鋼管管號自動識別系統研究與設計

王婧，朱軍，韓冬斌，張環宇，榮勝波

(1.中國科學院沈陽自動化研究所，遼寧沈陽 110016；2.中國科學院大學，北京 100049；3.寶雞鋼管遼陽鋼管廠，遼寧遼陽 111000)

在鋼管生產線中，每個工位信息的準確傳遞對于鋼管質量的跟蹤至關重要。因此，要建立電子化的質量信息系統，提高質量保障能力，實現整條生產線的自動化。鋼管信息自動跟蹤是保證整條生產線自動化的基本條件［1］。

條形碼技術，是在鋼管表面貼條形碼或噴印管號，使用激光條形碼掃描器獲取管號。目前，條碼識別技術已在焊管行業的帶卷跟蹤上得到實際應用，應用在鋼管跟蹤上還有很多技術問題亟待解決［2］。由于鋼管生產車間光照不均、鋼管位置存在偏差以及在生產流程中鋼管翻轉等原因，鋼管管號識別是鋼管跟蹤的難題之一。目前焊管生產企業鋼管信息跟蹤多采取人工識別、手工輸入的方式，信息化系統可以把與該管號相關的信息進行對應收集存儲。實現管號自動識別，是國內焊管生產企業信息化建設過程中遇到的共同課題［3］。

此課題屬于寶雞鋼管遼陽鋼管廠大口徑螺旋焊管生產線數字化自動控制技術研究項目的一部分，依據現場工況，設計了一套鋼管管號自動識別系統，替代了原有的人工操作，實現鋼管數據自動采集、匯總和存儲。

1 系統工作原理

自動識別系統機械裝置如圖1所示。

圖1 鋼管管號自動識別系統裝置機構圖

在相應工位設置掃描器定位裝置，通過相應方向的調整，使掃描器到達設定位置，能夠保證穩定的掃描距離。兩組電機分別實現水平和垂直方向的動作，滿足不同管徑鋼管的條碼讀取需求。系統讀碼流程如圖2所示，待掃描鋼管到達指定位置，管端檢測開關檢測到到位信號后，調整定位裝置使掃描器到達指定位置。利用安裝于輥道上的驅動輥，使鋼管沿管軸線旋轉，在鋼管旋轉過程中掃描器讀取條碼信息至計算機。在設定的時間內如果沒有檢測到有效的識別成功信號，PLC報警。掃描完成后裝置退回初始位置，準備下一根鋼管。

圖2 系統流程圖

掃描器定位裝置由水平伸縮和垂直升降兩部分運動機構組成。這兩個機構均采用絲桿螺母副作為運動機構，每一套絲桿螺母副分別通過獨立的伺服電機帶動絲桿傳動，最終驅動螺母作直線運動，從而使固定在螺母上的固定掃描器實現水平方向的前后運動、垂直方向的上下運動。

系統具有自動和手動兩種操作模式。自動模式下，各伺服電機和掃描器的動作都是按照程序流程由PLC進行全自動控制，不需要人的參與。而手動模式主要用于系統調試及突發情況的處理，通過按鈕操作臺和人機操作觸摸屏按鈕可實現各動作部件的單步控制。

2 系統硬件設計

設計的鋼管管號自動識別系統包括上位機、PLC、固定掃描器、伺服控制器、伺服電機、位控模塊、限位開關、傳感器、各種通信模塊和自制電控柜等。控制系統框圖如圖3所示。

PLC配置以太網通信模塊CP243-1，與上位機、數據服務器采用RJ45網線連接到交換機，建立以太網。PLC適時地給出數字量輸出激活掃描器，完成條碼信息的讀取。

圖3 控制系統框圖

上位機采用性能穩定的工業控制計算機，通過交換機建立以太網，與PLC通信，將鋼管信息傳輸到PLC，計算得到不同方向伺服電機運動參數，用于控制掃描定位裝置移動過程。根據系統過程監控、信息采集、模式選擇等各方面要求，設計了一套加載于上位機的人機界面程序，通過上位機就可以簡單明了地執行各種操作和監視系統信息。

