（控制理论与控制工程专业论文）钢管生产线的优化切割研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o f i l l lll ll li l l ll l l llll li y 18114 5 8 保密2 年 t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t y w i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r o p t i m i z a t i o nc u t t i n gr e s e a r c ho fp e t r o l e u m p i p ep r o d u c el i n e s c h o o l d e p a r t m e n t ：e l e c t r o n i c i n f o r m a t i o n a n de n g i n e e r i n g d i s c i p l i n e ：c o n t r o ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g m a j o r ：c o n t r o ls c i e n c ea n dc o n t r o le n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ：c h a oh u a n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f j i nz h u m a r , 2 0 0 7 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 7 由本人承担。 学位论文作者签名： 蓑起 年弓月矽e l 进行 论文 表的 和集 责任 摘要 摘要 论文工作为对钢管生产线生产工艺、控制系统、控制方案的分析研究，着 重从生产实际可行性的角度上，研究并实现了石油管道钢管生产过程中的优化 切割问题。 首先通过整个生产线工艺流程要求的介绍，针对工艺设备、控制设备、计 算机硬件、软件的组成，分析了整个系统的构成。详细分析优化切割的执行过 程，即控制计算机通过o p cs e r v e r 采集控制器p l c 中的生产数据，做好数据的 同步处理后，通过实时对生产数据进行分析和计算，产生的切割规划信息再由 控制计算机通过o p cs e r v e r 下发给切割执行机构飞锯。 论文全面分析生产线上的各种能够影响切割的因素，并划分出各个因素对 切割影响程度的等级，从而建立起优化切割的目标、原则，分析得出优化切割 问题的数学模型。 通过对切割问题的数学模型的分析及其实现方案的研究，基于优化目标的 复杂性不适合用传统的优化方法，从而间接地建立起优化目标的评价函数，运 用遗传算法对目标趋向于更优方向上的搜索实现。根据对影响切割因素程度等 级的划分，提出对评价函数加权合适的惩罚来扩大解的搜索空间，并通过惩罚函 数实现工艺上的具体要求。与现有的切割方法模式进行了比较，明显地提高了 自动化程度和钢材切割利用率及切割设备的寿命，给出了具体算法实现步骤。 在开发过程中编制了相应的模拟软件进行模拟研究，最终开发出应用程序 在山东钢管生产线中调试应用，取得很好的实际效果。 文章中同时也包含了在整个系统实现中的大量工作，并在最后对生产系统 的最终软件做了介绍。 关键词：石油钢管生产线，上位控制计算机，优化切割，遗传算法 a b s t r a c t a b s t r a c t f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fa c t u a lp r o d u c t i o nf e a s i b i l i t ys t u d y ，t h i sp a p e rd e s c r i b e s ap r o j e c to fc u t t i n go p t i m i z a t i o ni np e t r o l e u mp i p ep r o d u c t i o nl i n e ，d e p e n d i n go nt h e a n a l y s i so fp r o d u c i n gp r o c e s s ，c o n t r o ls y s t e ma n dc o n t r o lm o d e f i r s t l y , t h ew h o l es y s t e mi sa n a l y z e db yt h ei n t r o d u c t i o no fp r o d u c i n gp r o c e s so f p i p ep r o d u c t i o nl i n e ，p r o d u c i n ge q u i