自动控制技术“芯”动短流程限动芯棒连轧管机组

 国际工业自动化网 彭昭

      太原通泽是我国重型机械行业的后起之秀，是一家成立不过7年的年轻企业，但她所表现出来的生命力却在同行业中不可小觑。通泽成功的研制了第一套国产φ250mm五机架限动芯棒连轧管机组成套设备，具备了与国外同类型的产品展开面对面较量的实力，并且正在制造世界首创的φ114mm节能型短流程限动芯棒连轧管机组生产线（CPS），为我国无缝钢管生产水平的提高发挥着越来越重要的作用。作为多年的“西门子OEM合作伙伴”，通泽的成功离不开西门子自动化控制技术那颗跳动的“芯”作为强大后盾。

        时光倒流十几年，受当时石油产业对油井管需求旺盛的影响，限动芯棒连轧管机组（MPM: Multi-Stand Pipe Mill）技术得到了飞速发展，在其基础上诞生的Mini-MPM（少机架限动芯棒连轧）技术是当代国际上公认的无缝钢管生产领域中的最新技术，它的机架数由原来的7～8 架减少至4～5架，与MPM相比它的最大特点是实现了用更短的芯棒轧制较长的钢管，芯棒的工作段长度比MPM短了2～3m，芯棒总长度可缩短5m左右。21世纪国际上新建机组大都采用了这种机型。
        面对Mini-MPM在技术、产量、质量、自动化和劳动生产率等方面的突出优势，中国无缝钢管界对其给予了广泛关注和一致推崇，我国曾经不惜重金从国外引进过两套Mini-MPM生产线，但其高额的投资使我国普通生产企业浅尝辄止。国内无缝钢管领域资历稍深的工程技术管理人员，对这一幕仍然记忆犹新。

 
 图1：太原通泽为天津钢管公司提供φ258mm三辊限动芯棒连轧管机组（PQF）穿孔机

       用什么样的结构形式才能满足Mini-MPM新机型的要求，使其发挥优势，实现高效生产，达到理想的效果，一直是我国无缝钢管界探索的目标。多年来我国一直没有哪家企业开发采用这项技术。如今，一切都已成为历史，最大的功臣便是当时仅仅成立5年的太原通泽成套设备有限公司（以下简称太原通泽）。“2006年我们为无锡西姆莱斯公司研发制造了我国第一套国产φ250mm五机架限动芯棒连轧管机组成套设备，打破了国外厂商对连轧管技术的长期垄断。从而使通泽公司一举成为我国无缝钢管热轧设备制造领域技术水平最高、制造能力最大、创新意识最强的排头兵企业，同样也就成为德国SMS公司、意大利DANIELI公司实力相当的一个竞争对手。”太原通泽董事长杨泽先生对当年的场景历历在目。

瞄准无缝钢管热轧成套设备
       进入21世纪以来，随着工业化水平逐渐提高，装备制造业能力的进一步增强，我国已经步入重化工阶段。由于投资增长的拉动，重型机械行业呈现了稳定增长的态势。2007年，全国2700多个重型机械制造企业共完成工业总产值3690多亿元，销售收入3570多亿元，同比增长都达到了33%以上，重型机械产品出口也在逐年增加。过去我国重型机械企业之间的恶性竞争时有发生，但现在情况有了很大改观，多数企业开发出了自己的特色产品，在市场中找到了蓝海。无缝钢管热轧成套设备便是太原通泽的旗舰产品。
       纵览我国无缝钢管界，现有能统计到的无缝钢管厂108家，各种无缝钢管机组约150套，生产能力约1650万吨，其中冷拔（轧）管能力占21%以上。1990年以来，全球新建或改建了63套热轧无缝钢管机组，中国就占到了49套。在49套无缝钢管机组中，技术装备水平比较先进的有28套，占总机组数量的18.7%，占总产能的61.5%。其中，天津钢管集团公司新建的φ168mm、φ460mm、φ258mm以及攀成钢、鞍钢和宝钢等在建的三辊可调式限动芯棒连轧管机组，汇集了近年来世界上多种最新研究成果。这些机组的建成投产，使我国的无缝钢管技术装备水平已经进入世界领先行列。而与此相对照的是，在我国无缝钢管轧管机中，小型落后机组占机组总数的55%左右。“改造落后的中小型轧管机组，对于通泽来说就是一种机遇！同时，通泽作为我国无缝钢管装备制造业的后起之秀，时刻面临着市场的挑战，面临着创新和技术进步的挑战。”太原通泽姚建社副总经理时刻保持着忧患意识。

  
 图2：太原通泽成套设备有限公司全貌

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表1：Accu、Assel和MPM三种无缝钢管生产机型对比

全球首个短流程限动芯棒连轧管机组
       太原通泽生产的Mini-MPM连轧管机组，其主要功能为将穿孔机穿出的毛管经过互成90°布置的五机架轧机的连续轧制而轧出荒管，再经过脱管机将其脱出连轧机，然后通过再加热炉加热进入定减径机，从而轧出成品钢管，再进行冷却。连轧的基本方式为限动芯棒连轧，即芯棒以一固定速度前进，而毛管的轧制速度为逐架递增，总体速度快于芯棒速度，形成一种搓轧的变形方式。机组全线设备包括：芯棒冷却润滑系统，限动系统，连轧机，脱管机，步进式再加热炉，定减径机组。

