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业内资讯
 
埋弧焊管生产线自动化与信息化建设现状及发展趋势
[ 更新日期:2013-7-25 9:28:17]
中国第一条螺旋埋弧焊管生产线建于1958年。经过50多年的发展,国内埋弧焊管生产线已经多达100多条,其中大直径直缝埋弧焊管生产线10多条。这些生产线由于建设年代、建设主体不同,自动化、信息化水平差异较大。整体来说,原石油石化系统六大焊管企业和宝山钢铁有限公司的埋弧焊管生产线基本代表了中国埋弧焊管行业的自动化、信息化水平。从时间上来看,随着计算机技术、PLC技术、拖动与控制技术、现场总线技术以及工业以太网技术的发展与应用,2000年成为一个分水岭。2000年以前建成的生产线以继电控制为主,基本为手动控制;2000年以后建成的生产线运用了大量的先进控制技术,主机大都实现了自动化,信息化系统在埋弧焊管制造过程中也有了不同程度的应用。
 
1、焊管生产线自动化现状及发展趋势
 
近十几年的管道建设,特别是陕京管线、西气东输等长输管线的建设,推动了中国油气输送焊管制造技术、装备的发展,其中螺旋埋弧焊管的制造与应用技术已走在世界前列,大口径直缝埋弧焊管、热煨弯管制造从无到有,螺旋埋弧焊管开始采用预精焊工艺。总而言之,中国油气输送钢管的制造能力已达到国际先进水平。在这一轮油气长输管道建设高潮中,中国焊管企业新建了不少埋弧焊管生产线,对原有生产线也进行了改造升级。在新建生产线、设备升级改造过程中,通过自主研发、合作开发以及引进国外设备等途径,使PLC、数控系统和工控机等广泛应用于各条生产线。生产线主机设备基本上实现了自动化,装备自动化水平与过去相比上升到一个新的台阶。特别是宝山钢铁有限公司在2008年建成的UOE直缝埋弧焊管生产线,生产设备自动化程度很高,并秉承现代化钢铁冶金企业制造过程信息化管理应用较深的优点,在生产线上建立完善的计算机管理系统,实现对焊管制造过程的集中统一管理,可以对从原材料到产品的所有过程数据进行记录与跟踪,具有可靠、方便的可追溯性。近两三年中石油分别在南京、秦皇岛和青县等地建成了几条螺旋焊管生产线与直缝焊管生产线。这些生产线基本实现单机自动化,设备控制系统大都预留信息化接口,能够实现主要工艺参数自动采集、故障自诊断、人机对话等功能,其中南京巨龙直缝焊管生产线所有控制系统、操作岗位均已实现故障自诊断与人机交互。
 
从另一方面来看,中国埋弧焊管生产线在建设之初一般对物料流向的追踪控制与产品正确加工、管理之间的关系考虑不多,在物料输送这一方面更多强调灵活性、生产现场的不可预测性,加工靠设备、协调管理靠人的倾向还较重。这种状况导致生产线物料传送设备自动化水平普遍不高,实际生产中基本上使用手动、半自动操作,有些岗位甚至还在采用人工的方法移动物料,这在埋弧焊管生产线精整区域反映尤其明显。此外,现场自动化系统还不很完善,该系统基本局限在电子传票的层面上,还需要人工进行物料辨识,质量管理系统没能实现关键信息的自动采集,数据实时性、有效性得不到根本保证,制约了质量保证水平、生产效率和效益的进一步提升。
 
国外先进焊管制造企业已经实现生产线信息化,建立了现代化的数据采集和监控系统,可以远程监控、无人操作、质量预警和自动生成质量报表等,通过对每一加工环节严格控制,实现正确加工,确保制造出的产品性能一致性。如欧洲钢管集团的生产控制和信息系统(PRODIS)、工艺设备参数自动采集系统(P.E.P.R.)以及“参数管理机”(P.R.M.)等。通过这些系统实现“应用过程控制原理,不断提高产品质量”,使其生产的大直径钢管能够满足极端的公差要求和在任何情况下保证质量。
 
从国内外发展趋势来看,建立现代化的数据采集与监控系统以及生产现场制造执行管理系统,搭建质量管理平台、生产管理平台以及设备管理平台,全面实现生产线自动化、信息化,是中国埋弧焊管制造技术发展的必然路径,是全面提高埋弧焊管质量保证水平,制造工艺技术水平,确保生产线安全、高效运行的技术支撑。目前国内埋弧焊管制造企业正在掀起焊管制造过程信息化的高潮,国外先进钢管企业已经实现制造过程信息化,并在向深层次应用发展。
 
