基于Profibus 網(wǎng)絡(luò)的鋼管外防腐自動(dòng)化系統(tǒng)

楊 凱 王世靜

（天津富迪科技發(fā)展有限公司，天津 300384）

1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)是為鋼管防腐所研發(fā)的自動(dòng)化系統(tǒng)。工藝要求采用集中管理、分散控制、安全可靠、技術(shù)先進(jìn)的理念實(shí)現(xiàn)整個(gè)車間生產(chǎn)的高度自動(dòng)化。根據(jù)鋼管防腐的幾個(gè)通用步驟，將整個(gè)生產(chǎn)線分為四個(gè)PLC進(jìn)行控制——兩條除銹線、一條涂敷線和一條內(nèi)防線，上位機(jī)使用西門子工控機(jī)采集四個(gè)PLC中的數(shù)據(jù)并且在上位機(jī)中顯示出來(lái)。由于現(xiàn)場(chǎng)控制的設(shè)備數(shù)量和種類較多，且相互之間距離較遠(yuǎn)，為了實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)分散設(shè)備的基本控制及數(shù)據(jù)通信，結(jié)合各通信協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)，確定各PLC與其控制模塊之間采用 Profibus DP通信，工控機(jī)與下位四個(gè) PLC之間采用RS485標(biāo)準(zhǔn)通信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。

控制系統(tǒng)的PLC采用SIMATIC S7300的配套編程工具Step7完成硬件組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、PLC程序編制、測(cè)試、調(diào)試和文檔處理等功能。硬件采用CPU315-2DP模塊化型 PLC，它具有強(qiáng)大的處理能力，并集成了Profibus DP現(xiàn)場(chǎng)總線接口裝置，同時(shí)還具有0.3ms處理1024個(gè)語(yǔ)句的速度。生產(chǎn)線的自動(dòng)追管、脫管和對(duì)中主要由西門子FM 350高速記數(shù)模塊和編碼器實(shí)現(xiàn)。

工控機(jī)的組態(tài)軟件采用亞控公司的組態(tài)王軟件，完成組態(tài)、運(yùn)行、操作等功能，提供友好的人機(jī)操作界面。人機(jī)界面以簡(jiǎn)潔、清晰的風(fēng)格組態(tài)各個(gè)操作畫面，畫面上準(zhǔn)確明了地以圖形方式表示出當(dāng)前生產(chǎn)線設(shè)備的情況，如停止、運(yùn)行、速度和故障等信息并以不同顏色、圖形和文字表示。

2 鋼管外防腐自動(dòng)化系統(tǒng)

鋼管外防腐自動(dòng)化系統(tǒng)主要包括自動(dòng)追管、脫管及對(duì)中系統(tǒng)。

2.1 自動(dòng)追管系統(tǒng)

圖1

圖2 追管示意圖

自動(dòng)追管是當(dāng)前一根鋼管走出入口段時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)上管并且在鋼管落到入口段時(shí)將速度提到最大，使后一根鋼管在前一根鋼管完全進(jìn)入主段前追上前一根鋼管同時(shí)將速度降到與主段相同，以滿足外打沙的要求和提高生產(chǎn)效率。

本自動(dòng)追管系統(tǒng)為PLC通過(guò)編碼器的計(jì)數(shù)值和傳感器信號(hào)判斷兩根鋼管的相對(duì)位置，以確定鋼管的前進(jìn)速度和下一根鋼管的上管時(shí)間，編碼器（En1、En2）與傳感器（S1、S2）的相對(duì)位置如圖2所示。追管過(guò)程中自動(dòng)計(jì)算鋼管長(zhǎng)度，累計(jì)計(jì)算生產(chǎn)的鋼管總長(zhǎng)度，并且可將最近生產(chǎn)的一定數(shù)量的鋼管長(zhǎng)度存儲(chǔ)在PLC中，如果將PLC連接到外部顯示設(shè)備上，即可作為生產(chǎn)維護(hù)參考數(shù)據(jù)。計(jì)算鋼管長(zhǎng)度的公式為

L=A+(En/360)×(πd/K)

式中，A為兩個(gè)傳感器之間的距離；En為編碼器的計(jì)數(shù)值；π=3.14；d傳動(dòng)線上輪子的直徑；K＝L s/P，L s=（P2+π2D2）1/2；P為螺距值；D為鋼管直徑。

