擴(kuò)徑機(jī)管端直徑自動測量裝置的開發(fā)

周書亮，姜建軍，崔明亮，劉長宏，王 玉

（渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣062658）

擴(kuò)徑機(jī)管端直徑自動測量裝置的開發(fā)

周書亮，姜建軍，崔明亮，劉長宏，王 玉

（渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣062658）

針對螺旋焊管擴(kuò)徑機(jī)管端直徑測量工序，設(shè)計了一種管端直徑自動測量裝置。該裝置采用CCD激光傳感器進(jìn)行測量，運(yùn)用PLC算術(shù)平均濾波法對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，利用WinCC上位機(jī)軟件顯示測量信息，通過脈沖觸發(fā)沿將測量數(shù)據(jù)保存在Access數(shù)據(jù)庫中，方便數(shù)據(jù)匯總、統(tǒng)計。通過生產(chǎn)使用表明，該裝置測量準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)存儲方便，測量精度滿足工藝要求，測量誤差在±0.3mm。

螺旋焊管；擴(kuò)徑機(jī)；直徑測量；上位機(jī)

在螺旋焊管生產(chǎn)過程中，擴(kuò)徑機(jī)是生產(chǎn)線精整區(qū)域主要設(shè)備之一，主要作用為管端整圓，使管端直徑符合工藝要求，其主要目的在于鋼管在工地進(jìn)行對接時能順利地完成焊接。在API SPEC 5L《管線鋼管規(guī)范》和 GB/T 9711—2011《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》等標(biāo)準(zhǔn)中，對螺旋焊管管端直徑偏差有明確的要求。管端直徑測量方法主要有機(jī)械法、滾輪法和周長法。目前國內(nèi)鋼管生產(chǎn)廠普遍采用周長法測量，用鋼卷尺測量管端的周長大小，這種測量方法勞動強(qiáng)度高，測量誤差大。

因此，設(shè)計一種螺旋焊管管端直徑自動測量裝置，以提高管端直徑測量的準(zhǔn)確性和精度，提升檢測效率，降低操作人員的勞動強(qiáng)度,對鋼管的質(zhì)量控制具有重要意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計

管端直徑自動測量系統(tǒng)流程如圖1所示。擴(kuò)徑機(jī)圓盤處安裝有測量支臂，用來固定CCD激光傳感器；測量支臂伸縮部分采用直線導(dǎo)軌，可根據(jù)管徑大小準(zhǔn)確調(diào)整位置。PLC主站對采集到的傳感器信號進(jìn)行運(yùn)算處理，上位機(jī)與PLC主站進(jìn)行通訊，用來顯示和存儲測量數(shù)據(jù)。

圖1 管端直徑自動測量系統(tǒng)流程

1.1 測量流程

擴(kuò)徑機(jī)對鋼管管端進(jìn)行擴(kuò)徑過程中，安裝在擴(kuò)徑機(jī)圓盤上的CCD激光傳感器對管端直徑進(jìn)行實時測量。西擴(kuò)徑機(jī)對鋼管西端擴(kuò)徑完畢，擴(kuò)徑頭要退回時，在PLC程序中取其動作的上升觸發(fā)沿，將當(dāng)前的鋼管直徑記錄在PLC程序DB數(shù)據(jù)塊中；東擴(kuò)徑機(jī)測量流程與西擴(kuò)徑機(jī)相同。測量完畢后，上位機(jī)程序?qū)⒅睆街涤涗浽贏ccess數(shù)據(jù)庫中，并通過組態(tài)界面顯示出來。

1.2 測量原理

在東、西擴(kuò)徑機(jī)圓盤上各裝有8臺CCD激光傳感器，通過擴(kuò)徑頭直徑方向的2臺傳感器為1組，一共4組，用來測量鋼管的直徑。測得直徑值分別用D1，D2，D3和D4表示，擴(kuò)徑后鋼管管端形貌可近似為圓，管端直徑D可采用平均值法計算，計算公式為

管端直徑測量如圖2所示。

圖2 管端直徑測量示意圖

2 硬件組成

2.1 測量機(jī)構(gòu)

管端直徑測量機(jī)構(gòu)由高精度CCD激光傳感器和帶直線導(dǎo)軌傳感器固定支臂組成。CCD激光傳感器包括發(fā)射端、接收端和放大器。該傳感器的采樣周期為980 μs,高敏感度模式下最小可檢測物體直徑為0.1 mm，滿足鋼管管端直徑測量精度的要求；發(fā)射端和接收端帶光軸校準(zhǔn)指示，便于在調(diào)整中對準(zhǔn)傳感器的光軸；傳感器防護(hù)等級為IP67，可滿足在現(xiàn)場環(huán)境中使用。在實際生產(chǎn)中，傳感器支臂需要根據(jù)生產(chǎn)鋼管管徑規(guī)格的大小作相應(yīng)的調(diào)整，采用直線導(dǎo)軌的方式，保證調(diào)整過程的精度；在直線導(dǎo)軌上裝有刻度鋼尺，便于不同規(guī)格鋼管的調(diào)整。

2.2 PLC控制系統(tǒng)

擴(kuò)徑機(jī)采用西門子S7-300 PLC控制系統(tǒng)，PROFIBUS-DP分布式主從控制模式。在此系統(tǒng)基礎(chǔ)上，需要增加SM331模擬量輸入模塊，實現(xiàn)對CCD激光傳感器信號的采集；增加以太網(wǎng)通訊模塊CP343-1，實現(xiàn)和工業(yè)以太網(wǎng)的通訊。