2、中国焊管生产线自动化与信息化特点
 
2.1、PLC、数控系统、伺服、变频等技术的应用
 
PLC、数控系统、伺服、变频等技术大量应用于现场,使得现场自动化水平有了较大提高。20世纪80年代及90年代,微型PLC、工控机、交流变频技术和数字直流调速技术开始逐步应用于螺旋埋弧焊管生产线主机改造或新机组的建设。其中比较有代表性的有:倒棱机、水压机改用微型PLC控制,水压机油水压力电液比例控制及水压曲线计算机采集,矫平机、递送机驱动采用直流数字调速器,成型机组采用PLC控制等。通过这些技术的应用,生产现场自动化程度有了一定提高,实现了部分单机及某些加工过程自动化。当时先进控制技术、智能控制器件的应用在埋弧焊管制造行业还是停留在点的层面上,生产线上各大品牌控制系统、控制器件应用呈现百花齐放的景象,PLC品牌包含三菱、欧姆龙、西门子和GE等,变频器品牌包含三菱、富士、三垦和西门子等,直流调速装置品牌包含欧陆、ABB和西门子等。
 
随着21世纪初西气东输工程的启动,中国埋弧焊管生产线的建设高潮到来,中国主要埋弧焊管制造企业均新建了大直径埋弧焊管生产线,众多民营企业也开始进入油气输送焊管制造领域。在此期间,分布式I/O技术、现场总线技术、人机交互技术以及计算机技术日渐成熟,PLC不再仅仅局限于逻辑控制领域,不断向过程控制领域、计算机控制领域发展,兼具模拟量处理、仪表控制、数据处理、数据通讯能力,使得设备功能变得更加强大。在新生产线的建设过程中,中大型PLC、分布式I/O、现场总线、数控伺服等得到大量应用,人机界面有了一定程度的应用,生产线主机基本实现自动化,WINCC、组态王等工业管理采集软件开始有一定程度的应用,有企业开始在质量管理方面进行信息化尝试。华北石油钢管厂巨龙钢管有限公司在这一时期建设的JCOE直缝埋弧焊管生产线,由于采用关键设备进口,主机配套和其他主要设备引进德国技术国内研制的方式,从而使中国直缝埋弧焊管生产线单机自动化水平接近世界先进水平,有些单机控制技术也能够达到当时世界一流水平。从此,中大型PLC系统、现场总线(PROFIBUS-DP)、HMI、数控伺服等开始全面应用于焊管制造设备,推动了中国埋弧焊管生产线自动化水平的提高。但由于资金问题,当时没能通过MEER公司引进焊管生产线信息化管理系统。
 
近两三年建成的埋弧焊管生产线,基本全部采用现代化控制技术,主机控制系统具备历史数据积累、故障自诊断、人机对话等功能,并具备良好的可扩展性,开始向智能自动化方向发展。同时,随着德国、欧洲企业制管设备的引入,以及西门子公司在中国推广力度的加大,西门子公司的控制器件、自动控制系统在焊管行业逐步确立了主导地位。
 
2.2、装备自动化水平的差异
 
在中国大部分埋弧焊管生产线上,既可以看到世界最先进控制系统,也可以看到简陋落后的装备。一般来说,主加工设备自动化程度高,甚至已经达到世界一流水平,实现了单机智能自动化、信息化,且具备为上一级控制管理系统上传控制信息的能力。非主要设备自动化程度低,大多为继电控制,即使引入智能控制器件PLC等,也只是为了减少继电器的使用或达到配置上提高的目的,在操作方式上基本为手动,许多工序需人工干预,使得全线基础自动化水平不高。埋弧焊管生产过程中铣边、成型、内外焊接、扩径等主加工工序基本不需人为干预,管端内外磨削、喷标、焊接与切割引熄弧板、平头倒棱等辅助工序必须依赖人完成加工,从另一方面说明了同一生产线上装备自动化水平的差异。
 
2.3、信息化系统作用有限
 
信息化系统在现场有一定程度应用,但与自动化控制系统没有形成联系,功能偏向于管理,对加工过程质量控制作用有限。计算机技术与网络通讯技术的发展,推动了生产现场信息化系统建设,有一些制管企业在生产线上建立了计算机网络系统,甚至有企业将ERP向生产现场进行了延伸,从各种公开发表的文献及笔者实际接触到的生产线来看,这些系统大都以实现生产管理、质量电子传票为目的,没与自动化控制系统直接相连,不能实现过程数据自动采集与管号自动识别,数据基本依靠现场计算机终端手工录入(从一些文献介绍来看,宝钢UOE生产线计算机管理系统有过程数据的记录及跟踪,由于不了解其系统硬件结构,不清楚其与底层过程控制自动化系统是否有物理连接)。
 
