鋼管自動分鋼儀及其控制系統

王輝

摘 要：近年來隨著油套管制造標準的日益提高，對其質檢環節的要求也越來越嚴苛，其中的混鋼檢驗由抽檢升級為必檢，并需追溯每根鋼管的成分信息;我們通過引入鋼管自動分鋼儀提升了工作效率、滿足了質檢要求。

關鍵詞：分鋼儀;自動化控制

Steel pipe automatic steel separator and its control system

WANG Hui

（Engineering Design Institute of Baosteel Engineering & Technology Group Co.，Ltd.，Shanghai，201900）

Abstract：In recent years，with the increasing standard of oil casing manufacturing，the requirements for its quality inspection are becoming more and more stringent.The inspection of mixed steel is upgraded from sampling inspection to mandatory inspection，and the composition information of each steel pipe needs to be traced;Through the introduction of the automatic steel pipe separator，the work efficiency is improved and the quality inspection requirements are met.

Keywords：Steel separator;Automation control

0 引言

在油套管生產線的質檢環節中普遍采用光譜分析儀（下文簡稱分鋼儀）對產品進行化學成分分析，然后與標準成分進行比對，以判斷產品是否合格。寶鋼鋼管廠管加工4#線于2005年投產，在生產過程中采用手動分鋼作業，即作業人員手持光譜槍，單眼對準鏡頭，然后光譜槍激發后產生火花，通過查看鏡頭內由火花產生的光線，從而確定鋼管元素的成分及含量。人工光譜槍僅僅能顯示分析過程中存在的元素，光譜槍無法自動判斷被分析鋼管是否混鋼，需要人工對顯示的光譜進行判斷是否混鋼，因此勞動強度高，作業效率低，長時間的人工光譜作業還容易導致作業人員眼部疲勞;同時利用經驗對光譜進行分辨可靠性低，有誤檢誤判的風險，存在較大的質量隱患。因此為了優化現有操作方式、提高生產效率，在生產線上新增一套自動分鋼儀，從而實現對鋼管進行自動混鋼檢驗。

1.工作原理及系統組成

分鋼儀是對鋼管合金元素含量進行檢測分析的設備，用于檢查鋼管在生產過程中有沒有混入不同鋼級和不同合金元素含量的鋼管。其檢測設備為光譜槍，采用的是原子發射光譜學的分析原理，被測物體通過光譜槍的電弧或火花放電激發生成原子蒸氣，該蒸氣中的原子與離子被激發后產生發射光譜，發射光譜通過光導纖維進入到光譜儀的分光室中，色散成各光譜波段，根據每個元素發射的波長范圍，通過光電倍增管可以測量出每個元素的最佳譜線，每種元素的發射光譜譜線強度正比于樣品中該元素的含量，通過光譜儀內部預先存儲的校正曲線可測定其含量，并直接以百分比濃度顯示出來。

新增的自動分鋼儀主要由機械設備、電控設備、光譜槍及分析儀器等組成。其中機械設備主要布置在分鋼儀箱體中，包括夾緊氣缸、窗門氣缸、檢測移動裝置氣缸、平移多位氣缸、槍頭升降氣缸、打磨升降氣缸等;此外分鋼儀的光譜槍也安裝固定在箱體內的升降氣缸上。分鋼儀箱體設備布置見圖1-1。

電控設備為分鋼儀電控柜，主要由1套PLC系統和1臺工控機等組成。PLC負責分鋼儀箱體內各機械設備的動作控制;工控機負責與PLC和分析儀器通訊，對分鋼儀進行操作并將分析結果上傳至主線上位機等。此外分鋼儀的分析儀器也安裝在電控柜中。電控設備網絡結構見圖1-2。

光譜槍及分析儀器選用德國SPECTRO TEST（斯派克）公司的TXC35光譜儀，包含光譜槍、分析儀器小車及其分析軟件等，其中光譜槍固定在機械設備中，分析儀器安裝在分鋼儀電控柜中。光譜槍及分析儀器見圖1-3。

2.工藝流程

鋼管被輸送到自動分鋼工位，分鋼儀箱體上的夾緊裝置將鋼管夾緊固定，分鋼儀箱體窗門打開，箱體內的打磨裝置上升對鋼管下表面進行打磨并吹掃氧化鐵皮，打磨結束后打磨裝置降回箱體內，然后光譜槍上升對鋼管擊發電弧并進行成分分析，之后光譜槍也降回到箱體內。若檢測合格沒有混鋼，則夾緊裝置打開，鋼管被輸送到下一個工位;若檢測不合格，則光譜槍先平移一小段，避開鋼管下表面第一次的擊發點，然后光譜槍上升并再次對鋼管進行分鋼檢測;若連續三次檢測不合格，則分鋼儀報警，作業人員對混鋼的鋼管進行人工標記并在后續工位將其移除。