p m e n t s ，c o n t r o ls y s t e me q u i p m e n t s ，a n dt h eb a s i c o fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fs c a d a t h ep r o d u c i n gd a t ag o t t e nf r o mc o n t r o l l e rp l c b yo p cs e r v e ra r ea n a l y z e da n dc o m p u t e db ys c a d a , a n dt h er e s u l t i ss e n tt o c u t t i n ge q u i p m e n tb yo p c s e r v e ra tl a s t t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so fc u t t i n gt h ep i p ea r ed i v i d e di n t ov a r i o u sd e f e c t sb yt h e i m p a c to fc u t t i n gg r a d e s t h eo p t i m a lc u t t i n gg o a l s ，p r i n c i p l e s ，a n dt h em a t h e m a t i c a l m o d e lo fc u t t i n go p t i m i z a t i o na r ee s t a b l i s h e d t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fc u t t i n go p t i m i z a t i o na n dt h e r e s e a r c ho fi m p l e m e n t a t i o n ，t h et r a d i t i o n a lo p t i m a lm e t h o d sa r en o ts u i t a b l et os o l v e t h i sp r o b l e mf o rn o n ee x a c tm a t h e m a t i c a lf u n c t i o nm a yb ef o u n d t h eo p t i m a lg o a l s f u n c t i o ni sr e p l a c e di n d i r e c t l yb ya ne v a l u a t i o nf u n c t i o na n dt h eg e n e t i ca l g o r i t h mi s c h o s e nt of i n do u tt h eo p t i m a lr e s u l t a c c o r d i n gt ot h ee x t e n to fd e f e c th i e r a r c h y , t w o p u n i s hf u n c t i o n sa r ea d d e dt oi n c r e a s et h es e a r c h i n gr a n g ea n ds a t i s f yt h ep r o d u c i n g p r o c e s s c o m p a r e d w i t ht h ee x i s t e n t c u t t i n gm o d e ，t h ei m p r o v e m e n t s o np i p e u t i l i z a t i o n ，a u t o m a t i o ne x t e n t ，a n dl o n g e v i t yo fc u t t i n ge q u i p m e n ta r em a d e s o m ea c t u a lw o r ka n dt h es o f t w a r ei nt h ep r o j e c ta r ed e s c r i b e d k e yw o r d s ：p e t r o l e u mp i p ep r o d u c t i o nl i n e ，s c a d a , c u t t i n go p t i m i z a t i o n ，g e n e t i c a l g o r i t h m n 目录 目录 第1 章绪论。 1 1石油钢管行业综述 1 1 1 1 石油钢管简介。1 1 1 2 国内油管行业的历史与现状 1 2 钢材切割浪费情况总览 2 1 2 1 切割浪费统计2 1 2 2 切割浪费原因分析 1 3 立项的背景和意义 1 4 论文的主要工作内容 2 3 4 第2 章生产工艺、设备及控制系统的构成5 2 1 钢管生产系统的工艺流程介绍 2 2 生产线的控制系统硬件构成 2 2 1 控制区域的划分。 