2.3 上位機(jī)

上位機(jī)用來實現(xiàn)鋼管的參數(shù)設(shè)置和測量后的數(shù)據(jù)保存和顯示，參數(shù)設(shè)置的目的是為了滿足不同管徑的鋼管管端直徑自動測量的要求。上位機(jī)采用研華工控機(jī)，型號為IPC-610H。 PLC與上位機(jī)通訊采用工業(yè)以太網(wǎng)方式。

3 程序設(shè)計

3.1 硬件組態(tài)

在擴(kuò)徑機(jī)原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上，添加SM331模塊和CP343-1模塊后，需要對PLC模塊重新進(jìn)行硬件配置，即硬件組態(tài)，才能使原系統(tǒng)具有模擬量信號采集和以太網(wǎng)通訊功能。

3.2 測量控制

CCD激光傳感器的放大器設(shè)置為“外徑/寬度測量”模式。為了提高信號傳輸精度和抗干擾能力，傳感器采集的信號以恒流源4～20 mA電流的形式輸出給西門子SM331模塊，根據(jù)公式（1），管端直徑計算程序如圖3所示。

為了降低外界干擾對管端直徑準(zhǔn)確性的影響，在PLC程序中采用平均值濾波法對管端直徑值進(jìn)行處理，濾波程序如下。

圖3 管端直徑計算程序

在擴(kuò)徑機(jī)擴(kuò)徑完畢擴(kuò)徑頭要退回時，取其動作的上升沿，將當(dāng)前的管端直徑值保存，輸出給上位機(jī)組態(tài)系統(tǒng)，其程序如圖4所示。

圖4 管端直徑值輸出程序

3.3 上位機(jī)控制

考慮到系統(tǒng)的兼容性和方便性，上位機(jī)軟件選擇和擴(kuò)徑機(jī)PLC控制系統(tǒng)同為西門子產(chǎn)品的WinCC組態(tài)軟件。WinCC是基于Microsoft的監(jiān)控和組態(tài)操作系統(tǒng)，它提供了一些系統(tǒng)模塊和編程接口將其他應(yīng)用程序統(tǒng)一集成到過程控制的用戶界面中。它可以通過ODBC歸檔數(shù)據(jù)訪問，以及通過DDE，OLE2.0和ActiveX控件使用現(xiàn)有的Windows應(yīng)用程序，如Excel，Word，Access等。

在本研究中，WinCC通過ODBC接口將測量的數(shù)據(jù)保存在Access數(shù)據(jù)庫中。在上位機(jī)D盤目錄下建立Access表，命名為“KJJ”，從控制面板的管理工具中，選擇數(shù)據(jù)源（ODBC），通過“添加”按鈕， 將“Driver do Microsoft Access（*.mdb）”添加進(jìn)來，并定義數(shù)據(jù)源名稱為“KJJ”。設(shè)置上位機(jī)的TCP/IP參數(shù)，將上位機(jī)的IP地址設(shè)置為與PLC以太網(wǎng)模塊CP343-1 IP地址在同一個網(wǎng)段。

在WinCC軟件中新建項目，設(shè)置當(dāng)前項目的計算機(jī)名與本地計算機(jī)名一致；添加OPC協(xié)議，與PLC主站建立以太網(wǎng)通訊，在其TCP/IP屬性中設(shè)置IP地址與CP343-1模塊IP地址一致，同為192.168.64.132。進(jìn)入組態(tài)界面進(jìn)行編輯，建立WinCC和S7-300 PLC變量連接，將參數(shù)讀取到軟件中，管端直徑自動測量顯示界面如圖5所示。

圖5 管端直徑自動測量界面

4 結(jié) 語

該裝置通過采用傳感器自動測量方式，避免了人工測量誤差，使自動測量在鋼管管端擴(kuò)徑過程中完成，提高了操作的便利性和測量精度，降低了操作人員的勞動強(qiáng)度。裝置運(yùn)行穩(wěn)定，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠。

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［11］童敏明，唐守峰，董海波.傳感器原理與檢測技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

Development of Pipe End Diameter Automatic Measuring Device of Expander

ZHOU Shuliang,JIANG Jianjun,CUI Mingliang,LIU Changhong,WANG Yu
（CNPC Bohai Equipment North China Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Qingxian 062658,Hebei,China）

According to the pipe end diameter measurement process of SAWH pipe expander,a kind of pipe end diameter automatic measuring device was designed.The device adopted CCD laser sensor to carry out measurement,and used PLC arithmetic average filtering method to calculate measuring data.The measurement parameter information was displayed by using WinCC software of the upper computer;the data were stored in the Access database by the trigger pulse,which is convenient for data collection and statistics.Through actual production and use,the device presents the features of accurate measurement and convenient data storage,moreover,the measurement accuracy meets the requirements of technology,and its measurement error is±0.3 mm.

SAWH pipe;expander;diameter measurement;upper computer

TE973.6

B

1001－3938（2015）10-0045-04

周書亮（1984—），男，大學(xué)本科，工程師，主要從事電氣設(shè)計與設(shè)備維護(hù)工作。

2015-05-25

張 歌