Разработка и исследование систем управления производством труб большого и сверхбольшого диаметра

В настоящее время резко возрос спрос на стальные трубы большого и сверхбольшого диаметра, который лежит в диапазоне от 1020 мм до 1420 мм и выше. Это объясняется строительством новых магистральных нефтеи газопроводов, а также нефтепродуктопро-водов, реконструкцией действующих магистральных нефтегазопроводов и расширением ремонтно-восстановительных работ на действующих трубопроводах.

Между тем производство такого рода труб до последнего времени на отечественных предприятиях отсутствовало, и такие трубы было необходимо приобретать за рубежом, прежде всего в Германии по ценам, устанавливаемым в условиях монополии.

Большая потребность в такого рода трубах ведет к необходимости создания в реальной экономике соответствующих производств. Подобные производства должны быть типовыми, но не с точки зрения их распространенности (производства такого рода носят достаточно уникальный характер), а с точки зрения безальтернативности применяемого технологического процесса. Такой безальтернативный технологический процесс, выработанный всем мировым опытом, заключается в формовке заготовок труб из плоских стальных листов, подготовке их кромок и последующей сварке прямым герметичным швом. После сварки производится как внутреннее покрытие трубы, так и ее многослойное наружное покрытие. Разумеется, должны быть предусмотрены калибровка полученной трубы и всесторонние испытания как сварного шва, взятого отдельно, так и эксплуатационных параметров и геометрических размеров трубы как законченного изделия.

Создаваемое производство должно обладать способностью переналадки на выпуск труб такого же класса (то есть большого и сверхбольшого диаметра), но различных марок, отличающихся используемыми исходными листами и сочетанием длины трубы, ее наружного диаметра и толщины стенок.

Для реализации подобного технологического процесса должно быть подобрано уникальное оборудование, прежде всего включающее в себя различного рода прессы, специальные станки для подготовки кромок под последующую сварку, устройства транспортировки и позиционирования полуфабрикатов, а также различного рода установки для калибровки, испытаний, а также межоперационного и приемочного контроля. Эти устройства должны функционировать по автоматическому циклу, быть приспособлены к встраиванию в окружающую производственную и экономическую среду и быть приспособленными к переналадке на производство труб такого же класса, но различных марок (не выходящих за пределы технических характеристик имеющегося перечня).

В настоящее время существует возможность изготовления отечественными предприятиями отдельных единиц технологического оборудования, необходимого для создания производства стальных сварных прямошовных труб большого и сверхбольшого диаметра, например, в таких ОАО как «Электростальский завод тяжелого машиностроения», «Коломенский завод тяжелого станкостроения», «Коломенский завод тяжелого станкостроения», «Уралмаш», Институт сварки им. Е. О. Патона (г. Киев) и другими. Проблема состоит в том, чтобы объединить эти отдельные агрегаты в целостное переналаживаемое производство, в том числе и с помощью общей системы автоматизации.

Система автоматизации создаваемого типового и в то же время уникального производства труб большого и сверхбольшого диаметра, помимо функций обеспечения выполнения такого рода автоматического цикла, осуществления взаимосвязей с окружающей производственной и экономической средой и, в случае необходимости, переналадки, должна обеспечивать высокую степень структурной и технической надежности этого производства, простоту и быстроту его переналадки, а также поведение в аварийных, заранее неописанных ситуациях, не приводящее к дополнительным поломкам дорогостоящего уникального технологического оборудования.

Сказанное приводит к необходимости специальных исследований, которые, базируясь на выборе типового технологического процесса производства стальных труб большого и сверхбольшого диаметра и соответствующего оборудования, должны привести к разработке методов построения систем управления, обеспечивающих выполнение вышеназванных специфических требований.

Такие методы должны основываться на современных тенденциях в области построения переналаживаемых устройств управления автоматическими циклами. Для каждой единицы технологического оборудования должна быть обеспечена не только возможность автономного функционирования в условиях заранее предусмотренного рабочего цикла, но и эффективность совместной работы в производственной цепочке совместно с другими автоматизированными единицами технологического оборудования и адекватность реакции в условиях различного рода нештатных ситуаций.

Созданию подобных методов посвящена данная работа.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ:

1. Разработаны типовые структуры системы автоматизации, позволяющие объединить отдельные единицы технологического оборудования в единую переналаживаемую производственную цепочку для изготовления сварных прямошовных труб большого и сверхбольшого диаметра из листовых заготовок, что обеспечивает требуемую производительность и гибкость.

2. Предложены двухуровневая иерархическая система управления, обеспечивающая повышение живучести производственного комплекса, и методика распределения функций управления по уровням иерархии, снижающая стоимость управления.

3. Предложена структура универсальной программы для ПЛК, сводящая программирование конкретного рабочего цикла к занесению числовых данных по количеству и распределению входов и выходов и формализованному представлению причинно-следственных зависимостей между ними, что существенно (в 2,5.3,0 раза) сокращает время переналадки.

4. Предложены алгоритмы планирования и диспетчирования подобного производства, снижающие время, потребное на переналадку производственного комплекса, и величины межоперационных заделов, что в 1.5.2 раза повышает эффективность производств такого типа.

5. Предложен алгоритм оптимизации соотношения между периодичностью планово-профилактических работ и их длительностью, что позволяет значительно (свыше, чем в 2 раза) повысить эффективность производств такого типа.

6. Построены имеющие общее значение номограммы, позволяющие дать количественные оценки повышению безотказности двухпроцессорных ПЛК по сравнению с однопроцессорными.

7. Предложена формальная процедура для формирования аварийных сигналов и определения действий, которые система управления должна предпринимать в конкретной ситуации в качестве реакции на эти сигналы, что позволяет производству автоматически останавливаться в нештатных ситуациях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И РЕКОМЕНДАЦИИ.