5 6 6 2 2 2 各控制区控制设备7 2 2 3 控制网络的构成7 2 3 生产线的控制软件构成基础o p c s e r v e r 8 2 3 1o p c s e r v e r 简介 2 3 2o p c s e r v e r 结构9 2 3 3 上位机软件编程数据采集。9 2 4 锯切控制模式1 0 2 5 小结1 1 第3 章切割实际问题与模型分析1 2 i i i 3 6 小结 第4 章钢管切割的遗传算法研究与实现2 3 4 1 遗传算法的产生和发展 4 2 遗传算法的基本思想 4 3 寻优的具体实现 4 3 1 基因编码。 4 3 2 实现策略分析 4 3 3 初始化染色体 4 3 4 评价函数 2 4 4 3 5 选择过程 2 6 4 3 6 交叉操作2 9 4 3 7 变异操作 4 3 8 停止原则3 0 i v 5 3 2 数据记录处理。 5 3 3 优化切割实现 5 3 4 文件传输处理 5 4 小结 第6 章结论 致谢 参考文献 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果。 v 3 9 4 3 4 4 4 7 4 8 5 3 第1 章绪论 1 1石油钢管行业综述 第1 章绪论 1 1 1 石油钢管简介 石油钢管主要包括油井管( 钻杆、钻铤、套管、油管等) 和油气输送管两 大类，其在石油工业中占有很重要的地位。石油工业是仅次于建筑行业的钢管 消费大户。 钢管主要有无缝钢管和焊接钢管。无缝钢管是用钢锭或实心管坯经穿孔制 成毛管，然后经热轧、冷轧或冷拔制成。焊接钢管是用钢板或钢带经过弯曲成 型，然后经焊接制成。按焊缝形式分为直缝焊管和螺旋焊管h l 嘲。 石油钢管行业中现在主要都在用高频直缝钢管。高频直缝钢管比无缝钢管 的优点在于： ( 1 )几何尺寸上的优势。 由于生产工艺的不同，由钢带在冷轧状态下成型的直缝钢管，其外观尺寸 控制比无缝管在热轧机组中连续穿孔成型的尺寸控制更容易实施，外观质量更 好。 ( 2 ) 钢管的无缝化。 高频直缝钢管的几何无缝化，就是清除钢管内外的毛刺。物理无缝化，使 焊缝经过热处理后消除焊接应力、软化和细化金相组织，实现了与母材相匹配 的目标。 1 1 2 国内油管行业的历史与现状 中国生产油井管已有5 0 多年的历史，但2 0 世纪5 0 - 7 0 年代，中国油井管 的生产技术比较落后，其数量、品种和质量都远远满足不了石油工业发展的需 要。1 9 7 8 年以来，虽然国家在油井管国产化方面做了很大努力，使产量有所增 加，但是却远远赶不上工业对油井管的需求( 从1 9 8 1 年的每年2 9 万吨增加到 1 9 9 0 年的每年9 0 万吨左右) 。例如，1 9 8 9 年油井管的消耗量为8 9 万吨，而从1 9 5 9 年起到1 9 8 9 年底，中国全国才共生产油井管8 1 2 万吨，即3 0 年的总产量还满足 第1 章绪论 不了1 年的需求。1 9 4 9 1 9 9 4 年，中国共进口油井管1 1 5 0 万吨，中国国内总产量 约1 2 0 万吨，自给率仅1 0 。 1 9 9 0 以来，特别是“宝钢、天津钢管公司投产后，国产量逐年大幅度提高， 国产化率已同时大大提高，已由原来的不足1 0 上升到1 9 9 6 年的5 0 0 5 ，1 9 9 7 年 的6 0 0 5 ，至2 0 0 2 年，国产化率已达到8 0 ，使中国由一个油井管的进口大国变成 绝大部分自给，少量进口，和有一定量出口的国家乜1 。 近两年来，引进国外先进生产技术的高频直缝焊管生产线在中国连续不断 的建立起来，经作者参与的就有华北油田扬州分公司钢管厂，山东胜利油田孚 瑞特钢管厂，天津志达钢管厂等。 1 2 钢材切割浪费情况总览 1 2 1 切割浪费统计 中国是钢材生产和消费的超级大国，也是钢材浪费的超级大国1 2 0 0 5 年中国生产和消费钢材超过3 亿吨，全世界仅生产和消费钢材1 1 亿吨! 中国年g d p 产值对世界g d p 的贡献只有5 1 但中国年钢材消费量却超过世 界消费量的2 5 。 世界银行钢铁统计年鉴曾经指出，美国、日本、德国等发达国家，钢材在 切割焊接等加工中的损耗和浪费平均在3 0 0 5 ，中国、印度、巴西等发展中国家， 钢材在切割焊接等加工中的损耗和浪费平均在4 0 0 5 ，发展中国家比发达国家多浪 费1 0 的钢材。 2 0 0 5 年中国钢材消费超过3 亿吨，多浪费1 0 ，一年就多浪费钢材3 0 0 0 万 吨! 每吨钢材按5 0 0 0 元人民币的平均价格计算，中国年钢材浪费金额多达人民 币1 5 0 0 亿元1 。 1 2 2 切割浪费原因分析 三种钢材切割方式直接造成钢材浪费。 第一种是简单的手工切割，即切割工人使用火焰或等离子手工气割具直接 在钢板上切割零件。手工切割在我国切割焊接行业的中小企业中非常普遍，钢 材浪费严重。