刘慧博 王璟

摘 要：石油管加工工艺过程主要分：探伤、车丝、检验、拧接、试压、测长喷漆、包装等工序。经过调查，找出产线14道工序的单元作业时间和整支钢管的交工时间，紧密地将各环节有机的联系在一起，去掉等待空余时间，即进行优化工序时间的思路。通过学习引进先进的遗传算法，对石油管产线各工序之间布局优化，进行合理地生产调度为产线产能提升，成本降低提供良好解决方案。

关键词：石油管；生产节拍；车丝机；加工周期

1 车丝机辅机改造

某钢企的石油管生产线Colinet牌车丝机[2]辅机现状：钢管移送依次由拨料器逐支给料，移送位置检测到位，抛钢机翻料入槽（位），此时钢管在料槽摆动，待停止摆动后钢管由挡料器放下，此时钢管在挡料架摆动，停止后由送料小车升起，支撑撑辊接入钢管入位，小车前移，送钢管进入卡盘，定尺挡板对齐，小车减速、停止，卡盘液压缸伸出，卡紧钢管，导向架落下、回转支架启动，车丝机主机检测就绪，开始启动进行后续螺纹加工程序。通过分析钢管在料槽和挡料架中自由摆动时间，属无效时间。

1.1 应用编码器实现自动控制钢管中心高位置[3]

选用SIEMENS可编程控制器（PLC）S7200和高速计数器 I/O 单元（ACT01），其中高速计数器用于检测编码器脉冲数。将编码器反馈的脉冲数输入到高速计数器当中，实现位置脉冲的读取，到PLC对钢管的运动位置进行控制。

当钢管进入托架小车，感应开关发出计数信号时，根据编码器反馈回来的脉冲计数在数控系统（OP）中其数值可以实时显示，编码器每转一圈检测到3000个脉冲（系统检测的值是4倍频后），根据前一加工规格的钢管中心距离，调整的距离近似等于移动的距离或者说 1 mm等于 X 个脉冲：X=相应的反馈脉冲/移动距离，得出关系。以基准钢管定位，如加工177.8mm（7in）钢管，中心托架位置为“零”点。用以调整PLC检测的各点（头、中、尾），以检测到位，常亮即钢管与机床轴线平行。托架将钢管完全升起，反馈脉冲为3800个。当加工 340mm管径时，中心高得，即[（340178）/2].X 当量个脉冲，即在原有“零”点位置上移动的正方向移动相应的距离即可。编码器就会检测到由原先托架升起的3800个脉冲圈数变到[（340178）/2].X +个脉冲圈数。这样无论什么样的钢管都可在不用人工手动调整情况下实现自动，只要调用相应的管径参数。

1.2 车丝机主机卡盘卡爪优化

夹紧卡爪是由液压泵站驱动液压油，提供反向吸合力。使用的比例阀选用华德液压的 4WRE10E6410B/24VZ4 比例放大器对管路的流量大小进行控制[1]。比例放大器的作用是接受控制器的输出电压信号，经过处理后输出控制电流，来控制比例换向阀电磁铁的线圈，继而控制驱动比例阀芯的动作，正向卡紧则有阀芯配置弹簧伸缩控制。它使用的电源电压为直流 24V±10%，最大输出电流为 12001500mA，振荡频率为 25KHz。其控制电压可手动预调输入±9V 电压信号，此方式是通过比例阀外部调节电位器（滑线或旋转）的方式来进行调解。

2 遗传算法优化车间调度

为生产同种规格的石油管，又必须使用共同资源，如人力、材料、设备等，就会出现如何有效分配资源的问题，即生产调度问题。石油管两条产线并线作业时，目标就是找到共享资源的分配和排序的方式，使得“生产约束”被满足，同时生产成本最小化，即解决一个约束最优化问题。

2.1 简单遗传算法组成

一个对参数空间编码的符号串表示；

一个评价符号串的适度函数；

一组产生成新的符号串的遗传操作；

一组控制遗传操作的概率值。

遗传操作通过模拟、进化和继承，而生成符号串（新的或旧的）。又以三个简单遗传操作复制、交叉和突变，在实际中给出了很好的效果。

2.2 车间调度数学模型

车间生产调度不仅具有极值性，即其结果是解值的最小化（最大化），而且具有特殊性，即结果必须符合现场生产作业调度的基本约束条件，石油管加工产线的基本约束条件為：

1）产线中每钢管加工工序必须在它指定的机床上加工生产；

2）钢管送料进入该工序时必须在它前道工序加工生产完毕后再进入加工；

3）在同一时间段内同一台机器只能对一支钢管进行作业。

2.3 适应度函数

通过对工序时间分析，占用加工周期最长的“瓶颈”时间，即为目标函数：

F（X）=max[c（1），c（2），…，c（i），c（m）]

车间调度问题中我们以作业在机床上的加载序列为调度方案，方法也不全相同。石油管生产作业调度问题的提法可以归纳为：生产过程中，有14台机器（工序），每台机器加工钢管有若干操作，且这些操作不同。若干操作，要求将钢管合理地分配步骤，做到加工次序和时间最佳。使约束条件被满足，同时使一些性能指标得到优化。所以一个调度方案就是在一定时间内任务在机器上的一个分派，调度问题就是寻找一个任务在机器之间的传递序列。在本文的设定下该作业加载序列在执行时所花费的生产成本最小，也就是单元作业所需的时限最小，则达到了加工周期最短。

参考文献：

[1]王振江.石油钢管加工输送装置的自动化控制[D].吉林大学硕士学位论文，2008.

[2]徐驰，马占昌，樊萍.钢管加工中心自动找正电气系统的研制与应用[J].钢管，2009，12，38（12）：6468.

[3]王万雷.基于遗传算法的车间作业调度问题研究[D].昆明理工大学硕士学位论文，2002.