鋼管測長稱重噴標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

李志農(nóng)，李寧寧，唐高松，岳秀廷，劉本學(xué)

（1. 南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063；2. 鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 鄭州 450001）

0 引言

目前，鋼管已經(jīng)成為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的動(dòng)脈，從送往居民的水、氣、熱，到油田輸出的原油、燃料油、天然氣或者熱電廠、化學(xué)工廠甚至大小鍋爐、電力變壓器，到處都需要大量各種規(guī)格型號的鋼管。鋼管測長（Measure）、稱重（Weight）、噴標(biāo)（Steneil）系統(tǒng)是對成品鋼管進(jìn)行長度、重量的檢測，根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)把鋼管定義為好管或壞管，然后，把鋼管的有關(guān)信息按一定的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)注在鋼管的表面。過去，大部分鋼管采用手工方式進(jìn)行測量和標(biāo)記，存在測量精度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低下，噴標(biāo)時(shí)字跡模糊不清等缺陷。

針對手工方式的不足，人們開發(fā)了一些鋼管測長、稱重、噴標(biāo)系統(tǒng)，然而，現(xiàn)有的系統(tǒng)存在許多不足，如易出現(xiàn)漏噴、誤噴，定位擋板變形還會帶來測長誤差，測長稱重工序花費(fèi)時(shí)間過長。針對現(xiàn)有系統(tǒng)的不足，本文采用組態(tài)王技術(shù)，開發(fā)了一套基于PLC控制的鋼管的稱重測長噴標(biāo)系統(tǒng)。開發(fā)的系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：1）工作過程實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，只要上料架上有料即可進(jìn)行全自動(dòng)化工作；2）系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡單，功能完善，在數(shù)據(jù)通訊中具有很強(qiáng)的自動(dòng)糾錯(cuò)功能，保證數(shù)據(jù)采集和傳送的準(zhǔn)確性；3）自動(dòng)生成鋼管參數(shù)數(shù)據(jù)庫，可提供隨時(shí)查詢或打印；4）具有良好的安全保護(hù)性能，任一環(huán)節(jié)或者部件出現(xiàn)故障，系統(tǒng)都會自動(dòng)停止運(yùn)行并給出報(bào)警，防止設(shè)備損壞；5）測長、稱重和噴標(biāo)可在一個(gè)工位同時(shí)完成，大大縮短了測量時(shí)間，提高了生產(chǎn)率。下面介紹本文開發(fā)的鋼管稱重測長噴標(biāo)在線檢測系統(tǒng)。

1 本系統(tǒng)的稱重測長噴標(biāo)過程

從本系統(tǒng)的精度要求和器件的耐用性等多方面的考慮，本系統(tǒng)采用西門子的PLC和A/D模擬量轉(zhuǎn)換模塊，其型號分別為6ES7 216-2BD23-OXB8和6ES7 231-0HC22-0XA8。采用2個(gè)精久牌稱重傳感器，其型號為YZC-516，量程為2噸；一個(gè)耀華牌稱重儀表，其型號為XK3190-C601；激光測距傳感器的型號為DLS-B30；噴碼機(jī)采用意大利生產(chǎn)的ZJET303型噴碼機(jī)。PLC通過一根RS232PPI電纜和工控機(jī)相連接，2個(gè)稱重傳感器通過專用接線盒和稱重儀表連接，稱重儀表和激光測距傳感器都連接在A/D轉(zhuǎn)換模塊上，稱重儀表和激光測距儀都輸出0-20MA的電流信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后傳送給PLC，PLC在把其數(shù)字信號傳送給上位機(jī)，然后進(jìn)行噴碼。CPU226PLC有兩個(gè)接口，本設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換模塊和噴碼機(jī)都和PLC連接，因此用S7-200編寫噴碼機(jī)和PLC之間的通訊協(xié)議，比用C++編寫通訊協(xié)議較為簡單、易懂。

由于一批鋼管長度比較規(guī)范，為了簡單實(shí)用，采用兩點(diǎn)稱重的方式。稱重傳感器經(jīng)標(biāo)定以后，稱重儀表所顯示值即為鋼管的重量。

鋼管測長有三種方式：利用電荷耦合器件（CCD）測長，利用光柵測長和激光測長。考慮到結(jié)構(gòu)的簡單、測長的準(zhǔn)確性以及技術(shù)的成熟性，本系統(tǒng)采用激光測長，測長示意圖如圖1所示，其中，傳感器 1#、2#、3#、4#、5#、6#為電容式位置傳感器。傳感器1#、2#用來限制激光頭小車的定位，傳感器3#、4#用來限制擋板的定位，傳感器5#用來顯示鋼管到位信號，傳感器6#用來限制噴碼頭的定位。

圖1 測長示意圖

所測鋼管的長度＝L0-L1-L2±ΔX。其中L0為激光測距儀所測得的長度，L1和L2為接近開關(guān)的直徑，ΔX為測量偏差。

噴標(biāo)過程需要噴碼機(jī)和PLC之間的通訊協(xié)議，上位機(jī)利用此通訊協(xié)議來接受PLC發(fā)送的重量和長度數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)處理后按照噴碼機(jī)要求的格式發(fā)送出去，該通訊協(xié)議程序利用S7-200開發(fā)。程序的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