手工切割的生产瓶颈是切割质量差、效率低，一般还需要进行二 次加工，另外，切割工人很难考虑和使用优化套排，导致边角余料浪费严重， 2 第1 章绪论 造成钢材大量浪费。 第二种是自动或半自动的机械切割，即切割工人操作小车切割机、剪板机， 以及锯床，主要用于切割平板和卷板的规则矩形件，以及h 型钢等型材。机械 切割，虽然切割质量和切割效率相对手工切割而言都有大幅提高，但是切割方 式并没有改变和提高，仍然与手工切割一样按照传统的切割顺序依次进行切割 下料。由于机械切割效率高，切割工人来不及考虑和计算优化套排，从而导致 机械切割的钢材浪费比手工切割更加严重。 第三种是先进的数控切割，即切割工人操作数控火焰、等离子、激光或水射 流切割机，用于大批量高效切割任意形状零件。数控切割目前在我国正处在迅 速发展的上升阶段，将逐步取代手工切割和机械切割的主导地位。数控切割的 切割质量和切割效率相对机械切割而言又有了大幅提高，特别是取代手工切割 用来切割各种异形件。数控切割由于切割效率更高，套料编程更加复杂，由于 没有使用或是没有使用好优化套料编程软件，钢材浪费问题更加严重，导致切 得越快，切得越多，浪费越多。 针对上述三种切割情况，无一不是缺乏一种优化思想的实现，解决钢材浪 费如此严重的问题，最最关键的一点就是有一套能够适应生产要求的优化锯切 方案。当然从自动化水平的不断提升的三种方式来看，自动切割半自动切割已 基本上取代了原始的手工切割的情况下，数据采集的实时性和数据处理的快速 性也把生产线的计算机控制推到了一个很重要的位置。 1 3 立项的背景和意义 在以上前两节分析的形式下，学术界展开了不少关于优化锯切、优化套排 方案的研究。但多是一种理论分析，很少真正地在实际生产线上应用。本文则 是通过高频直缝焊管生产线项目的实践，主要紧紧围绕整个生产线上具体的各 种模型与生产中影响锯切的各种因素，抽象出切割优化的具体目标，并在当前 国内的焊管生产线上得以实际应用。 项目来自于日本n a k a t a 公司的制管工艺，我方实现对工艺上的控制、软件。 3 第1 章绪论 1 4 论文的主要工作内容 作者在项目中的主要工作为控制系统中上位机程序的设计和实现；控制系 统的调试以及优化切割技术的实现。 本文作者全程参与到项目研究，设计及调试的过程中。并且在此过程中主 要做了以下几个方面的工作： 1 全面深入的了解整条生产线的自动化状况，并对生产线上的自动化装置 提出整改意见。分析了生产线上的钢管切割的控制方案，分析其控制方 案，了解其控制模式，确定控制接口。 2 在系统原有的控制设备的p r o f i b u s 网络的基础上，构建了整个生产线 系统的p l c 与上位机通讯网络，以及上位机与工艺上的其他设备主控计 算机之间的e n t h e r n e t 网络。 3 设计了整个控制系统中的上位机软件，软件通过o p c 的通讯方式，实现 了控制计算机和p l c 的数据交互，包括计算机对p l c 的数据采集和指令 下发。软件中还包含了p l c 以太网通讯、数据采集、数据存储、数据交 互、设备状态监控、缺陷跟踪、物流跟踪等功能； 4 从理论上和实际上两个角度，来研究钢管生产线的整线模型，抽象出其 切割对象的优化目标，最后通过遗传算法提出在评价利用率的基础上加 上合适的惩罚函数来指导搜索解决了该问题，并在实际生产线上做了调 试。 5 参与了厂内和实际现场调试的全过程，除了调整系统的功能以满足使用 和操作的方便性外，还需要纠正问题增强系统的稳定性，完成了单机与 整个生产线控制系统的连接。 4 第2 章生产工艺、设备及控制系统的构成 第2 章生产工艺、设备及控制系统的构成 2 1 钢管生产系统的工艺流程介绍 生产线生产的原料为钢卷，产出为不同长度段的钢管。 整个钢管生产系统的工艺流程为： 纵剪一开卷一矫平一剪切对焊一螺旋活套一铣边一f f x 成型 一高频焊接一去内外毛刺一超声波探伤一焊缝热处理一空冷水冷一 定径一矫直一打印标志一切断一出料。 恻霸臻圈_ 磁缓a m , 。9 一q 1 固 整平、切头尾、纵剪、复卷储料 矽嘲妒矾阿国穆螂旁譬争。囝 开卷、整平、切头尾、封焊、水平螺旋活套、铣边、板材探伤、成型机组、高频焊机、焊接、去毛刺、 在线超声波探伤 一一彝峥姆躺p 目嗣乒 中频退火、空冷、水冷、定径( 方、矩形管成形) 、矫直机组、飞锯 一崎酗冒豳一一- 压扁试验、修端、水压试验、自动超声波探伤管管探伤、外观检验、打标记、包装入库 图2 1 整线流程示意图 对于本文所研究的焊接钢管的第一道流程为开卷和剪切对焊，将热轧卷经 5 第2 章生产工艺、设备及控 过开卷机将钢卷打开，并且矫正为平坦的平板 因为工艺的原因，热轧卷的头部和尾部必然是 求的方形，这样，为了保证生产的连续性，前 头部都必须用重剪剪成能对焊的形状，并且焊 钢卷都连接成一个整体。 经过上一道工序后，将钢板以很快的速度 可以做到实际生产线的速度和开卷的速度不需 活套的下级是铣边机，它的作用是采用铣削加 达到生产钢管所需要的钢板宽度。 接下来的就是钢管成形的设备，用轧辊将 塑性变形。