在碳達峰、碳中和背景下，能源結構“去煤化”方向明顯，根據《中長期油氣管網規劃》，我國油氣輸送將形成“主干互聯、區域成網”的模式，對多品種、多規格大口徑直縫焊管（直徑≥?406 mm）需求急劇增加。傳統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，急需研發一種新型生產工藝技術[1]。

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

1.   系統配置

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：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：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，從而實現輥式彎曲機工藝及設備的精確控制[4]。

連續合縫預焊機（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：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閥協同液壓閥控系統：全長機械擴徑機為單缸大流量輸出系統，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

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，從而實現單軸高精度位置閉環控制，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，建立多軸協調運動機構的系統傳遞函數，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，閥的開口方向不發生改變，避免大流量變化帶來的液壓系統的震蕩，實現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.   節能控制系統

液壓站系統配置了伺服電機+伺服驅動器+定量泵系統方案。該系統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，從而帶來節能效果[9]。

其原理是在未到達設定壓力之前，驅動器執行速度閉環控制模式，電機以設定的最大轉速跑動；到達設定壓力之后，驅動器執行壓力閉環控制模式，伺服系統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

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，通過計算將優化后的成型參數重新發往成型機的PLC，使工藝參數與實際成型狀態匹配，并將優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，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.   遠程監控平臺

主要通過互聯網（以太網、4G、5G、Wi-Fi）將不同區域的工業設備接入云平臺，實現遠程數據監控、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互聯網數據遠程傳輸方案。

將本機的設備狀態數據，如當前鋼板板號、運行電流、震動、溫度、液位、系統壓力等生產數據存儲到PLC內的物聯網專用數據塊，用戶通過電腦或手機，可以隨時隨地了解現場設備狀態。遠程監控架構圖見圖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模批量化生產和多品種、多規格市場需求之間的矛盾，突破現有“模壓成型”的工藝方式，創新性的采用“輥式成型”的工藝方式，實現了全線設備生產能力與生產節奏的協調化，工藝和控制模型多樣化。

利用上述核心創新技術成果并匹配其余必要工序，完成了全線工藝、裝備與控制系統的集成創新，建成了國內首條大口徑直縫焊管輥式成型柔性生產線，結合多工序協同連續生產控制技術，實現了?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，實現了工藝技術與裝備原始創新及成套設備的國產化，其研究創新方法對我國大型設備成套技術的自主研發具有重要參考價值，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轉型發展、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