在碳達峰、碳中和背景下，能源結構“去煤化”方向明顯，根據《中長期油氣管網規(guī)劃》，我國油氣輸送將形成“主干互聯(lián)、區(qū)域成網”的模式，對多品種、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采用“模壓成型”的生產方式存在工、模具數量多，規(guī)格更換耗時長，效率與性能不可兼顧的缺點，難以滿足市場需求，急需研發(fā)一種新型生產工藝技術[1]。

太重完全自主開發(fā)了“管體輥式成型+直邊輥式彎曲+連續(xù)合縫預焊”三位一體的聯(lián)合變形技術及設備，其三位一體工藝流程見圖1。

1. 系統(tǒng)配置

管體輥式成型機的裝機功率為1200 kW，配有液壓控制柜、配電控制柜、輔助傳動控制柜、制動電阻柜共9組電氣控制柜。主PLC采用Siemens1515T運動控制器。管體輥式成型機的設備見圖2。

4軸3馬達閥控系統(tǒng)：成型力大，而且主缸無桿腔與有桿腔面積比達到6倍。壓下、補償時，4缸同時作用于上輥，因此需要4缸同步工作，要求伸出時定位精度高，回程時響應速度快。采用非對稱伺服比例閥進行位置控制，大流量插裝閥排出回程油液。管體成型時，3個排量不同的馬達線速度同步運行，且為正反兩個方向轉換工作，采用高精伺服比例閥進行位置控制，并且可進行壓力保護，從而實現(xiàn)新型輥式成型機工藝及設備的精確控制[2]。

直邊輥式彎曲機的裝機功率為400 kW，配有液壓控制柜、配電控制柜、輔助傳動控制柜、制動電阻柜共7組電氣控制柜。主PLC采用Siemens1515T運動控制器[3]。直邊輥式彎曲機設備外形見圖3。

6軸2馬達閥控系統(tǒng)：輥式彎曲機配置了6個液壓缸和2個馬達，每道次孔型調整時，6缸同時工作，定位精度高、響應速度快。采用非對稱伺服比例閥進行位置控制，彎曲成型時，2個馬達線速度同步運行，且為正反兩個方向轉換工作，采用高精伺服比例閥進行速度同步控制，并且可進行壓力保護，從而實現(xiàn)輥式彎曲機工藝及設備的精確控制[4]。

連續(xù)合縫預焊機（圖4）的裝機功率為300 kW，配有液壓控制柜、配電控制柜、輔助傳動控制柜、制動電阻柜共7組電氣控制柜。主PLC采用Siemens1516T運動控制器。

14軸閥控系統(tǒng)：9軸合縫預焊機沿周向配置14個截面積相等的液壓缸，初步定位調整時，14缸同步運行。閥控系統(tǒng)采用四通伺服比例閥，滿足了工藝及設備的控制要求。機械擴徑機4閥協(xié)同液壓閥控系統(tǒng)：全長機械擴徑機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，針對被控對象的動力學特征，通過采集液壓缸的位移、時間、閥開口度數據，得到速度離散點，形成不同負載條件下閥的開口度與液壓缸的速度曲線，制定出相應的比例閥控制特性曲線，依據真實負載曲線，精確調整閥的開口度，從而實現(xiàn)單軸高精度位置閉環(huán)控制，被控對象位置定位精度可達±0.01 mm[5]；其單軸位置控制原理見圖5。

外界多種因素造成被控對象的不同步，為了滿足多軸、多馬達高精度同步運行的需求，建立多軸協(xié)調運動機構的系統(tǒng)傳遞函數，采集被控對象的位移和壓力信號，根據設備不同動力學特性選擇同步控制模式（同向同步和反向同步），通過主軸和從軸實際位置的差值對從軸的慣性、前饋、比例增益、滑動摩擦等特性進行補償，實現(xiàn)多軸、多馬達的高精度同步控制[6]。

管體輥式成型機要求4軸3馬達同步控制，輥式彎曲機要求6軸2馬達同步控制。工作時負載大，被控對象慣量大，因此流量、功率輸出較大，采用同向同步方式，運行較快的油缸減慢速度，運行較慢的油缸加快速度，閥的開口方向不發(fā)生改變，避免大流量變化帶來的液壓系統(tǒng)的震蕩，實現(xiàn)新型輥式成型機與輥式彎曲機多軸、多馬達的同步運行[7]。