等到钢管的两条焊缝边挤压到一起 后的钢管焊接在一起。这样的焊缝一般还达不 理，以加强焊缝的强度。 焊接后的钢管特别是焊缝温度非常高，按 冷却的部分分为两段，第一段是一段很长的空 的水冷段，采用乳化液使钢管快速冷却。由于 求，经过定径，一方面可以在需要生产方管的 管压成方管，另一方面可以精确调整钢管的尺 最后的生产工序就是仿形铣切锯，它能够 钢管生产线的实时速度等，调整自己的加工尺 管的同时，保证切割长度的精度和生产的连续 2 2 生产线的控制系统硬件构成 2 2 1 控制区域的划分 为了有效、便利地实现整线控制的目的， 生产线上的设备划分为以下几个控制区： 1 ) 入口设备区( e n t r yb l o c k ) 主要含上料开卷机、夹送矫平机、剪切对 6 装置、 高频焊机、在线焊缝超声波探伤装置、中频焊缝退火装置、空冷、水冷和定径 矫直机架。 4 ) 定尺切断区( c u t t o - l e n g t hb l o c k ) 主要含飞锯、测长机架、喷码装置和快速拉出辊道。 2 2 2 各控制区控制设备 2 2 1 中所述各个控制区均具有控制和协调本区内各个单体设备的局部主 p l c 。在只含1 个单体设备的控制区( 如边部处理设备区) ，该单体设备所使用的 p l c ( 或多个p l c 的一个) 即为局部主p l c 。在含多个单体设备的控制区，原则 上可指定其中任何一个单体设备的p l c ( 或多个p l c 的一个) 作为局部主p l c 。 对于这样的控制区，在本系统中分别指定下列单体设备的p i c 为其所在控 制区的局部主p l c ： ( 1 ) 入口设备区活套p l c ( 2 ) 边部处理设备区铣边机p l c ( 3 ) 成形区f f x 轧机p l c ( 4 ) 定尺切断区飞锯p l c 为了协调上述4 个控制区的局部主p l c 的工作，需要从中选取1 个局部主 p l c 作为整线主p l c 。本系统中选择成形区的局部主p l c 作为整线主p l c 。 2 2 3 控制网络的构成 各个控制区的局部主p l c 均通过以下2 种方式进行互相联接，组成整线的 通讯网络。 ( 1 ) 各主p l c 以以太网相联接，并与上位计算机进行数据通讯。 ( 2 ) 各主p l c 以p r o f i b u s 相联接，组成上位p r o f i b u s 通讯网络。 以太网主要用于上位计算机向各个控制区的局部主p l c 发送各个单体设备 所需的原材料数据或所要生产的产品规格。该网络还用于从各个单体设备采集 必要的生产管理数据。 7 第2 章生产工艺、设备及控制系统的构成 上位p r o f i b u s 通讯网络主要用于生产线运行条件的实现，即整线控制所 需的数据通讯或同步联锁指令的传递。 上述2 个通讯网络的功能有可互换的部分，特别是当上位主计算机或以太 网发生故障时，仍可以通过上位p r o f i b u s 通讯网络进行正常的生产。以太网 的建立是由于它良好的扩展性，便于将来与其他控制系统( 如精整区等。其控 制系统不一定以p r o f i b u s 为基体) 形成完整的生产管理系统。 对于可靠性或实时性要求高的少量信号，如紧急停车信号和轧机速度信号， 拟采用单体设备之间的直接硬连接来进行传递。 瑚强一k 审瑚泌嘶姗 一 戡ii f 弹ll 一穗l 岍嘲：i ! = 一。 。1 - 一卜一 - - - _ 一h * “一 啊l 一 掣 蠹 ll 昏 ，j 1 幽 图 i 瓦与 | 审$ + i t i 积c 伽删p c l 甲 由 匝翻匝 固 r l tlll ! ! 留留 i ii i 专 品rd 1 彗圣b ； 1 1 p 一。r 一i ：f - r 南自ll ! i 翘睦ii 璺燮ji i ； 1 隅圈 氆喝 洲岬 譬l馨曼l li l i 墼缘ll ：醚i 离 垂国 i 叠蹬i ，上1 一 一 i 轴口r ，0 i i 涮，| 图2 2 控制系统网络构成 2 3 生产线的控制软件构成基础o p c s e r v e r 2 3 1o p c s e r v e r 简介 由整个控制系统的网络构成，上位控制计算机与控制设备p l c 之间为 i n d u s t r i a le t h e r n e t 相连，整个系统中的底层硬件和上层软件之间的数据交互是通 8 第2 章生产工艺、设备及控制系统的构成 过o p c s e r v e r 来实现。即可实现对p l c 中生产数据的采集，又可通过上位计算 机的计算往p l c 中下发指令。 o p c i l l l 即o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l 。是一种利用微软的c o m d c o m 技术来 达成自动化控制的协定。由于它是基于微软的c o m 技术，即可以在应用执行时 期随意拼上或移出所需要的元件。所以它为硬件制造和软件开发提供一个桥梁， 软件开发时不需要考虑不同硬件之间有差异。 