號(hào)實(shí)時(shí)上傳至PLC存儲(chǔ)器中，PLC把采集到的信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)電機(jī)2的轉(zhuǎn)速小于電機(jī)1的轉(zhuǎn)速時(shí)，PLC發(fā)送加速指令給變頻器2，變頻器2驅(qū)動(dòng)電機(jī)2加速；當(dāng)電機(jī)2的轉(zhuǎn)速大于電機(jī)1的轉(zhuǎn)速時(shí)，PLC發(fā)送減速指令給變頻器2，變頻器2驅(qū)動(dòng)電機(jī)2減速；直到測(cè)得的電機(jī)2的轉(zhuǎn)速和電機(jī)1的轉(zhuǎn)速相等，這樣依次循環(huán)進(jìn)行，最終電機(jī)2和電機(jī)1同步運(yùn)行。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用出現(xiàn)的問題及解決方案

前文從理論上闡述了運(yùn)管板鏈同步控制方案，但在調(diào)試過程中，運(yùn)管板鏈運(yùn)行依然出現(xiàn)了不同步的情況。經(jīng)過多次試驗(yàn)論證，我們依次排除了硬件連接的問題，通訊干擾問題，軟件組態(tài)和編程等問題，最終確認(rèn)是由于機(jī)械運(yùn)行產(chǎn)生振動(dòng)，從而導(dǎo)致編碼器檢測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)受到影響，這對(duì)運(yùn)管板鏈同步控制的實(shí)現(xiàn)來說是致命的。

為了消除機(jī)械振動(dòng)對(duì)運(yùn)管板鏈同步控制系統(tǒng)的影響，我們結(jié)合編碼器原理，將運(yùn)管板鏈同步控制系統(tǒng)中編碼器信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行改造，如圖9所示，在每條板鏈的旋轉(zhuǎn)盤上焊接有感應(yīng)塊，這些感應(yīng)塊將每個(gè)旋轉(zhuǎn)盤均勻的分為相同的若干等份，并使用電磁感應(yīng)式接近開關(guān)檢測(cè)這些感應(yīng)塊，接近開關(guān)每感應(yīng)到一次感應(yīng)塊都會(huì)執(zhí)行一次開關(guān)動(dòng)作，PLC將采集到的開關(guān)信號(hào)在程序中進(jìn)行累加，并通過兩個(gè)接近開關(guān)動(dòng)作的累加值判斷運(yùn)管板鏈?zhǔn)欠裢竭\(yùn)行。接下來對(duì)感應(yīng)塊的設(shè)置密度作一說明，調(diào)試時(shí)，我們將旋轉(zhuǎn)盤依次進(jìn)行八等份，十二等份和十六等份。測(cè)得運(yùn)管板鏈同步控制系統(tǒng)的精度誤差分別接近30%，13%和0.8%。當(dāng)精度誤差接近0.8%時(shí)就已經(jīng)達(dá)到運(yùn)管板鏈的同步控制要求，最終選擇將旋轉(zhuǎn)盤十六等份。對(duì)于不同直徑的旋轉(zhuǎn)盤來說（本板鏈旋轉(zhuǎn)盤直徑800mm），可按照直徑比例和精度要求增加或者減少相應(yīng)數(shù)量的感應(yīng)塊。

圖9 信號(hào)采集系統(tǒng)改造圖

對(duì)運(yùn)管板鏈同步控制系統(tǒng)中編碼器信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行的改造，有效解決了機(jī)械振動(dòng)對(duì)運(yùn)管板鏈同步控制系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。如圖10所示，其同步效果良好。

圖10 運(yùn)管板鏈同步運(yùn)行效果圖

4 結(jié)語

前文所討論的運(yùn)管板鏈同步控制系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了運(yùn)管板鏈同步控制。本控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用于中國(guó)海洋石油管道防腐公司塘沽分公司管道防腐車間。這不僅為生產(chǎn)企業(yè)節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本，而且消除了生產(chǎn)過程中可能存在的安全隱患。據(jù)統(tǒng)計(jì)，運(yùn)管板鏈及其同步控制系統(tǒng)的應(yīng)用可以為企業(yè)節(jié)約成本約350萬元/年。因此具有較高的實(shí)用價(jià)值。在以后的設(shè)計(jì)中，我們對(duì)信號(hào)采集系統(tǒng)與板鏈設(shè)備進(jìn)一步集成優(yōu)化，使其成為一項(xiàng)成熟的技術(shù)應(yīng)用在以后的項(xiàng)目中。