PLC采用西門子S7-200 CPU 224XP，集成14個數字量輸入點，9個數字量輸出點。其中數字量輸入點與4個帶燈按鈕、4個限位開關、3個2位選擇開關相連接。帶燈按鈕用于控制水平方向、垂直方向的掃描定位機構啟動，同時按鈕燈顯示系統部分狀態。選擇開關用于選擇系統操作模式，控制掃描器在水平方向伸出退回、垂直方向上升下降，完成掃描器定位過程。數字量輸出點與伺服控制器狀態點相連，通過指示燈顯示系統伺服狀態;與掃描器狀態點相連，指示掃描器報警。PLC各數字量輸入輸出點功能和地址分配如表1所示［5］。PLC通過RS485總線與伺服控制器通信，根據上位機得到的鋼管管徑等信息給出相應指令，控制掃描器定位過程。固定式條碼掃描器采用Leuze BCL 21，該掃描器可對運動速度最高達254 cm/s的條形碼進行全方向解碼，適用于對轉動中的鋼管進行條碼識別;掃描距離最遠可達450 mm，可適應不同管徑產品的掃描;可對條碼類型和條碼質量自動檢測，通過掃描器軟件BCLconfig對成功讀取條碼、未成功讀取條碼、檢測到壞碼的情況進行輸出信號的配置。

表1 PLC數字量輸入輸出點功能和地址對應關系表

伺服控制器采用路斯特ServoC產品，可通過驅動電纜連接到配套的伺服電機，具有操作簡單、性能穩定的特點。兩組伺服系統分別配置在水平方向和垂直方向，每個軸上均設置了兩個限位開關，將信號線連接到伺服控制器相應輸入點，結合伺服控制器軟件DRIVEMANAGER，選擇相應模式，以限制各軸運動范圍。在設置限位開關的同時，在軸一側放置零位開關，檢測掃描定位機構是否在零位，使結構處于安全位置，防止工位上鋼管運動造成的撞擊。整套電氣設備與機械機構相結合，根據現場不同工況完成管號自動識別過程。

3 系統軟件設計

該系統軟件結構由三部分組成，分別是S7-200程序、伺服控制器程序和人機界面程序。

3.1 S7-200程序

PLC作為核心控制單元，接收來自上位機、控制臺按鈕、限位開關等控制及狀態信號，并控制系統運動及設備狀態。PLC程序用STEP7-MicroWIN編寫，包括主程序、上位機通信子程序、掃描器通信子程序、各伺服軸運動控制子程序、故障子程序［6］。與上位機通信，讀取定位裝置位置信息，并向上傳輸伺服控制器狀態、伺服電機位置等信息。與掃描器通信，激活或取消激活掃描器，接收掃描成功條碼信息。與伺服控制器通信，控制驅動器狀態。若伺服控制器出現故障警報應及時采取措施，并將故障代碼傳輸到上位機人機界面顯示。

3.2 伺服控制器程序

伺服程序由DRIVEMANAGER軟件編寫，語句少而靈活，有一套自己的指令規約［7］。兩臺伺服控制器分別控制水平方向、垂直方向電機動作，掃描器定位過程中兩個方向動作如下:

水平方向:驅動移動定位裝置的前進和后退。設備上電后，若定位裝置不在零點位，則回零操作;若在零電位且待掃描鋼管已就位，驅動定位裝置向前勻速運動，檢測到管端信號后慢速前進，一定距離后停止，驅動輥帶動鋼管開始旋轉，掃描器同時開始掃描。掃描成功后快速返回零點，防止鋼管運動時撞擊到掃描機構。

垂直方向:驅動掃描器的上升和下降。在水平方向前進過程中掃描器慢速上升到給定位置，該位置信息由PLC根據不同管徑計算得出，結束掃描后返回零點。

為了準確定位，兩個方向的動作必須同時協調進行，若單獨對每個方向進行程序編寫，不僅語句麻煩而且容易造成通信紊亂。因此將每個方向的動作分解為多個子步驟，采取統一的程序結構，不僅降低了編程難度，而且PLC只需對同一指令存儲區進行賦值，就可以實現不同方向電機的不同動作［8］。其程序結構如下所示:

