宮志欣

(天津市河?xùn)|區(qū)職工大學(xué)，天津 300162)

相當(dāng)長的歷史時期以來，我國管加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢，管加工制品需要大量進(jìn)口，經(jīng)過近幾十年的高速發(fā)展，現(xiàn)今，我國已成為世界最大的管加工產(chǎn)品出口國。隨著行業(yè)的高速發(fā)展，眾多民營資本的加入，我國管加工企業(yè)呈現(xiàn)出井噴狀態(tài)，產(chǎn)能規(guī)模從年產(chǎn)幾百噸的小型民企到年產(chǎn)管加工成品數(shù)萬噸的國有特大型企業(yè)如雨后春筍般出現(xiàn)，一度見證了我國管加工行業(yè)的黃金時期。

近些年由于市場趨于飽和、國家環(huán)保政策的大力推進(jìn)、人工成本快速增加等多種原因，管加工行業(yè)總的規(guī)模呈逐年緩慢收縮的趨勢。面對市場的變化，國有大型或特大型企業(yè)生產(chǎn)方向朝大批量、高附加值、高端產(chǎn)品及企業(yè)特色產(chǎn)品發(fā)展。而以民營資本為依托的中小型管加工企業(yè)為了生存與發(fā)展，加大了對企業(yè)的改造力度，從企業(yè)管理方面開源節(jié)流、優(yōu)化企業(yè)運行的細(xì)節(jié)；從人力資源管理方面，減少人員使用，降低人工成本；從技術(shù)革新方面，建立可控規(guī)模的生產(chǎn)線，實現(xiàn)生產(chǎn)線程控和全自動運行，減少人工在加工環(huán)節(jié)的參與，增強(qiáng)產(chǎn)品可靠性，提高生產(chǎn)過程安全性等等，以此來應(yīng)對市場的變化，增加企業(yè)核心競爭力。

一、傳統(tǒng)管加工生產(chǎn)線的設(shè)計與運行模式

(一)傳統(tǒng)管加工生產(chǎn)線的設(shè)計

1.傳統(tǒng)管加工生產(chǎn)線主要可分為三個區(qū)段：

(1)初段(原料分揀)：進(jìn)料、探傷、初檢、稱重、測長、標(biāo)記；

(2)中段(機(jī)械及其他方式加工)：單、雙側(cè)螺紋加工、螺紋端擰結(jié)連接、螺紋保護(hù)、管體表面加工、管內(nèi)壁加工等；

(3)末段(表面處理及捆扎)：表面噴涂(內(nèi)壁噴涂)、稱重、測長、標(biāo)記蝕刻或噴涂、包裝環(huán)節(jié)。

2.工序銜接方式

工序銜接方式是以人工為主，輔助以簡單物流設(shè)備，如天車、輪駕車、無動力滾輪組等。

3.布局方式

粗放型布局，工序之間為人工作業(yè)留出很大空間。

(二)傳統(tǒng)管加工生產(chǎn)線的運行模式

傳統(tǒng)管加工生產(chǎn)線的基本運行模式為相鄰工序補(bǔ)位遞進(jìn)加工、工序之間人工完成工件流轉(zhuǎn)。

(三)傳統(tǒng)生產(chǎn)線的缺點

傳統(tǒng)生產(chǎn)線具有明顯的缺點，無法適應(yīng)當(dāng)今激烈的市場競爭的需求：

1.生產(chǎn)區(qū)域布局不合理、無法高效利用生產(chǎn)區(qū)域。

2.生產(chǎn)線運行需要大量現(xiàn)場操作人員，人工成本巨大。

3.各工序之間掣肘情況嚴(yán)重，生產(chǎn)效率低下。

4.產(chǎn)品質(zhì)量受工序操作人員技術(shù)水平與工作狀態(tài)影響大，質(zhì)量穩(wěn)定度低。

5.各工序和設(shè)備加工交叉進(jìn)行，生產(chǎn)效率低，現(xiàn)場安全難以保證，事故率高。

6.生產(chǎn)車間單位時間內(nèi)只能生產(chǎn)單一產(chǎn)品，無法應(yīng)對多批量，多規(guī)格產(chǎn)品同時生產(chǎn)的需求。