Производство стальных труб большого и сверхбольшого диаметра должно осуществляться путем формовки трубных заготовок их прошедших входную проверку стальных листов, последующей обработки кромок под сварку, многоступенчатой и герметической сварки этих трубных заготовок, калибрования и опрессовки полученных труб. Для этого производства характерно осуществление входного контроля листов-заготовок, как визуального, касающегося состояния поверхности, так и контроля геометрических размеров. Гибка и формовка листовых заготовок, обеспечивающая получение полуфабрикатов труб для их подготовки к последующей сварке, осуществляется на специальных прессах, которые в настоящее время являются доступными на рынке оборудования. Для осуществления межоперационного контроля качества сварных швов должны широко применяться современные ультразвуковые и рентгеновские методы. Сваренные трубы должны подвергаться опрессовке, калибровке и всесторонним испытаниям на герметичность и на соблюдение геометрических допусков.

Система автоматизации создаваемого типового и в то же время уникального производства труб большого и сверхбольшого диаметра строится по двухуровневому иерархическому принципу на базе применения программируемых логических командоконтроллеров (ПЛК). В настоящее время на рынке оборудования имеются ПЛК различных фирм, в том числе Allen Bradley (США), FESTO (Австрия), Siemens (ФРГ).

Такая система автоматизации помимо функций обеспечения выполнения автоматического рабочего цикла, осуществления взаимосвязей с окружающей производственной и экономической средой и, в случае необходимости, переналадки, обеспечивает высокую степень структурной и технической надежности этого производства, простоту и быстроту его переналадки, а также поведение в аварийных, заранее неописанных ситуациях, не приводящее к дополнительным поломкам дорогостоящего уникального технологического оборудования.

Построение системы управления производством труб большого и сверхбольшого диаметра по двухуровневой иерархической структуре повышает живучесть производства, позволяя единицам технологического оборудования при выходе из строя верхнего уровня иерархии управления продолжать функционировать в пределах своей автономии и в рамках своей компетенции. Распределение функций по уровням иерархии системы управления сведено к задаче целочисленного линейного программирования, решение которой алгоритмизировано. В результате рекомендуются типовая структура управления производством труб большого и сверхбольшого диаметра и распределение функций между уровнями системы управления.

Для реализации предложенной типовой структуры на базе ПЛК предложена методика составления универсальной программы управления рабочим циклом единиц технологического оборудования для таких ПЛК, построенной по принципу «чистой процедуры». Это значит, что последовательность действий (операций) ПЛК по управлению циклом той или иной единицы технологического оборудования остается неизменной, а «привязка» к конкретному объекту управления сводится лишь к формированию и вводу числового массива, соответствующего числу входов и выходов данной единицы технологического оборудования и их распределению. Предложена структура универсальной программы для ПЛК, сводящая программирование конкретного рабочего цикла к занесению числовых данных по количеству и распределению входов и выходов и к формализованному представлению причинно-следственных зависимостей между ними. Подобная методика существенно сокращает время, необходимое для этой «привязки», в том числе и на изменение рабочего цикла при переналадке на выпуск изделия другой марки.

Предложены также алгоритмы определения последовательности запуска новых партий труб, минимизирующие время, необходимое для переналадки оборудования, а также алгоритмы диспетчирования хода производственного процесса. В данном случае, когда обязательно организуется технологический поток, диспетчирование хода производства сводится к образованию различного рода заделовтехнологического, транспортного, оборотного и задела на наладку.

Безотказность и стабильность производства стальных труб большого и сверхбольшого диаметра обеспечивается также структурными методами. С этой целью предлагается использовать двухпроцессорные ПЖ. Для количественной оценки их большей надежности по сравнению с однопроцессорными ПЛК построены специальные номограммы. Отказы оборудования, возникающие вследствие дрейфа его параметров в процессе эксплуатации (например, вследствие износа рабочих инструментов), могут быть предупреждены проведением сеансов профилактических работ. Для составления плана проведения таких работ, оптимизирующих соотношение между периодичностью и длительностью их проведения с точки зрения эффективности работы комплекса производственного оборудования, предложен специальный алгоритм. Предложены также алгоритмы для определения применительно к той или иной операции момента необходимости смены инструмента, от которого зависит значение параметра изделия (например, абсолютного или относительного размера), получаемого на данной операции, а также алгоритмы формирования аварийных сигналов в той или иной ситуации и последовательности действий, вырабатываемых «в ответ» на них.

Все это позволяет приступить к построению отечественных технологических комплексов по производству стальных сварных прямошовных труб большого и сверхбольшого диаметра.

Такие производства целесообразно в первую очередь создавать там, где выполняются следующие условия:

1. Уже существует производство труб, хотя бы и меньшего диаметра, но удовлетворяющих общепринятым мировым стандартам качества.

2. Могут быть использованы существующие здания, производственные площади и значительная доля действующего оборудования.

3. Имеются в наличии требуемые мощности электрои энергообеспечения.

4. Имеется возможность создания производств стальных сварных прямошовных труб большого и сверхбольшого диаметра без остановки действующего производства.

5. Обеспечивается маневренность и гибкость производства за счет наличия «пересекающегося» сортамента, что необходимо для выполнения срочных и уникальных заказов, особенно в условиях «пиковой» нагрузки.

На территории России и стран СНГ имеется не менее пяти производственных объединений, где существует трубопрокатное производство, удовлетворяющее названным условиям. В качестве примера можно назвать такие ОАО, как «Выксунский металлургический завод», «Челябинский трубопрокатный завод», «Волжский трубный завод», «Новомосковский трубный завод», «Харцызский трубный завод» и некоторые другие.