H030即伺服指令存儲區，H031，H032，……，H03?中提前賦不同值，如從H031開始依次賦1，2，…，n，則當H030=H031=1時，執行步驟1，當值為2即H030=H032=2時，執行步驟2，依次類推，而且每個步驟能重復調用，便于多次作業。

3.3 人機界面程序

人機界面程序用C#語言編寫，由多個畫面組成，可分為參數設定及顯示界面、工作過程監控、設備運行界面三類。

參數設定及顯示界面，包括掃描器位置參數設定及下載、各伺服電機的速度參數設定及下載、S7-200通信參數設定與連接。

工作過程監控界面，包括系統的啟動停止、操作模式的選擇、報警信息等，顯示PLC、掃描器、伺服控制器等設備工作狀態，對各軸電機的動作進行模擬同步顯示，與各設備通過以太網實時通信，更新數據和顯示數據。當出現故障時，根據故障代碼彈出相應的報警畫面。

設備運行界面，指在一個畫面上通過控件調用掃描器、伺服控制器和PLC運行界面。調用掃描器運行界面，可以設置條碼類型、顯示條碼識別狀態，顯示與條碼相關聯的工位信息、鋼管質量參數等，將當前工位相關信息和質量參數與條碼進行綁定，實現數據的更新。在長時間無操作時關閉掃描器。調用伺服控制器程序運行界面，完成編寫伺服程序、控制伺服動作等操作。調用PLC運行界面，顯示PLC的連接狀態。

4 通信網絡的實現

文中系統通信網絡由兩部分構成，上位機和PLC通過工業以太網連接，PLC和伺服控制器、掃描器通過RS485接口連接。PLC與伺服控制器進行基于LustBus的RS232通信，作為控制端可以對ServoC驅動器執行讀參數和寫參數操作。PLC與掃描器間的通信選擇自由口通信方式，一次讀寫操作的步驟包括:PLC發出寫命令，掃描器收到后作出“準備好接收”的響應;PLC收到此響應則連續發出數據塊，若掃描器完成讀響應，則回應PLC“接收正確”的信號，相反若在規定的空閑內沒收到數據塊，則回應PLC“接收錯誤”的信號。這樣收發2次數據，完成一次數據的讀寫。程序通過使用接收中斷、傳送中斷、發送指令 (XMT)和接收指令 (RCV)控制通信端口操作［9］。

S7-200 PLC在自由口模式下，通信協議完全受通信代碼的控制，通信參數需要根據與其進行通信的設備的通信格式進行設定。利用Leuze掃描調試軟件檢測BCL 21的通信參數設置，通信的數據位為7，停止位1，偶校驗，波特率可以自由設定。BCL21與PLC利用ASCII碼進行通信，其ASCII碼消息命令格式如下［10］:

＜STX＞ ＜ 命令 ＞ ＜命令參數 ＞ ＜CR＞ ＜LF＞其中:STX為報文前綴，CR、LF為報文后綴。報文中ASCII碼最終轉換成16進制進行發送。為了保證通信成功率，在進行讀寫操作時需要先對參數進行轉化，將報文每一位轉換為相應的ASCII碼，交換報文結束通信后，再將ASCII碼轉換為十六進制數。PLC與掃描器通信讀寫參數中斷程序流程如圖4所示。

圖4 PLC與掃描器讀寫參數中斷流程圖

5 結束語

結合條形碼技術，設計了鋼管管號自動識別系統，為實現大量數據信息的自動采集、綁定、匯總和存儲提供了可靠的技術手段。該系統采用PLC控制伺服控制器，驅動兩部伺服電機運動，實現了精確的定位控制，能夠準確地實現掃描與定位之間的運動轉換。該系統電氣設備與機械結構分別完成后，經過在現場一個多月的組裝調試，目前運行良好，不影響整個生產線上的鋼管運動，完全滿足設計需求。通過識別管號對每根鋼管生產的全程進行了精確跟蹤，可以及時了解鋼管的生產信息、缺陷狀態及修復情況，為企業決策管理層提供詳實準確的決策依據。

［1］王曉香.焊接鋼管技術的新進展［J］.焊管，2011，34(3):5-11.

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