1 引言
無縫鋼管生產線按工藝流程一般分為三個區域：穿孔區；連軋區；定徑區（張減區）。穿孔區主要負責把坯料加工成為中空的鋼管（毛管）；連軋區主要負責把毛管軋制成為符合要求的半成品（荒管）；定徑區（張減區）主要負責對荒管進行外徑的微小修正。穿孔區的工藝為斜軋，對毛管質量起著關鍵作用的設備是主軋機及三輥抱芯。三輥抱芯由液壓伺服比例閥控制，其主要作用是保證三輥抱芯的實際位置位于參考位置的偏差范圍內，從而起到導向作用。
2 三輥抱芯功能簡介
三輥抱芯裝置機械結構如圖1所示。
圖1 三滾抱芯的機械結構圖
三個導輥按照120o分布，其中下面兩個導輥，上面一個導輥，三滾的內切圓直徑即為其導向物料的外徑。三個導輥由同一個液壓缸控制，油缸的動作通過一系列的機械機構可以同時改變三個導輥的位置，（三輥的內切圓直徑）。一般根據工藝不同，穿孔區一般安裝6組三輥抱芯裝置，每個三輥抱芯前有2對熱探。
軋制前三輥抱芯位于頂桿位置，對頂桿起到導向作用。軋制過程中，隨著坯料被軋制成為毛管，6對三輥抱芯在得到各自的熱探信號后，依次打開到毛管位，對毛管進行導向。當軋制結束后，三輥抱芯同時旋至打開位置，翻料臂將毛管翻出。更換頂桿后，三輥抱芯再次旋至頂桿位，重復以上過程，軋制另一個毛管。
在一根毛管軋制的過程中，三輥抱芯要動作3次，即頂桿位，毛管位，打開位，而這些動作均要求在0.5-1s內完成，并且保證1mm之內的位置偏差。所以三輥抱芯位置的精確度，動作快慢直接關系到整條生產線的運行以及產品的質量。
3 三輥抱芯控制
3.1 基本控制原理
三輥抱芯的控制基本分為兩種。
（1）采用機械調整和節流閥配合驅動。這種方法的優點是驅動控制簡單，設備動作時間短，即使用常規的三位四通閥，節流閥來控制液壓缸的行程，但是這種方式的缺點也很明顯，就是每次更換軋鋼規格的時候都需要手動進行調節，浪費了大量的時間。其次是控制的精度比較低，對軋鋼的質量造成很大的影響。
圖2 液壓伺服比例系統
（2）用液壓伺服比例閥進行控制，這種控制方法能很好的保證三輥抱芯的精度，一般誤差都可以控制在0.5-1mm，此外如果采用單獨的液壓站來驅動6個三輥抱芯，系統壓力比較穩定的情況下，其動作時間也能控制在0.5s內。更換軋鋼規矩的時候，僅僅需要從HMI改變參考位置，節省了大量的時間。液壓伺服比例系統的控制如圖2所示。伺服比例閥通過自帶的集成線性放大器，可以連續地調節伺服比例閥的開度，這是與普通液控閥的最大不同。由于伺服比例閥的開度是連續可調的，因此供給油缸的流量也是連續可調節的。這樣就實現了對油缸的速度、推力的連續調節和控制，保證了三輥抱芯的位置總是在參考的位置范圍內。
3.2 控制系統配置及軟件實現
采用ABB公司的AC450系列PLC控制。油缸的行程由內置的位移傳感器給出4-20mA的模擬量輸入信號。經過系統分析處理后，把開度指令轉換成4-20mA的模擬量信號發送給伺服比例閥的集成放大器，控制其開度。由于輸入的位移信號與三輥抱芯的開口度為線性關系，所以很容易推出它們之間的關系。具體步驟如圖3所示（輸入信號X；三輥抱芯的參考直徑Y；輸出信號Z，皆為4-20mA）。
圖3 液壓伺服比例系統控制調節流程圖
（1）將標準管1（直徑已知）放入三輥抱芯內，手動將三輥抱芯抱緊標準管。在次狀況下，可以得到內置位移傳感器的輸入信號-X1,標準管的直徑已知-Y1。
（2）將另外一根標準管（直徑已知）放入三輥抱芯內，手動將三輥抱芯抱緊標準管。在次狀況下，可以得到內置位移傳感器的輸入信號-X2,標準管的直徑已知-Y2。
（3）將X1,X2,Y1,Y2帶入方程式Y=kX+b,求得k,b,就可以得到實際位置。
（4）參考位置ref pos－實際位置act pos=Δpos,然后進行PID調節，得到4-20mA的模擬量輸出信號，作用于伺服比例閥的集成放大器，控制其開度。
（5）PID調節程序的流程如圖三所示。在本程序的PID調節器中，P，I調節是分開的。PLC系統首先檢查實際位置與參考位置的偏差Δ，當偏差較大的時候，PI調節器均起作用，但主要是P（比例）調節，這樣響應比較快，這時候PID調節器給出較大的開度，使油缸高速、大推（拉）力運行；當偏差較小的時候，P調節停止，只有是I（積分）調節，這時候PID調節器給出較小的開度，使油缸低速、小推（拉）力運行。該程序在偏差不等于零的情況下，積分調節器就一直處于工作狀態，這樣就能保證實際位置無限靠近參考位置，一直處于動態調整中。
4 實際應用效果及調試注意事項
PLC程序的PID控制在實際應用中起到了非常好的效果，偏差均能保證在1mm之內，動作時間能控制在0.5s。由于P，I調節是分開，當偏差大的時候，P快速調節；偏差小的時間，I進行微調。這樣能既能保證運行時間又能保證定位的精度。實際調試中需要注意的幾點：
（1）6個三輥抱芯有時候同時動作，所以液體站必須保證穩定的壓力，儲壓器要處于工作狀態。
（2）機械部件必須保證良好的潤滑，負責摩擦阻力會影響油缸的運動。
（3）液體部件要保證良好的密封，否則對系統的運行也十分不利。
（4）調試中，P（比例系數）的給定，積分系數，積分時間有比較好的配合；
此外PLC的掃描時間以及油缸位移傳感器的采樣時間要快，否則容易產生超調現象。
5 結束語
該系統已經在衡陽無縫鋼管廠，成都無縫鋼管廠投入使用。系統運行可靠，定位精度、動作時間均能達到要求，為企業帶來了可觀的經濟效益和良好的社會效益。