二、生產(chǎn)線實現(xiàn)程控自動化運行的優(yōu)勢

(一)對原生產(chǎn)線進(jìn)行改造，實現(xiàn)程控和自動化生產(chǎn)的步驟

重新設(shè)計原有加工設(shè)備的布局，增加進(jìn)給系統(tǒng)和位移系統(tǒng)，加裝光電開關(guān)、位移開關(guān)等元器件、區(qū)域控制可編程控制器(PLC)、增加輔助設(shè)備，實現(xiàn)程控基礎(chǔ)下全自動生產(chǎn)，輔助以人工監(jiān)控與維護(hù)，生產(chǎn)線的人工使用大幅度降低，尤其是中段機(jī)械加工部分，基本可以實現(xiàn)零人員作業(yè)。

(二)生產(chǎn)線程控自動運行的優(yōu)勢

1.科學(xué)布局，提高生產(chǎn)場地使用率；生產(chǎn)運行在科學(xué)設(shè)定范圍內(nèi)，提高生產(chǎn)效率。

2.成品質(zhì)量只受設(shè)備精度、生產(chǎn)線預(yù)設(shè)精度等影響，質(zhì)量水平同級度高、穩(wěn)定。

3.現(xiàn)場設(shè)備按程控設(shè)置，全自動化配合運行，實行大區(qū)段無人作業(yè)，生產(chǎn)效率高，保證作業(yè)期間人員安全。

4.可以生產(chǎn)單一規(guī)格產(chǎn)品，或多規(guī)格、品種產(chǎn)品混合生產(chǎn)，最大限度滿足企業(yè)的市場需求。

三、程控系統(tǒng)和自動化生產(chǎn)線設(shè)計前提

(一)管加工的工藝特點

單件工件大質(zhì)量、長徑比大，所以工件在運行和加工過程中放置方向的自由度基本為零，決定了工件只能在基本放置位置、方向不變的情況下做三維運動，即沿X軸、Y軸、Z軸方向相對零位基準(zhǔn)點做正負(fù)方向運動。

1.原料輸入和(半)成品輸出為同向的沿X軸正負(fù)方向運動(同一加工區(qū)域內(nèi)只能選擇X軸正向或負(fù)向設(shè)置，并作為生產(chǎn)線系統(tǒng)設(shè)計的水平面零位基準(zhǔn)與方向基準(zhǔn))。

2.原料及(半)成品篩選環(huán)節(jié)及工位轉(zhuǎn)換傳遞環(huán)節(jié)，工件沿Y軸向做正負(fù)方向運動，篩選工序與加工工序轉(zhuǎn)換方向為設(shè)定的相反方向。

3.工位轉(zhuǎn)換傳遞環(huán)節(jié)，工件以工位零基準(zhǔn)沿Z軸方向做正負(fù)向運動，運動范圍為(0-MAX)。

(二)管加工原料特點

同品種、同規(guī)格原料，規(guī)格參數(shù)同一，而單件原料長度和質(zhì)量不統(tǒng)一；混合加工，為同一區(qū)域、同一時間各加工單位區(qū)域加工原料品種與規(guī)格不同、單件原料的長度與質(zhì)量不同、原料和(半)成品輸入和輸出呈混合狀態(tài)。

(三)運行特點

在實際生產(chǎn)條件下，程控全自動生產(chǎn)線會按正常設(shè)定邏輯控制有序生產(chǎn)，但生產(chǎn)線全線或局部區(qū)域會因故障、局部飽和等多重因素，全部或局部、暫?；蚪K止加工及工件流轉(zhuǎn)。

(四)分揀作業(yè)

程控系統(tǒng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)能滿足原料及(半)成品在生產(chǎn)線自動運行的各區(qū)段進(jìn)行合格品分揀、多規(guī)格單件分揀、不同工藝要求向不同生產(chǎn)區(qū)域分配等多種分揀需求。

根據(jù)上述特點，全自動管加工生產(chǎn)線的程控部分為閉環(huán)、隨動控制系統(tǒng)，主要由主控(中央)計算機(jī)、單位工序可編程控制系統(tǒng)(PLC)、控制元器件(光電限位開關(guān)、行程開關(guān)等)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其他輔助設(shè)備等組成。

四、程控系統(tǒng)及控制方案設(shè)計

(一)初段程控作業(yè)功能

初段作業(yè)又稱為準(zhǔn)備作業(yè)，主要是對原料編號、稱重測長、探傷，并分揀出原材料中的不合格品。

1.編號

對原材料逐一編號，對噴(打)碼機(jī)輸出噴(打)碼作業(yè)指令，并對此工位反饋數(shù)據(jù)做記錄，記錄碼為該工件從原材料到成品加工的唯一在線編碼。