  
图3：太原通泽无锡加工中心正在加工天津钢管公司φ258mm穿孔机机架

       现在，通泽有实力将视野站得更高，不再满足于制造Mini-MPM机组，着眼于短流程限动芯棒连轧管机组生产线（CPS）的研发。太原通泽郭继保总工程师谈到：“公司技术中心为了增强自主创新能力和核心竞争能力，逐年加大科技投入力度，2005年研发费用达990万元，占到公司销售收入的14.3%，2006年为1194万元，比上年度增加20.6%，占公司销售收入的6.6%。2007年为1230万元，占公司销售收入的7.3%。我公司自主研发的世界首个φ114mm短流程限动芯棒连轧管机组生产线（CPS），预计2009年上半年即可总装调试并投入试生产。”
        CPS是两步生产无缝钢管法的简称，即只有斜轧锥形辊穿孔和张力减径两个变形工序，而没有轧管工序的生产方法。由于锥形辊穿孔机的变形能力较大，就可将原由MPM承担的部分变形前移至穿孔机来完成，连轧工序的延伸可适当减小。目前φ114mm CPS机组已经完成研发设计阶段，正在加紧制造当中。

自动化技术之“芯”强劲跳动
       通过与西门子公司的合作，太原通泽切实的感受到了自动化技术带来的效益，杨泽董事长介绍说：“我们在消化集成国外先进技术的同时，还不断努力提高软件开发力度和技术水平。通泽公司研制的无缝钢管技术装备不但在机械方面，而且在自动检测、过程控制、物流跟踪、自动数据处理、生产管理、故障诊断和自动保护等诸多方面争取达到当代国际先进水平。同时，开发符合节能环保要求的小型轧管机组，力求为淘汰改造落后产能提供高效低耗、性能稳定、质量好、寿命长的具有先进技术水平的生产设备。”
       太原通泽电气传动部部长张霖华女士阐述了Mini-MPM中实施的典型自控系统。系统共分3级：现场总线级、控制级和过程控制级。机组根据工艺要求一般分为7个区域，分别为管坯区、环形炉区、穿孔机区、连轧机区域、再加炉区、定径机区域、冷床精整区。穿孔机区域包括环形炉出炉辊道、穿孔前横移练、推坯机、穿孔机主机架、穿孔后抱辊、顶杆小车至穿孔后机械手装置。连轧机区域包括芯棒循环、限动、高压水除鳞、连轧机主机、脱管机主机等装置。定径机区域包括步进炉前快速链、步进炉、定径机主机、定径机前后输送等装置。全部选用西门子公司的电控系统。

 图4：Mini-MPM自动化布置图范例

      以机组精整线为例，为了满足现场传动设备快速性、连续性、系统性的使用要求。单台变频器独立运行的模式已经不能满足生产的需求，取而代之的是多台变频器成组的运行系统。原有的本地柜前操作也已发展为计算机集中远程自动控制模式。这些模式都是建立在计算机、PLC、传动装置间的数据通信的基础上的。PROFIBUS现场总线的应用为上述功能的实现提供了技术保证。精整线控制系统采用SIEMENS公司生产的SIMATIC S7- 300 PLC系列产品。控制范围包括11个机组及7个工艺区的PLC主站。PLC之间的通信采用高速工业以太网。分布在10个操作室的操作员站、主电气室的工程师站和服务器、过程数据处理器、打印机等设备也通过高速工业以太网与PLC通信。PROFIBUS-DP总线通过屏蔽双绞线将远程I/O站、交流变频传动装置、文本显示器、编码器等设备按照功能需要挂在各工艺区的PLC上。

图5：西门子TIA解决方案充分履行了太原通泽对电控系统的需求

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     作为多年的“西门子OEM合作伙伴”，太原通泽杨泽董事长、姚建社副总经理和郭继保总工程师一致表示：“通泽在为天津大无缝、宝钢集团、洪都特钢、西宁特钢、新冶钢、无锡西姆莱斯、通钢集团、江阴长江集团等冶金企业所提供轧钢设备中都成功应用了西门子自动化与驱动产品。我们选择西门子公司的理由有四：首先西门子的控制与传动设备多年来在包括冶金行业在内的多个领域得到广泛应用，在冶金行业的成功应用得到肯定。其次，西门子产品在技术的先进性、工业性、实用性方面有其独到之处。其三，在市场开发中注重售前服务、售前培训工作，在这方面与通泽公司引导市场、培育市场的经营理念有相同之处，售中服务、售后服务也得到了用户的认同。其四，西门子产品总体上性价比较高、灵活性好。”西门子太原办事处经理高广昱先生也相当看好双方的进一步合作。
       在中国，SIEMENS类似太原通泽这样的OEM合作伙伴还有很多，尤其是在重点的垂直行业。SIEMENS公司在中国市场的成功，一方面是基于其先进的技术与优秀的产品，另一方面西门子的合作伙伴策略、行业发展策略，也是坚实的依托。太原通泽通过实施西门子TIA解决方案，很好的提升了产品的品质，增加了产品本身的附加价值和美誉度。有了西门子自动化技术之“芯”作为通泽的强大后盾，杨董事长对今后发展进行了展望：“对于通泽来说，发展方向是很明确的，就是以无缝钢管装备的大型化、自动化、连续化、紧凑化、节能环保为突破口，以成熟而且超前的设计理念为基础，不断向技术集成化、设备成套化方向发展！”

（原创）