連續(xù)合縫預焊機要求14軸同步控制，被控對象慣量小，輸出流量小，因此響應速度快，采用反向同步方式，當液壓缸不同步時，增大運行較慢的液壓缸閥開口度，將較快的液壓缸閥開口度反向調整，從而快速調整位置有偏差的液壓缸，實現(xiàn)9軸合縫預焊機的多軸同步運行，反向同步調整方式較正向同步方式響應速度更快，如圖6所示。應用該多軸/多馬達高精度同步控制方法，被控伺服缸、馬達同步精度達到±0.1 mm，滿足了工藝設備的運行要求和生產線靈活多變的控制需求[8]，并且實現(xiàn)了邏輯控制與運動控制一體化。多軸同步控制原理與控制運行曲線見圖6。

3. 節(jié)能控制系統(tǒng)

液壓站系統(tǒng)配置了伺服電機+伺服驅動器+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生溢流，從而帶來節(jié)能效果[9]。

其原理是在未到達設定壓力之前，驅動器執(zhí)行速度閉環(huán)控制模式，電機以設定的最大轉速跑動；到達設定壓力之后，驅動器執(zhí)行壓力閉環(huán)控制模式，伺服系統(tǒng)只負責維持壓力恒定，速度自適應。電機在不同時間階段功率損耗情況見圖7。

4. 自動控制系統(tǒng)

全自動的運行需要兩個必要條件，首先工藝軟件要準確，根據不同鋼管的加工工藝計算出每個設備的輸送步長及壓下量；其次自動工作流程要準確，這樣不僅可以提高生產效率，節(jié)約生產成本，還可以有效的對人身和設備進行保護。

整個自動控制流程加入了GRAPH語言編程，省去了中間寄存器，使得順序控制更加容易。其自動控制流程見圖8。

5. 智能檢測設備

在成型機和彎曲機上安裝激光測量儀，對變形區(qū)域進行無接觸式管型測量。通過以太網將每次成型后的測量數據發(fā)送到工藝模型計算機，然后將實際形狀與理論形狀進行對比，通過計算將優(yōu)化后的成型參數重新發(fā)往成型機的PLC，使工藝參數與實際成型狀態(tài)匹配，并將優(yōu)化的工藝參數存儲到數據庫中[10]，流程見圖9。

在預焊機出口處安裝線激光測量儀，經過軟件分析計算出焊縫的間隙和錯邊量，并將數據傳給PLC系統(tǒng)，調整相應壓輥的位置。通過安裝激光測量儀檢測預焊機焊縫跟蹤見圖10。

6. 遠程監(jiān)控平臺

主要通過互聯(lián)網（以太網、4G、5G、Wi-Fi）將不同區(qū)域的工業(yè)設備接入云平臺，實現(xiàn)遠程數據監(jiān)控、程序上下載和故障報警等功能，為用戶提供一種簡單可靠的工業(yè)互聯(lián)網數據遠程傳輸方案。

將本機的設備狀態(tài)數據，如當前鋼板板號、運行電流、震動、溫度、液位、系統(tǒng)壓力等生產數據存儲到PLC內的物聯(lián)網專用數據塊，用戶通過電腦或手機，可以隨時隨地了解現(xiàn)場設備狀態(tài)。遠程監(jiān)控架構圖見圖11。

7. 應用效果

產品的加工精度取決于設備的控制精度，對主要設備在生產中的控制精度要求見表1。

該生產線為解決大口徑直縫焊管大規(guī)模批量化生產和多品種、多規(guī)格市場需求之間的矛盾，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，實現(xiàn)了全線設備生產能力與生產節(jié)奏的協(xié)調化，工藝和控制模型多樣化。

利用上述核心創(chuàng)新技術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，建成了國內首條大口徑直縫焊管輥式成型柔性生產線，結合多工序協(xié)同連續(xù)生產控制技術，實現(xiàn)了?406~1422 mm全系列產品的高效柔性生產。

8. 結束語

本項目獨有的控制技術和設備打破了國外技術壟斷，填補了國內空白，實現(xiàn)了工藝技術與裝備原始創(chuàng)新及成套設備的國產化，其研究創(chuàng)新方法對我國大型設備成套技術的自主研發(fā)具有重要參考價值，為大型復雜成套裝備的研制蹚出了一條新路；為國家綠色能源、安全能源輸送提供了有力支撐，同時降低了建設成本；為相關中小型民營企業(yè)轉型發(fā)展、擺脫同質低價殘酷競爭提供了最佳選擇。

文章來源——金屬世界