在碳达峰、碳中和背景下，能源结构“去煤化”方向明显，根据《中长期油气管网规划》，我国油气输送将形成“主干互联、区域成网”的模式，对多品种、多规格大口径直缝焊管（直径≥?406 mm）需求急剧增加。传统的大口径直缝焊管生产采用“模压成型”的生产方式存在工、模具数量多，规格更换耗时长，效率与性能不可兼顾的缺点，难以满足市场需求，急需研发一种新型生产工艺技术[1]。

太重完全自主开发了“管体辊式成型+直边辊式弯曲+连续合缝预焊”三位一体的联合变形技术及设备，其三位一体工艺流程见图1。

1. 系统配置

管体辊式成型机的装机功率为1200 kW，配有液压控制柜、配电控制柜、辅助传动控制柜、制动电阻柜共9组电气控制柜。主PLC采用Siemens1515T运动控制器。管体辊式成型机的设备见图2。

4轴3马达阀控系统：成型力大，而且主缸无杆腔与有杆腔面积比达到6倍。压下、补偿时，4缸同时作用于上辊，因此需要4缸同步工作，要求伸出时定位精度高，回程时响应速度快。采用非对称伺服比例阀进行位置控制，大流量插装阀排出回程油液。管体成型时，3个排量不同的马达线速度同步运行，且为正反两个方向转换工作，采用高精伺服比例阀进行位置控制，并且可进行压力保护，从而实现新型辊式成型机工艺及设备的精确控制[2]。

直边辊式弯曲机的装机功率为400 kW，配有液压控制柜、配电控制柜、辅助传动控制柜、制动电阻柜共7组电气控制柜。主PLC采用Siemens1515T运动控制器[3]。直边辊式弯曲机设备外形见图3。

6轴2马达阀控系统：辊式弯曲机配置了6个液压缸和2个马达，每道次孔型调整时，6缸同时工作，定位精度高、响应速度快。采用非对称伺服比例阀进行位置控制，弯曲成型时，2个马达线速度同步运行，且为正反两个方向转换工作，采用高精伺服比例阀进行速度同步控制，并且可进行压力保护，从而实现辊式弯曲机工艺及设备的精确控制[4]。

连续合缝预焊机（图4）的装机功率为300 kW，配有液压控制柜、配电控制柜、辅助传动控制柜、制动电阻柜共7组电气控制柜。主PLC采用Siemens1516T运动控制器。

14轴阀控系统：9轴合缝预焊机沿周向配置14个截面积相等的液压缸，初步定位调整时，14缸同步运行。阀控系统采用四通伺服比例阀，满足了工艺及设备的控制要求。机械扩径机4阀协同液压阀控系统：全长机械扩径机为单缸大流量输出系统，主缸配备了大流量插装伺服阀进行位置的精确控制。

2. 多轴同步系统

同步控制的前提是单轴高精度位置控制，针对被控对象的动力学特征，通过采集液压缸的位移、时间、阀开口度数据，得到速度离散点，形成不同负载条件下阀的开口度与液压缸的速度曲线，制定出相应的比例阀控制特性曲线，依据真实负载曲线，精确调整阀的开口度，从而实现单轴高精度位置闭环控制，被控对象位置定位精度可达±0.01 mm[5]；其单轴位置控制原理见图5。

外界多种因素造成被控对象的不同步，为了满足多轴、多马达高精度同步运行的需求，建立多轴协调运动机构的系统传递函数，采集被控对象的位移和压力信号，根据设备不同动力学特性选择同步控制模式（同向同步和反向同步），通过主轴和从轴实际位置的差值对从轴的惯性、前馈、比例增益、滑动摩擦等特性进行补偿，实现多轴、多马达的高精度同步控制[6]。

管体辊式成型机要求4轴3马达同步控制，辊式弯曲机要求6轴2马达同步控制。工作时负载大，被控对象惯量大，因此流量、功率输出较大，采用同向同步方式，运行较快的油缸减慢速度，运行较慢的油缸加快速度，阀的开口方向不发生改变，避免大流量变化带来的液压系统的震荡，实现新型辊式成型机与辊式弯曲机多轴、多马达的同步运行[7]。