2.探傷

此工序運行原理與上述打碼工序相同，輸出運行指令，并記錄反饋數(shù)據(jù)，根據(jù)工件編碼，對每一工件數(shù)據(jù)進(jìn)行累加記錄，主要記錄內(nèi)容為檢驗不合格原料、對不合格情況如外(內(nèi))表面嚴(yán)重缺陷、管體內(nèi)部損傷進(jìn)行記錄；根據(jù)反饋數(shù)據(jù)分析，判定該工件返回修復(fù)或不可修復(fù)報廢；指令分揀系統(tǒng)將不合格品剔除；不合格品報廢或可修復(fù)情況由主控計算機(jī)記錄。

3.稱重、測長

主控計算機(jī)指令稱重測長設(shè)備對單件原料長度、質(zhì)量進(jìn)行測量，并將數(shù)據(jù)反饋給主控計算機(jī)，做系統(tǒng)記錄和數(shù)據(jù)累計。

初段控制反饋如圖1所示。

圖1 初段控制反饋示意圖

(二)中段程控作業(yè)功能

此區(qū)段為主要加工區(qū)段、以機(jī)械及其他方式加工為主，為程控系統(tǒng)的主要功能實施區(qū)域。

1.根據(jù)主控計算機(jī)傳遞的原料加工標(biāo)記下記錄的數(shù)據(jù)，區(qū)域可編程控制器(PLC)對位移執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出合適參數(shù)，如原料重心點與兩端距離、加工過程工件X軸正負(fù)向、Z軸正負(fù)向進(jìn)給數(shù)值，并根據(jù)單件工件記錄參數(shù)，計算出對所有位移執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行參數(shù)的補(bǔ)償量、實現(xiàn)工件準(zhǔn)確位移、滿足加工和傳遞等工序要求。

2.進(jìn)行單、雙側(cè)螺紋加工、螺紋端擰結(jié)連接、螺紋保護(hù)、管體表面加工、管內(nèi)壁加工等，并將所有加工參數(shù)反饋到主控計算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)計、記錄，與初段單件加工標(biāo)記匹配的數(shù)據(jù)整合并累計。

3.加工完成后，將檢測數(shù)據(jù)傳回主控計算機(jī)、并由主控計算機(jī)指令向下一環(huán)節(jié)輸送合格品或?qū)⒉缓细衿泛Y除(返修或報廢)。

中段控制反饋如圖2所示。

圖2 中段控制反饋示意圖

(三)末段程控作業(yè)功能

此階段為最后加工階段，程控系統(tǒng)的功能為指令、記錄與數(shù)據(jù)統(tǒng)計匯總。

1.重復(fù)位移及傳遞作業(yè)功能。

2.區(qū)域可編程控制器(PLC)根據(jù)加工標(biāo)記所記載數(shù)據(jù)，對工件單位加工位置停留時間進(jìn)行準(zhǔn)確設(shè)定，滿足如內(nèi)外表面噴涂、內(nèi)外表面烘干或自然凝結(jié)等工序的需要。

3.再次進(jìn)行單件的稱重、測長等參數(shù)測量，并將數(shù)據(jù)傳回主控計算機(jī)。

4.包裝工序完成后，由主控計算機(jī)將捆扎包裹內(nèi)所有單件各項參數(shù)進(jìn)行累計，如總質(zhì)量、總長度、加工時間、貨品批次、捆扎方式、碼放位置等信息匯總并記錄。

5.將產(chǎn)品全部數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡髽I(yè)局域網(wǎng)，由企業(yè)各職能部門根據(jù)權(quán)限和需要，調(diào)取或分享，成為企業(yè)生產(chǎn)、銷售、存檔、追溯等多項工作的依據(jù)。

末段控制反饋如圖3所示。

圖3 末段控制反饋示意圖

五、生產(chǎn)線自動化運行系統(tǒng)設(shè)計

生產(chǎn)線自動化運行系統(tǒng)的組成部分及功用如下：

(一)檢測機(jī)構(gòu)