2 3 2o p c s e r v e r 结构 o p c s e r v e r 通过一层一层的界面提供服务，在它的构架上总共分为三层： 服务器o p c s e r v e r , 组o p c g r o u p ，数据项o p c i t e m 其中每个i t e m 对应到一个实际的硬件装置上的c h a n n e l 或p o r t , 每一个 o p c s e r v e r 可以包含若干个o p c g r o u p ，同时提供操作这些g r o u p 的接口，每个 o p c g r o u p 则包含若干个o p c i t e m ，并同时可以定义这些i t e m 的更新周期、方式、 以及提供读写操作。 图2 3o p c s e r v e r 构架 2 3 3 上位机软件编程数据采集 客户程序访问服务器数据的基本流程如下： ( 1 ) 通过o p c 的浏览接口对服务器数据地址空间进行浏览，确定需要访问的 o p ci t e m ： ( 2 ) 向服务器请求并获取该项m i d ： ( 3 ) 客户端定义o p ci t e m 的类型，并且由服务器核对该o p ci t e m 类型的合法 性： 9 第2 章生产工艺、设备及控制系统的构成 ( 4 ) 服务器根据合法的o p ci t e m 类型，在相应的o p cg r o u p 中添加o p ci t e m 对象，该o p ci t e m 将通过i d 与服务器数据地址空间的项建立映射关系。同时服 务器将为新添加的o p ci t e m 分配一个服务器句柄返回给客户。该旬柄将作为服 务器端鉴别o p ci t e m 的合法标识； ( 5 ) 客户通过o p ci t e m 读写接口，对相应句柄的o p ci t e m 进行读写操作， 从而间接地对服务器数据地址空间的实际i t e m 进行读写。 具体的来说，要先在开发程序中加入两个西门子提供的动态链接库， o p c r c w c o m d l l 和o p c r c w d a d l l ( 必需安装s i m a t i c 卜咖。这两个d l l 文件中 则包含了o p c s e r v c r 的一些接口：i o p c s e r v e r 、i o p c g r o u p s t a t e m g t 、i o p c i t e m m g t 即服务器、组和项的定义接口，以及读取方式的同步异步、项的子定义等接口。 作者在看文档和不断实验的基础上开发了一个o p c 读写的通用类，可以直 接调用来实现上位机与p l c 之间的数据交互。 2 4 锯切控制模式 整个数据的底层采集之后，经过计算处理，必须再返回给控制设备进行控 制生产，所以有必要说明飞锯的切割模式、方式，以及飞锯与上位机的接口。 图2 4 飞锯切割模式 如图2 4 ，切割的工艺流程是站在切割执行机构载体台车的角度上来进行分 析，系统进入自动模式后，在切割焊管时，在原点位置等待焊管的切割面，当 焊管的切割面到达台车启动点时，台车启动并追赶切割截面，当台车追赶到切 割截面并与其保持同步时，夹紧机构夹紧，切割机构开始切割焊管，切割完成 后，夹紧机构松开，台车减速；减速到零后，等待被切下焊管的重心到达出料 1 0 第2 章生产工艺、设备及控制系统的构成 导轨，保证钢管的顺利出料，然后台车回到原点位置等待下一根钢管的切割截 面。 同时在飞锯处提供了一个飞锯当前执行状态的接口，在p l c 中用一个字节 表示，来触发和同步上位计算机的处理，该状态字为0 到8 分别来表示飞锯的 “e r r o r “c i 鹇e 一“( = l a m po n 力“( = u ts 1 a r t “( me n d “c i 气m po f f “w o r k c h g “r e t u r n “w a l t 九个状态。 2 5 小结 本章主要介绍了整个钢管生产线的生产工艺、生产设备以及其控制系统的 构成，网络、硬件软件基础。为了实现上位机获取生产数据并计算处理规划后 来控制焊管的切割设备，所以本章中详细说明了上位机与p l c 数据交互的工具 o p c s e r v e r 以及实际生产线中切割的控制模式及其控制接口。o p c s e r v e r 数据采 集是后续优化切割的数据来源，而飞锯控制接口的确定则决定了优化切割的实 现。本章为上位机程序的实现奠定了基础。 l l 第3 章切割实际问题与模型分析 第3 章切割实际问题与模型分析 3 1 影响锯切的因素 在实际钢管生产线上，生产过程中会有很多因素直接或间接的影响着锯切 的质量和效果，基于在实用性上的考虑，整条生产线上的切割影响因素可以总 结为以下几个方面： ( 1 ) 整线停机( 2 ) 原材料及生产缺陷( 3 ) 焊管管头定位( 4 ) 生产限制( 5 ) 物理限制 3 1 1 整线停机 由于整线启动时，高频焊机不能马上进入正常工作状态，会焊出存在开口 或不能达到生产标准的焊管，而焊缝热处理时刚启动也不能达到正常工作状态， 整线一旦停机便意味高频焊机的前后存在一定长度的钢管成为废管。