连续合缝预焊机要求14轴同步控制，被控对象惯量�。�输出流量�。�因此响应速度快，采用反向同步方式，当液压缸不同步时，增大运行较慢的液压缸阀开口度，将较快的液压缸阀开口度反向调整，从而快速调整位置有偏差的液压缸，实现9轴合缝预焊机的多轴同步运行，反向同步调整方式较正向同步方式响应速度更快，如图6所示。应用该多轴/多马达高精度同步控制方法，被控伺服缸、马达同步精度达到±0.1 mm，满足了工艺设备的运行要求和生产线灵活多变的控制需求[8]，并且实现了逻辑控制与运动控制一体化。多轴同步控制原理与控制运行曲线见图6。

3. 节能控制系统

液压站系统配置了伺服电机+伺服驱动器+定量泵系统方案。该系统在不同的工作模式下按需供给，在停滞阶段几乎不产生溢流，从而带来节能效果[9]。

其原理是在未到达设定压力之前，驱动器执行速度闭环控制模式，电机以设定的最大转速跑动；到达设定压力之后，驱动器执行压力闭环控制模式，伺服系统只负责维持压力恒定，速度自适应。电机在不同时间阶段功率损耗情况见图7。

4. 自动控制系统

全自动的运行需要两个必要条件，首先工艺软件要准确，根据不同钢管的加工工艺计算出每个设备的输送步长及压下量；其次自动工作流程要准确，这样不仅可以提高生产效率，节约生产成本，还可以有效的对人身和设备进行保护。

整个自动控制流程加入了GRAPH语言编程，省去了中间寄存器，使得顺序控制更加容易。其自动控制流程见图8。

5. 智能检测设备

在成型机和弯曲机上安装激光测量仪，对变形区域进行无接触式管型测量。通过以太网将每次成型后的测量数据发送到工艺模型计算机，然后将实际形状与理论形状进行对比，通过计算将优化后的成型参数重新发往成型机的PLC，使工艺参数与实际成型状态匹配，并将优化的工艺参数存储到数据库中[10]，流程见图9。

在预焊机出口处安装线激光测量仪，经过软件分析计算出焊缝的间隙和错边量，并将数据传给PLC系统，调整相应压辊的位置。通过安装激光测量仪检测预焊机焊缝跟踪见图10。

6. 远程监控平台

主要通过互联网（以太网、4G、5G、Wi-Fi）将不同区域的工业设备接入云平台，实现远程数据监控、程序上下载和故障报警等功能，为用户提供一种简单可靠的工业互联网数据远程传输方案。

将本机的设备状态数据，如当前钢板板号、运行电流、震动、温度、液位、系统压力等生产数据存储到PLC内的物联网专用数据块，用户通过电脑或手机，可以随时随地了解现场设备状态。远程监控架构图见图11。

7. 应用效果

产品的加工精度取决于设备的控制精度，对主要设备在生产中的控制精度要求见表1。

该生产线为解决大口径直缝焊管大规模批量化生产和多品种、多规格市场需求之间的矛盾，突破现有“模压成型”的工艺方式，创新性的采用“辊式成型”的工艺方式，实现了全线设备生产能力与生产节奏的协调化，工艺和控制模型多样化。

利用上述核心创新技术成果并匹配其余必要工序，完成了全线工艺、装备与控制系统的集成创新，建成了国内首条大口径直缝焊管辊式成型柔性生产线，结合多工序协同连续生产控制技术，实现了?406~1422 mm全系列产品的高效柔性生产。

8. 结束语

本项目独有的控制技术和设备打破了国外技术垄断，填补了国内空白，实现了工艺技术与装备原始创新及成套设备的国产化，其研究创新方法对我国大型设备成套技术的自主研发具有重要参考价值，为大型复杂成套装备的研制蹚出了一条新路；为国家绿色能源、安全能源输送提供了有力支撑，同时降低了建设成本；为相关中小型民营企业转型发展、摆脱同质低价残酷竞争提供了最佳选择。

文章来源——金属世界