檢測機(jī)構(gòu)主要由探傷設(shè)備、稱重、測長設(shè)備、工序檢測設(shè)備等組成。其主要功用是檢測原料或(半)成品的各項參數(shù)、狀態(tài)、合格情況，將檢測結(jié)果向主控系統(tǒng)反饋，并由主控系統(tǒng)記錄、分析后形成參數(shù)記錄，依據(jù)設(shè)定參數(shù)執(zhí)行方式對生產(chǎn)線給予相應(yīng)指令。

(二)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括進(jìn)給機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、橫向位移機(jī)構(gòu)、鏈床、滾輪、縱向或橫向位移托架等。其主要功用是根據(jù)主控系統(tǒng)和區(qū)域可編程控制器(PLC)的指令對工件進(jìn)行X、Y、Z軸方向移動，實現(xiàn)生產(chǎn)線自動運轉(zhuǎn)。

(三)輔助機(jī)構(gòu)和設(shè)備

輔助機(jī)構(gòu)和設(shè)備主要包括水平和傾斜料架、執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)頭結(jié)構(gòu)和區(qū)域可編程控制器(PLC)及附屬感應(yīng)元器件、液壓機(jī)構(gòu)等。其主要功能是將感應(yīng)元器件采集的感應(yīng)參數(shù)傳輸至區(qū)域可編程控制器(PLC)，由其根據(jù)設(shè)定程序指令液壓機(jī)構(gòu)改變料架角度、機(jī)頭幾何形狀與參數(shù)，符合本模塊對工件存放、傳遞、處理等的總體要求。

(四)加工設(shè)備

加工設(shè)備是生產(chǎn)線配置的所有用于對原材料加工的設(shè)備的總稱，包括數(shù)控機(jī)床、數(shù)控鋸床、噴涂機(jī)、噴標(biāo)機(jī)、擰結(jié)機(jī)等。加工設(shè)備雖不屬于控制系統(tǒng)和運行系統(tǒng)，但所有程控系統(tǒng)和生產(chǎn)線自動運行系統(tǒng)都是圍繞設(shè)備加工特點、實現(xiàn)加工設(shè)備功能而設(shè)計的，是程控系統(tǒng)和自動運行系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。

(五)維修設(shè)備

維修設(shè)備包括桁車、升降臺、液壓起重臺、小型軌道車等。其作為重要的輔助系統(tǒng)，在系統(tǒng)的任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障及事故的情況下，都可以為故障快速排除修復(fù)及事故救援提供有力保障，使生產(chǎn)線能夠快速恢復(fù)常態(tài)運行模式。

生產(chǎn)線自動化運行系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 生產(chǎn)線自動化運行系統(tǒng)圖

六、程控系統(tǒng)單位功能子系統(tǒng)

(一)檢驗測量子系統(tǒng)

檢驗測量系統(tǒng)有以下兩種構(gòu)成方式：

1.由檢驗測量設(shè)備獨立構(gòu)成、與主控計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并完成功能作業(yè)，如稱重、測長、噴標(biāo)、刻標(biāo)等。

2.由檢測設(shè)備、區(qū)域可編程控制器(PLC)構(gòu)成，與主控計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并根據(jù)設(shè)定參數(shù)判斷原料或(半)成品質(zhì)量狀態(tài)，由主控計算機(jī)指令區(qū)域可編程控制器(PLC)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行分揀作業(yè)。

(二)位移子系統(tǒng)

該系統(tǒng)是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、區(qū)域可編程控制器(PLC)、掃描設(shè)備組成，由掃描設(shè)備掃描加工標(biāo)記并傳輸至主控計算機(jī)系統(tǒng)，提取已記錄參數(shù)傳至區(qū)域可編程控制器(PLC)，根據(jù)數(shù)據(jù)設(shè)定各項位移參數(shù)，指令執(zhí)行機(jī)構(gòu)以實現(xiàn)工件各工位的精確位移。

(三)加工子系統(tǒng)

加工子系統(tǒng)是由數(shù)控加工設(shè)備獨立構(gòu)成的加工單元，接受主控計算機(jī)指令，根據(jù)數(shù)控設(shè)備已儲存的、對各規(guī)格工件的加工模式、數(shù)據(jù)，完成對工件各工序的加工。

(四)反饋子系統(tǒng)

1.位移啟動系統(tǒng)

由光電開關(guān)、位移開關(guān)等與區(qū)域可編程控制器(PLC)構(gòu)成，其主要功能是工件運行接觸位移開關(guān)時，發(fā)出啟動信號至區(qū)域控制計算機(jī)，由計算機(jī)根據(jù)工件參數(shù)立即或延遲啟動位移執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2.安全保護(hù)系統(tǒng)