存儲(chǔ)鋼管長(zhǎng)度的PLC語(yǔ)句表程序?yàn)椋?/p>

追管時(shí)只涉及到兩個(gè)編碼器的相對(duì)值，因此本自動(dòng)追管系統(tǒng)與鋼管的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，但是當(dāng)管徑或螺距值發(fā)生較大的變化時(shí)，傳動(dòng)線的橡膠輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周鋼管前進(jìn)的距離相差大時(shí)，要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況重新設(shè)定C值，若PLC與觸摸屏、工控機(jī)等外部設(shè)備連接，可直接在外部設(shè)備上修改此值，簡(jiǎn)單方便。

2.2 自動(dòng)脫管及對(duì)中系統(tǒng)

自動(dòng)脫管及對(duì)中通過(guò)傳感器檢測(cè)到鋼管完全進(jìn)入出口段后將出口段速度加速到最高值，使得出口段鋼管和后面的鋼管分離開來(lái)，當(dāng)鋼管的中心位置運(yùn)行到出口臺(tái)架的中心位置時(shí)，出口段停止，出口鉤升起將鋼管翻到出口臺(tái)架上。

在本系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)程當(dāng)中一共試驗(yàn)了兩種脫管和三種對(duì)中方案，以下對(duì)幾種方案的實(shí)現(xiàn)方法及優(yōu)缺點(diǎn)分別進(jìn)行說(shuō)明：

（1）脫管方法一

如圖3所示脫管位置E處裝傳感器S0，鋼管管端到達(dá)S1時(shí)出料區(qū)輥道啟動(dòng)與工作區(qū)輥道同步運(yùn)行，當(dāng)S0檢測(cè)到兩管接縫時(shí)，發(fā)出脫管信號(hào)，出料區(qū)加速到脫管速度，實(shí)現(xiàn)脫管。一般出口區(qū)的螺距都要大于工作區(qū)的螺距，當(dāng)鋼管到達(dá)E處時(shí)，會(huì)自然的與后面的鋼管脫開一定的距離，S0傳感器的信號(hào)出現(xiàn)變化實(shí)現(xiàn)脫管。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是脫管不受鋼管長(zhǎng)度和管徑等其他因素的影響，缺點(diǎn)是如果兩段螺距相差很小，脫開距離就會(huì)很小，對(duì)傳感器的要求會(huì)隨之提高。

圖3 脫管示意圖

（2）脫管方法二

自動(dòng)追管時(shí)計(jì)算出鋼管的長(zhǎng)度并將其存取在數(shù)據(jù)表中，表中的數(shù)據(jù)遵循先進(jìn)先出的原則，當(dāng)鋼管管端到達(dá)S1時(shí)出料區(qū)輥道啟動(dòng)與工作區(qū)輥道同步運(yùn)行，當(dāng)有鋼管的管頭到達(dá)S1時(shí)，開始計(jì)算管長(zhǎng)，計(jì)算公式如追管中所述，當(dāng)正在計(jì)算的鋼管長(zhǎng)度值大于等于數(shù)據(jù)表中存儲(chǔ)的第一個(gè)管長(zhǎng)時(shí)，開始脫管，并將此管長(zhǎng)從數(shù)據(jù)表中刪除。

需要注意的是此種方法要求用自動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)追管的鋼管必須使用自動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)脫管，同樣要求使用自動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)脫管的鋼管必須是用自動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)追管的鋼管，否則會(huì)引起數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)的混亂。

刪除數(shù)據(jù)表第一條記錄并且其余數(shù)據(jù)前移的PLC語(yǔ)句表程序?yàn)椋?/p>

（3）對(duì)中方法一

如圖 4所示，管端到達(dá) S2，En開始計(jì)數(shù)，管E尾離開S1，得：管長(zhǎng)=K(B+C)+E n1(計(jì)數(shù)值1)

注意各個(gè)值之間的單位換算。這種方法可以計(jì)算鋼管的長(zhǎng)度并且通用性較強(qiáng)，各種傳動(dòng)線均適用。

圖4 對(duì)中示意圖

（4）對(duì)中方法二

如圖4所示，將傳感器S2安裝在對(duì)中位置，當(dāng)鋼管管端到達(dá)S1時(shí)編碼器開始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值為X，逐個(gè)計(jì)算出鋼管長(zhǎng)度的編碼器計(jì)數(shù)值L，兩個(gè)傳感器之間的計(jì)數(shù)值B+C+A，當(dāng)X-(B+C+A)>=L/2時(shí)輥道停止。此種方法與鋼管的長(zhǎng)度和管徑無(wú)關(guān)，但是不適用于工作區(qū)螺距與出口區(qū)螺距相差較大的情況。