实验经验 表明停机一次会在生产线造成总长到1 4 米的缺陷，因此避免整线停机为提高钢 管率的一个重要目标。 3 1 2 缺陷 焊管在成形过程中不可避免地存在缺陷，就其产生的原因来说，有操作不 当，设备故障，原材料缺陷，钢带的剪切对焊等。 归纳起来，有整线停机缺陷，焊缝热处理缺陷，超声波探伤所得缺陷，剪 切对焊缺陷。 同样为缺陷但是就其影响切割的效果来说，还存在着差异。为了实现优化 需要，按照缺陷对锯切影响的严重程度把其分为严重缺陷和一般缺陷。 严重缺陷：焊接处有开口的缺陷，如整线停机缺陷。焊管的开口段很容易 打坏切割机构飞锯的锯片，不仅造成昂贵的锯片损失，而且造成整线停机产生 废管。所以如果出现这样的情况，将会带来很大的损失。从而定义它的范围内 为不能切割的严重缺陷区。 一般缺陷：区域内可以作为切割点，但是该区域的焊管不符合质量要求的 缺陷。 产 对 整个生产线的焊管做切割规划的起点。所以此位置测量的精确性直接影响了该 优化的质量。 3 1 4 生产限制 生产限制即用户要求的切割长度，合格品的长度。本文所提及的用户要求 即为美国石油组织a p i 标准切割长度要求。a p i 标准中并不是指定一个定长的焊 管，而是只要焊管长度在一个范围内，当成品管大于p r 如胸并且小于p r 如舭时 均满足生产限制的要求，优化的目的就是最多的切割出该类焊管。表3 1 给出 项目中使用的一个生产要求的实例。 表3 1a p i 生产限制举例 r a n g e1r a n g e 2r a n g e3 l o7 8 21 0 3 61 4 6 3 m i n 5 4 98 5 31 0 9 7 l n4 8 8 + 0 17 6 2 + 0 110 3 6 + 0 1 l j m7 8 21 0 3 6 1 4 表3 1 中表示，三种不同的生产规格r a n g e1 、r a n g e2 、r a n g e3 中的生 产限制分别为5 4 9 m - - - 7 8 2 m 、8 5 3 m - - 1 0 3 6 m 、1 0 9 7 - 1 4 6 3 m 。 3 1 5 物理限制 物理限制是指生产系统中焊管长度的限制，即焊管生产线能生产出来的焊 管的最小管长胍c 砌和最大管 k p h s c 觚, = 。由于输出辊道出料机构的机械设计， 生产线不可能生产出无限制长的焊管；而由于切割机构飞锯的切割方式又决定 了不能切割出一定管长以下的焊管。如果焊管生产过长或过短都会造成整线停 机、生产无法继续等一系列的严重后果。而在优化过程中，如果确定规划的焊 管为废管，则可以让其只满足物理限制而不必满足生产限制，以扩大寻优的空 间。 第3 章切割实际问题与模型分析 3 2 优化锯切的目的 在生产限制和物理限制的范围内，对缺陷检测装置结束处到焊管头部的整 段焊管的长度进行规划，以满足能出料、适合切割的条件下提高焊管上无缺陷 段的利用率。 3 3 优化锯切的原则 ( 1 ) 出产的焊管要在物理限制的范围内，能出料以保持生产线生产的连续 性。 ( 2 ) 出产的合格品焊管要在生产限制的范围内，这是生产要求所决定的。 ( 3 ) 不能把严重缺陷区域内作为切割点，以保证不损坏锯片和生产线的连续 性。 ( 4 ) 一般缺陷区域可以作为切割点，如果切下的焊管上带有缺陷段，但除去 缺陷段后的好管段在生产限制范围内，经过后期地处理同样为合格管。 3 4 实际切割模型分析 3 4 1 优化切割坐标系的建立 基于整条生产线的构成，我们选取焊机之前的e g 机架中心作为生产线的坐 标原点，对各个设备位置进行标定，对生产过程中产生的各种缺陷与生产数据 进行标定跟踪。 为了研究问题方便，更能直观形象的反映所要解决的问题，每次做切割处 理时针对当前生产线上的生产数据，通过坐标变换整线的标定坐标系转换成以 待切割钢管的管头位置为坐标原点的，生产前进反方向为坐标方向的一维动态 坐标系x 。 3 4 2 优化模型 在优化切割坐标系x 中，待解决的切割问题的生产线如图， 1 4 邻两 材料 管的利用率。 下面讨论该问题的数学模型，我们可以把所有影响锯切的因素归结为一大 类即缺陷，只是这些缺陷具有不同的等级，根据影响的严重程度把不能切割的 缺陷定义为严重缺陷，把其他的所有缺陷定义为一般缺陷。 假定规划出i 根待切割的钢管长度分别为p 1 ，p 2 p j ，而对应的i 个 切割点为毛，岛毛。把缺陷按照缺陷的等级，从原点方向分别定义为缺 陷区间。若当前包含m 个严重缺陷则从原点沿x 方向分别定义为k 1 ，耐k j ， 【耐2 ，s d 勉 陋衲，s d 膨】，同样的包含n 个一般缺陷定义为瞄n ，d k 】， k 拍，d 知j p 柚，d 肥j 。由于严重缺陷也具有一般缺陷的所有特性和效果，故为 了处理方便，把m 个严重缺陷包含在n 个一般缺陷中，即m 个严重缺陷的任 意组合均是一般缺陷区间并集的子集。 