安全子系統(tǒng)是由光電開關(guān)、位移開關(guān)單獨或組合，并與區(qū)域可編程控制器(PLC)聯(lián)合主控計算機(jī)構(gòu)成的多回路控制系統(tǒng)。其主要功能為，生產(chǎn)線出現(xiàn)故障或事故，可能影響到局部或系統(tǒng)的安全，這時安全子系統(tǒng)啟動，局部或全部停止生產(chǎn)線及系統(tǒng)的工作，是多重反饋的多回路控制系統(tǒng)，即元器件的啟動信號同時傳輸?shù)街骺赜嬎銠C(jī)和區(qū)域可編程控制器(PLC)，由主控計算機(jī)最終判定對全系統(tǒng)和全線的終止模式。在反饋模塊使用方面一般采用多種不同規(guī)格、原理的元器件組合，確保對信號反饋的準(zhǔn)確性和及時性，采用優(yōu)先反饋原則，即系統(tǒng)中只要有一個元器件啟動、產(chǎn)生反饋信號，整個安全系統(tǒng)即被激活。

3.緊急制動系統(tǒng)

緊急制動系統(tǒng)也稱為最終安全系統(tǒng)，在生產(chǎn)線各個區(qū)域均有設(shè)置，主要由不同規(guī)格和作用原理的繼電器組成，每個繼電器都與緊急制動機(jī)構(gòu)相連，并將啟動電信號傳回主控計算機(jī)；該系統(tǒng)也采用優(yōu)先反饋原則，即有任何一個繼電器被觸發(fā)，緊急制動功能即啟動，切斷電源、全線終止。這是生產(chǎn)線自動運行條件下不可缺少的最后安全保障手段，以確保生產(chǎn)線在自動運行狀態(tài)下，一旦有重大事故或災(zāi)難前兆出現(xiàn)，全線能夠及時停電、停車、使生產(chǎn)區(qū)域處于安全狀態(tài)。

七、程控系統(tǒng)和自動運行生產(chǎn)線的設(shè)計特點及展望

(一)程控系統(tǒng)和自動運行生產(chǎn)線設(shè)計的特點

從上文描述不難看出，傳統(tǒng)生產(chǎn)線只是各加工設(shè)備的隨意組合，場地設(shè)置、設(shè)備配置、人工需求、工件流轉(zhuǎn)都是原始的、粗放型的，準(zhǔn)確地說是“大作坊”式生產(chǎn)、產(chǎn)能低下，安全隱患嚴(yán)重，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊；而本文的程控系統(tǒng)和自動運行生產(chǎn)線是根據(jù)中小管加工企業(yè)生產(chǎn)實際而量身設(shè)計的，在原生產(chǎn)模式基礎(chǔ)上，對生產(chǎn)線進(jìn)行科學(xué)布局、加裝自動化運行設(shè)備，并受主控系統(tǒng)統(tǒng)一管理，極大地提高了生產(chǎn)效率和作業(yè)安全性，并保證了產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。

(二)程控系統(tǒng)和自動運行生產(chǎn)線設(shè)計的展望

隨著企業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大和技術(shù)水平的進(jìn)步，程控與自動運行生產(chǎn)線將成為管加工生產(chǎn)企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)配置。而未來的程控和自動化發(fā)展趨勢幾乎不再需要人工干預(yù)，智能化會廣泛用于生產(chǎn)線的各個組成部分。從物料進(jìn)場完成堆放以后，到成品根據(jù)訂單和銷售計劃裝載出廠之前的全部生產(chǎn)過程，均由程控生產(chǎn)運行系統(tǒng)完成，智能系統(tǒng)會根據(jù)訂單信息安排生產(chǎn)系統(tǒng)運行的生產(chǎn)計劃，并安排選料、生產(chǎn)、包裝、堆放等全過程。而人工任務(wù)只局限于向系統(tǒng)提供各種訂單內(nèi)容、完成日期的指令；根據(jù)系統(tǒng)故障反饋信息進(jìn)行生產(chǎn)線保全與維修；根據(jù)系統(tǒng)提供產(chǎn)品完成信息和訂單協(xié)議發(fā)貨出廠，這也是所有生產(chǎn)系統(tǒng)未來發(fā)展的一致方向。