該控制系統(tǒng)稱重測長噴標(biāo)的具體過程如下：

1）鋼管在料架上放置，做好測長稱重噴標(biāo)準(zhǔn)備；

2）控制室發(fā)出翻料指令，此時(shí)翻料電磁閥得電，翻料氣缸上升，料翻到傳送帶上；

3）鋼管運(yùn)動(dòng)到電容傳感器位置，電容傳感器1燈亮，稱重傳感器開始稱重（稱重傳感器一直托著鋼管），同時(shí)兩小車（一小車上裝有激光測距儀，一小車上裝有擋板）開始運(yùn)動(dòng)，直至夾緊鋼管，開始測長，PLC將稱重測長數(shù)據(jù)發(fā)送至噴碼機(jī)，然后小車后退兩秒后開始噴碼，（在噴碼機(jī)兩邊一米處各加一個(gè)行程開關(guān)，防止傳感器6#出現(xiàn)問題時(shí)噴碼機(jī)沖出軌道）。噴碼結(jié)束，鋼管落下。鋼管向前移動(dòng)，電容傳感器1旁邊還有一個(gè)電容傳感器2，鋼管移動(dòng)至電容傳感器2時(shí)，傳感器2亮（為的是與傳感器1實(shí)現(xiàn)互鎖，在來下一個(gè)鋼管時(shí)，傳感器1亮），鋼管繼續(xù)向前移動(dòng)，當(dāng)觸發(fā)最后的行程開關(guān)時(shí)，上料氣缸重新啟動(dòng)，完成一次循環(huán)。

圖2 通訊協(xié)議程序結(jié)構(gòu)框圖

2 PLC控制系統(tǒng)

這套鋼管自動(dòng)測長、稱重、噴標(biāo)系統(tǒng)的控制部分由下位PLC控制系統(tǒng)和上位工控機(jī)控制系統(tǒng)組成。

下位PLC系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場各類信號的采集和各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作控制。現(xiàn)場信號主要包括各工位的料到位信號，各氣缸動(dòng)作的位置信號等；執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括翻料機(jī)構(gòu)、定位裝置、測長裝置、帶輥輪氣缸、鋼管噴標(biāo)輥輪、噴頭升降機(jī)構(gòu)等。PLC根據(jù)自己的程序接受上位機(jī)的指令實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場各類動(dòng)作的控制，其控制流程圖如圖3所示。

圖3 PLC控制流程圖

3 界面設(shè)計(jì)

上位工控機(jī)控制系統(tǒng)采用組態(tài)王軟件制作界面。首先要建立組態(tài)王與外圍設(shè)備的連接，組態(tài)王采用工程瀏覽器界面來管理硬件設(shè)備，每一個(gè)實(shí)際I/O設(shè)備都必須在組態(tài)王中指定一個(gè)唯一的邏輯名稱，此邏輯設(shè)備名就對應(yīng)著該設(shè)備的通訊方式、設(shè)備地址等信息。然后將現(xiàn)場設(shè)備工作方式、接近開關(guān)及行程開關(guān)的狀態(tài)、鋼管重量和長度的測量值及其累積的重量和長度值等相關(guān)參數(shù)定義為I/O變量，存入組態(tài)王數(shù)據(jù)庫。最后進(jìn)行動(dòng)畫連接，將界面中的畫素與數(shù)據(jù)庫I/O變量建立一一對應(yīng)關(guān)系，可將接近開關(guān)的通斷狀態(tài)用指示燈來指示，將鋼管的重量和長度值，累積的重量長度值和一些設(shè)置、報(bào)表查詢在界面上顯示出來，并將設(shè)備工作過程中小車和鋼管的移動(dòng)制作成動(dòng)畫效果。鋼管經(jīng)稱重測長后，利用組態(tài)王的SQL訪問功能實(shí)現(xiàn)建立數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)傳輸，并用組態(tài)王提供的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)告功能生成報(bào)告文本，并送往打印機(jī)打印。該軟件系統(tǒng)主要有以下特性：

1）軟件界面優(yōu)美，動(dòng)畫逼真，易于操作；

2）用激光測長和壓力傳感器技術(shù)，將流水線來的石油管材的長度重量測量出來。并且為了檢測測量偏差，需要有具有與實(shí)際測量結(jié)果相對照，給出相應(yīng)誤差及是否合格評判；

3）具有遠(yuǎn)程監(jiān)控和報(bào)警裝置，在線檢測油管的工作過程，實(shí)時(shí)監(jiān)控，不同參數(shù)的單位可以自動(dòng)選擇和轉(zhuǎn)換（如中英制選擇，并可以自動(dòng)轉(zhuǎn)換）；

4）可以查詢?nèi)請?bào)表、月報(bào)表和年報(bào)表，以及打捆查詢和數(shù)據(jù)庫查詢。

該設(shè)計(jì)的主界面運(yùn)行圖如圖4所示。

圖4 組態(tài)王設(shè)計(jì)主界面運(yùn)行圖

4 結(jié)論

本文用西門子軟件S7-200編程設(shè)計(jì)了鋼管的稱重、測長和噴標(biāo)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，并用組態(tài)王進(jìn)行了界面設(shè)計(jì)，而且和PLC實(shí)現(xiàn)了連接。經(jīng)現(xiàn)場運(yùn)行表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，無論硬件還是軟件都沒有出現(xiàn)問題，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。與現(xiàn)有的控制系統(tǒng)相比，該設(shè)計(jì)大大提高了生產(chǎn)效率，而且成本相對較低，并已在某鋼管廠中推廣使用，反映效果不錯(cuò)。

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