定义它们的长度分别为s 乙，l ， s 1 is d 獬一s d 慨h l 1 1 i d 肥一d 柚 钢管上定义的数据如图3 2 所示， 胪k p ： 肚m 缸 基于此，我们可以得出优化切割的目标函数，无缺陷原材料的利用率为： 限制条件为： j 船c m i ns p js p h s c 呦x z p 如 呀- 百上l 荟p t 一l p r d c , l i ：, s p f 墨p r d c 邮 而，x 2 x i ，x 圣u b d 椭，s d 脚 1 6 慨扪( u p 柚d1 乒妒 慨扪( u p 柚，d 。j 一妒 第3 章切割实际问题与模型分析 单单来看目标函数，反映的是无缺陷原材料的利用率，但是利用了一项最 终生产出合格品利用的长度p 如。而且该项的定义由非线性的分段函数给出，由 第a 根钢管的中含有最长无缺陷段的长度为p ：决定。但p ：一厂；，d ) ，由于生 产线上的缺陷的起始位置和缺陷长度的不可预测，故很难直接得出p ：。 3 5 切割方案研究 3 5 1 传统的优化算法 多数的最优化方法的基本思想都是由迭代算法而来，无约束最优化方法的 主要步骤为： ( 1 ) 选定初始点而，计算目标函数初始值厂b o ) 。 ( 2 ) 选取一个能使目标函数值下降的方向，沿该方向取一下降点毛，能使目 标函数值下降，即厂b 。) 加c 一时，这时在这 个严重缺陷上必然有一个切割点，若采用第一种方案根本没有可解的话，算法 将失去作用而陷入死循环。但是第二种方案找不到合适的解的时候，同样可以 按照评价函数的评价给出一个评价最高的规划，可以再对此规划进行分析从而 转向人工操作而不会丧失出现该种情况下的监控能力。 下面将会详细说明第二种方案的实现： 4 3 3 初始化染色体 由于在分析时，决定使用惩罚方案，即只将可行域定义为物理限制的范围， 所以初始化的时候只要满足只都在物理限制范围l d h , s c m l n ，加c j 内即可，出 于代码执行效率的考虑，可以简单的用随机产生p o p s i z e 个染色体。 4 3 4 评价函数 选取评价函数为算法实现中一个最重要的部分，它需要能反映出优化序列 的好坏以及好坏的程度以指导遗传的搜索方向。因为追求的是原焊管上的不含 p r d c s p js 肚哦 黾，工2 毛，h 诺u 陋衲，s d 肥】 慨扪( u p 柚，d 一。) 一妒 评 三个限制条件中，我们用到了第一个物理限制，所以搜索出来的解都是满 足这一个条件的，主要看剩下两个限制条件的惩罚。 1 第一项惩罚钿1i ；l r l ，；，为利用率的惩罚系数。针对生产限 制条件的惩罚，因为当一根切出来的管子上没有缺陷的话，要让它 在合格品的范围内。所以在惩罚机制上采用若检测到了规划的该管 为不含任何缺陷的管子p 。，但是其长度却不在生产限制的范围内， 则加上以生产限制的一半长度为基准的距离上的线性惩罚，假设归 划n 根钢管，第f 根的长度为p ；，该根切割点在置。则所加的惩罚 系数为： ；1 i l 荟十一 口+ 荟b 出一 其中，口为一个极小的正数，以保证分母不为零。b 为该管含不含缺陷的 判断条件，即 根据 给出 中， 位置 重缺 在严 从；l 与；2 的定义，可以推知；1 ，；2 的取值范围为( o ，1 ) ，故七。，七2 参数的 数值选取范围为0 七1 ，k 2 1 ，且七1 + 七2 纠- c d a t a c l e a r e d b l o c k e n c o d e r l o g c y c l e r e a d s i g n a l 图5 5 正常运行时的处理 上位机程序的第一个执行周期，均把内存中的重要数据写入主p l c 。例如： 当前生产线上缺陷的严重缺陷的位置和长度、一般缺陷的位置和长度、测长辊 轮编码器的值、编码器的清除圈数，等等。 当s c a d a 系统从崩溃中恢复时的流程如图5 6 所示，首先把当前生产线上 的编码器值与每个周期上位机写进p l c 的编码器的值做比较，当比较结果不同 时，则通过追加这一差值来跟踪缺陷的位置等。 4 1 第5 章控制软件的形式与功能 图5 6s c a d a 恢复时的生产线数据恢复流程 4 2 第5 章控制软件的形式与功能 5 3 3 优化切割实现 在优化切割中，上位机要根据整线上的各种缺陷的位置进行优化算法，规 划出一个管长序列发送给飞锯控控制机构。并由飞锯严格的按照规划的给定长 度进行切割。 在实际的处理中，也并非是优化一次就把优化后的管长都切完再做下一次 优化，而是切割完优化的第一根，便根据实际上的切割长度，对生产线上的数 据进行调整以避免出现累积误差，再针对当前生产线做第二次优化。以后都是 重复以上过程。从飞锯的控制工艺上来说，当飞锯处在抱住钢管的“抱闸状 态时，实际上这个时候切割的真实钢管长度已经确定，便可根据此时的生产线 数据进行下一次优化，而且优化结果计算出来之后直接发给飞锯，同时要包含 一位有效位来表明该传输数据是有效计算后，而并非是通讯失败所保留的上一 次的优化数据。 图5 7s c a d a 与飞锯的交互流程 4 3 第5 章控制软件的形式与功能 5 3 4