（5）對(duì)中方法三

此方法的傳感器的放置位置、數(shù)值的計(jì)算與方法二相同，但是不使用編碼器計(jì)數(shù)，而是使用時(shí)間計(jì)算。此種方法可以節(jié)省成本，但是速度和螺距值的改變都會(huì)影響對(duì)中效果。

2.3 誤差分析

本自動(dòng)化系統(tǒng)的幾種方法中較多的提到鋼管長(zhǎng)度的計(jì)算，下面對(duì)計(jì)算管長(zhǎng)時(shí)影響精確的幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行一下說(shuō)明，如圖2。

管長(zhǎng)L=A＋(E n/360)×(πd/K)

（1）A值

A值為兩個(gè)傳感器之間的值，是可進(jìn)行實(shí)際的測(cè)量的定值，誤差也是定值。

（2）d值

輪子在使用過(guò)程中會(huì)有一定的程度的磨損，在一定時(shí)間內(nèi)可忽略不計(jì)。

（3）K值

由K值的計(jì)算公式可知，K值主要受P和D值的影響，D為鋼管的直徑，現(xiàn)假設(shè)管長(zhǎng)公式中的其他值均為定值，以下由具體的數(shù)值分析一下P值對(duì)管長(zhǎng)計(jì)算誤差值。

假設(shè)P=0.160m，d=0.530m，D=1.129m，A=5.96m， n=29214

L s=(P2+π2D2)1/2=3.831

K=L s/P=23.944

L=A+(E n/360)*(πd/K)=11.6m

假設(shè)P=0.165m，d=0.530m，D=1.129m，A=5.96m，E n=29214

L s=（P2+π2D2）1/2=3.831

K=L s/P=23.219

L=A+(E n/360)×(πd/K)=11.8m

由以上計(jì)算可知P值相差 5mm將導(dǎo)致最后的管長(zhǎng)相差200mm。

在現(xiàn)場(chǎng)中由于各段的P值不同，當(dāng)鋼管跨段運(yùn)行時(shí)，由于鋼管的帶動(dòng)會(huì)造成兩段P值的逐漸變化，這個(gè)變化值是很難預(yù)測(cè)的，而由于P值的變化還會(huì)影響同一段距離編碼器的計(jì)數(shù)值，從而導(dǎo)致管長(zhǎng)值的誤差更大。此外如果鋼管彎曲也會(huì)影響鋼管長(zhǎng)度的計(jì)算。

由以上分析可知，在計(jì)算鋼管長(zhǎng)度時(shí)應(yīng)盡可能減小上列因素引起的誤差，若各項(xiàng)精確達(dá)不到要求，計(jì)算出來(lái)的管長(zhǎng)只能作為參考值，同時(shí)也會(huì)影響自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)效果。

3 結(jié)論

整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化調(diào)試成功，各項(xiàng)誤差均滿足生產(chǎn)要求。兩種脫管方法與三種對(duì)中方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用范圍有所差別，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)線的情況選擇合適的方法。脫管方法二與對(duì)中方法一適用范圍較廣但對(duì)螺距的依賴性較大，如果生產(chǎn)線需要頻繁更換螺距，則每次都需要重新更新參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，比較而言脫管方法一簡(jiǎn)單方便，只需要在保證工作區(qū)生產(chǎn)的情況下使要脫管的鋼管與后一根鋼管拉開一定距離即可。而對(duì)中方法二和對(duì)中方法三則較多的應(yīng)用于直傳輥道。

采用自動(dòng)方式使生產(chǎn)操作更加簡(jiǎn)單方便，追管、脫管、對(duì)中的準(zhǔn)確度更高，而且采用Profibus DP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式控制，網(wǎng)絡(luò)速度快、可靠性高、開放性好、抗干擾能力強(qiáng)，給安裝、調(diào)試和設(shè)備維護(hù)帶來(lái)方便，提高了生產(chǎn)效率和管理水平。這種網(wǎng)絡(luò)體系具有較高的性能價(jià)格比，并能根據(jù)用戶要求擴(kuò)展至較大的系統(tǒng)。