3.電控系統及軟件功能

電控系統主要由PLC、工控機及其軟件組成。其中PLC選用西門子S7-300系列，中央處理單元為CPU 315-2 PN/DP，帶工業以太網接口，可直接通過交換機連接工控機及分析儀器。PLC通過其DO點驅動氣動閥臺上的電磁閥來控制分鋼儀箱體內的夾緊氣缸、窗門氣缸、多位平移氣缸、升降氣缸、磨頭氣缸等的動作，從而完成固定被測鋼管、打磨被測鋼管表面的氧化鐵皮、移動光譜槍至擊發位置并給出擊發命令等任務。此外每個氣缸的行程目標位置上都安裝有磁性開關，信號均送入PLC的DI點，PLC通過獲取各機械元件的位置狀態，再根據工藝連鎖要求，從而有序完成分鋼儀箱體內機械設備的各項動作。PLC還通過點對點方式與主線控制系統進行通訊，根據主線控制系統給出的料流到位信號來啟動自動分鋼作業;分鋼結束后，再向主線發出作業完成信號，主線控制系統再將鋼管從分鋼工位輸送至下一工位。

工控機放置在分鋼儀電控柜中，電控柜上設可開啟的檢視玻璃窗，內放顯示器，柜門設鍵盤抽屜，可在現場對工控機進行操作。工控機內運行分鋼儀的HMI操作界面，由西門子WinCC開發，可以顯示各設備運行狀態，操作設備動作，設置運行參數，查看分析結果等。工控機通過以太網與PLC、分析儀器進行通訊。其中通過讀寫PLC中的數據，可在HMI界面上顯示分鋼儀箱體中各機械元件的位置和動作狀態;還可以在畫面上對分鋼儀箱體進行手動單步操作，以判斷分鋼儀箱體內各機械元件的狀態是否正常。通過讀取分析儀器中的數據，可在HMI界面上顯示儀器的各種運行狀態、報警信息、光譜槍擊發后的分析結果（鋼管的各組成元素種類、各元素的含量、邊界、牌號標準、擊發日期和時間等數據）等;此外工控機還可對分析儀器發出命令電文對其進行遠程控制，如儀器校準、光譜槍擊發、開始分析、結束分析、單次測量等。HMI操作界面見圖3-1。

工控機除了運行WinCC開發的HMI操作界面外，還運行通信軟件，負責與PLC、與分析儀器之間通過以太網讀寫數據。通信軟件主要分為通信模塊、PLC讀寫模塊、業務處理模塊等。

1）通信模塊

采用基于Socket協議的方法跟分析儀器的Event_Server（事件電文）、Command_Server（命令電文）進行通信。Socket的兩個程序通過一個雙向的通信連接實現數據的交換，其中每個連接的一端稱為一個Socket。至少一對端口號（Socket）進行連接通訊，確保軟件讀取分析儀器信息的準確、穩定和高效。采用編程接口的方法（API），對TCP/IP電文進行封裝，TCP/IP提供系統軟件所用的接口;采用HTTP進行封裝或者顯示數據的具體形式;Socket負責網絡通信。系統采用最優化的通信技術，通過高效而可靠的存儲方式來提高Socket傳輸的準確性、穩定性。主要體現在，系統通過隊列的方式來存儲接收到的完整電文，解決Socket通信過程中產生的拆包、粘包問題造成的通訊不穩定和通訊中斷問題。

2）PLC讀寫模塊

通過配置的西門子S7-300 PLC進行數據通訊的動態連接，庫Prodave 6.0來對PLC進行讀寫操作。

3）業務處理模塊

主要功能如下：

接收Event_Server事件電文分析結果，通過Prodave寫入PLC。

接收Command_Server命令電文分析結果，通過Prodave寫入PLC。

通過Prodave讀取PLC信息，分析結果，根據儀器狀態給Command_Server自動發送指令電文。

電文通訊采用Socket通訊，長連接形式。利用分鋼儀分析儀器xml文件特征標記來判斷電文結束，而不是采用接收字節為零ReceivedBytes=0來判斷電文結束。

4.小結

將產線上的手動分鋼作業改造為自動分鋼后，可大大減少作業人員的眼部疲勞、降低勞動強度，同時減少了人員的誤檢誤判，提高了質檢作業的可靠性和工作效率。

參考文獻

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