这样的信息化系统最大缺点是:基础数据的准确性、可靠性、实时性得不到根本保证,人为录入错误有导入系统的可能,达不到油气输送钢管质量万无一失的要求。笔者认为造成这种局面的原因有两点:①中国埋弧焊管生产线现场整体自动化水平不高,不适应实现制造过程信息化的需求,不具备加工数据自动采集功能和信息化接口;②在中国介入此领域的基本为计算机系统公司或大学里做计算机应用技术研究的团队,他们缺少生产经验及其工艺,一般对通过应用信息化系统,采用过程控制原理,实现正确加工、质量预警、优化加工工艺理解不深。
 
2.4、生产线的自动化、信息化建设滞后
 
自动化、信息化建设与生产线建设不同步,先生产后改造(或增加)的现象较多。由于资金、技术、意识等方面的原因,中国埋弧焊管生产线自动化、信息化建设往往滞后于生产线的建设。这一方面因为建设企业资金不够雄厚,资金首先满足基本功能实现,以及中国信息化与自动化基本同期发展,缺少基础自动化充分发展的阶段,导致缺少量体裁衣的技术服务,建设企业摸石头过河;另一方面因为中国现阶段劳动力成本偏低,管理粗放,自动化、信息化对提高经济效益的直接作用不明显,建设者与基层应用者对自动化、信息化提高质量保证水平,促进制造技术进步的作用认识不深。
 
3、结论及建议
 
加快非主机设备自动化改造,实现整线自动化,减少加工过程对人的依赖,为实现制造过程信息化、数字化的控制与管理提供硬件基础。在主机实现自动化之后,非主机设备已经成为埋弧焊管生产线效率进一步提升的瓶颈。生产节拍减慢、微停机频繁、生产线拥堵现象的产生大部分是因为非主机设备故障或辅助工序效率降低所致,这里面有辅机投入不够、硬件基础较差的因素,但在很大程度上与其自动化水平低关系密切。此外,这些设备缺少运行状态自动监测,不能进行故障自诊断等使得故障处理与前期预防变得困难,不利于对设备运行进行现代化管理。
 
生产线信息化系统必须与自动化控制系统结合,应首先实现数据自动采集与监控,保证原始数据的准确性、可靠性和及时性。信息系统的特长是对海量数据进行运算与管理,并根据既定的规则输出。它所获得的数据越详实、越准确、越及时,同时产生的输出也越可靠。但在实现工业现场工艺参数采集、设备运行状态监控方面并不方便。生产工艺参数、物料分布、设备运行状态这些变量基本都为设备自动运行所必需,自动控制系统大都已设置传感器与检测装置来实现自动检测。通过构筑车间级网络,将信息系统与自动控制系统连接起来,由控制系统完成现场数据自动采集,信息系统完成数据处理,可以使原始数据的准确性、可靠性和及时性得到保证,从而真正实现质量预警、工艺优化、自动配方等。同时也可以大大减少现场计算机终端的使用,提高系统运行可靠性。
 
应实现物料自动辨识,确保制造过程中加工对象的正确性以及最终出厂产品质量的万无一失。以往信息系统手动输入卷号、炉号、板号以及管号等信息,这从技术上无法杜绝人为失误的产生,也就不能保证出厂产品管理的绝对可靠。采用现代先进的物料自动辨识技术,在产品制造和出厂的过程中实现不决定于人的钢管身份辨识,这对提高埋弧焊管出厂质量保证水平意义重大。
 
在自动化、信息化系统的建设过程中贯彻“过程控制、正确加工、检验验证”的理念。既控制制造过程的每一个环节,包括原材料检查环节,确保每个加工动作都正确,从而保证合格原材料加工出来的产品一定合格,让检验环节成为验证加工方法正确的手段,不仅仅是挑出不合格品的工具。
 
生产线信息化建设应重视信息安全和标准化问题,应同期考虑运维队伍的建设。现在已经有专门攻击工厂自动控制系统的病毒。伊朗境内诸多工业企业遭遇代号为“震网”(Stuxnet)的“电脑蠕虫”病毒的袭击,这种病毒侵入工厂企业的控制系统,并有可能取得对一系列核心生产设备的关键控制权。这一事件对我们进行生产现场的信息化建设敲响了安全警钟。此外,按照国际、国家标准来构筑工厂信息化系统,并推动埋弧焊管行业信息化系统的标准化,是避免建设风险、获得最多技术支持的有效方法。
 
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