基于PLC控制鋼管周長(zhǎng)測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)用

周書亮，高俊星，張曉東，李斌，閆瑋，婁剛，高潔 （渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣 062658）

基于PLC控制鋼管周長(zhǎng)測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)用

周書亮，高俊星，張曉東，李斌，閆瑋，婁剛，高潔 （渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣 062658）

針對(duì)螺旋焊管生產(chǎn)線檢驗(yàn)崗位對(duì)鋼管管端周長(zhǎng)的測(cè)量要求，設(shè)計(jì)了一種管端周長(zhǎng)自動(dòng)測(cè)量裝置。該裝置采用旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)固定CCD激光傳感器，通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)傳感器圍繞管端180度旋轉(zhuǎn)，測(cè)出8組鋼管直徑數(shù)據(jù)，運(yùn)用PLC程序計(jì)算出管端周長(zhǎng)值，利用VB6.0上位機(jī)軟件顯示測(cè)量信息、保存數(shù)據(jù)和控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該裝置測(cè)量準(zhǔn)確、調(diào)整方便、采用傳感器數(shù)量較少，測(cè)量精度滿足工藝要求，測(cè)量誤差在±0.2mm。

周長(zhǎng)；旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；裝置；傳感器；上位機(jī)

螺旋焊管生產(chǎn)制造過程中，擴(kuò)徑、成品檢驗(yàn)崗位需要對(duì)管端周長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量，以保證生產(chǎn)出來的鋼管參數(shù)滿足工藝要求，在施工現(xiàn)場(chǎng)順利完成對(duì)接。API SPEC 5L《管線鋼管規(guī)范》和GB/ T9711-2011《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》[1-2]等標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)焊管管端直徑偏差有明確的要求。目前普遍采用測(cè)量管端周長(zhǎng)判斷是否滿足工藝范圍的方式來間接測(cè)量直徑。國內(nèi)鋼管廠普遍采用鋼卷尺測(cè)量管端的周長(zhǎng)大小，這種測(cè)量方法勞動(dòng)強(qiáng)度大、存在人工誤差。一些鋼管廠家也在研制鋼管周長(zhǎng)自動(dòng)測(cè)量設(shè)備，但換道調(diào)整繁瑣、傳感器數(shù)量多和測(cè)量精度給這些設(shè)備的大規(guī)模使用造成一定局限性。

因此，設(shè)計(jì)一種螺旋焊管管端周長(zhǎng)自動(dòng)測(cè)量裝置，在保證測(cè)量精度的同時(shí)，提高換道調(diào)整便利性、減少傳感器數(shù)量，對(duì)設(shè)備的正常使用和鋼管的質(zhì)量提升有重要意義。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中環(huán)形齒條轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝有傳感器支架，用來固定CCD激光傳感器。傳感器支架伸縮部分采用直線導(dǎo)軌，調(diào)整電機(jī)帶動(dòng)傳感器支架在直線導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，調(diào)整電機(jī)帶有反饋編碼器，可準(zhǔn)確測(cè)量支架運(yùn)動(dòng)位移。

PLC主站對(duì)采集的傳感器信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，并控制旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)作；根據(jù)鋼管不同規(guī)格，PLC主站通過編碼器反饋信號(hào)控制調(diào)整電機(jī)的位移量，實(shí)現(xiàn)換道時(shí)支架位置自動(dòng)調(diào)整；上位機(jī)與PLC主站進(jìn)行交互通信，用來顯示和存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)。

1.1測(cè)量流程

鋼管管端進(jìn)入旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)內(nèi)圈處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)構(gòu)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，PLC主站以一定時(shí)間間隔對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行采集，當(dāng)旋轉(zhuǎn)180度后電機(jī)停止運(yùn)行， PLC程序?qū)⒉杉降男盘?hào)經(jīng)過運(yùn)算處理轉(zhuǎn)換為管端周長(zhǎng)，通過與上位機(jī)軟件通訊將周長(zhǎng)值在組態(tài)界面顯示出來，并保存在Access數(shù)據(jù)庫中。

圖1 管端周長(zhǎng)測(cè)量結(jié)構(gòu)

1.2測(cè)量原理

在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上裝有兩組CCD激光傳感器，平行安裝。在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，傳感器發(fā)出的光束始終與鋼管表面相切，測(cè)得的鋼管直徑值為d，如圖2所示。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)180度后測(cè)得直徑值用D1、D2、D3、D4、 D5、D6、D7、D8來表示，以Dmin代表8組直徑值中最小值，Dmax為最大值，Dmin 和Dmax可通過PLC程序比較算法得出，管端直徑D計(jì)算公式為：

圖2 測(cè)量示意圖

2　硬件單元組成

2.1測(cè)量單元

管端周長(zhǎng)的測(cè)量單元由CCD激光傳感器、帶直線導(dǎo)軌傳感器支架和調(diào)整電機(jī)組成。傳感器為光透型激光傳感器，最小可檢測(cè)物體為φ0.1mm，重復(fù)精度為80μm,滿足鋼管管端周長(zhǎng)測(cè)量精度的要求；傳感器帶有雙LED位置顯示器，便于觀察工作狀況；傳感器防護(hù)等級(jí)為IP67，污染等級(jí)為2，滿足現(xiàn)場(chǎng)使用[3]。

傳感器支架需要根據(jù)管徑大小做相應(yīng)的調(diào)整，以滿足不同規(guī)格鋼管生產(chǎn)。支架采用直線導(dǎo)軌的方式，保證調(diào)整過程的精度；調(diào)整電機(jī)為永磁直流電機(jī)，型號(hào)ENGEL GNM2145C，具有慣性小、扭矩高和動(dòng)態(tài)性能優(yōu)的特點(diǎn)，與直線導(dǎo)軌滑動(dòng)端連接；電機(jī)裝有反饋編碼器，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)位移的準(zhǔn)確測(cè)量；電機(jī)控制器型號(hào)為ENGEL DSV 112。

2.2旋轉(zhuǎn)單元

旋轉(zhuǎn)單元由旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成。電機(jī)型號(hào)為ENGEL GNM5440，控制器型號(hào)為ENGEL DSV 130A。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用環(huán)形齒條結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過行星減速機(jī)與齒條連接，帶動(dòng)環(huán)形齒條轉(zhuǎn)動(dòng)[4]。

2.3PLC主站

為了增強(qiáng)車間設(shè)備的通用性，PLC主站為西門子S7-300控制系統(tǒng)，采用 PROFIBUS-DP主從控制模式。添加SM331模擬量輸入模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)CCD激光傳感器信號(hào)的采集； SM332模擬量輸出模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)整電機(jī)、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器的控制； FM350模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)整電機(jī)反饋編碼器信號(hào)的采集；以太網(wǎng)通訊模塊CP343-1實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)通訊[5-7]。

2.4上位機(jī)

上位機(jī)用來實(shí)現(xiàn)鋼管的參數(shù)設(shè)置、測(cè)量數(shù)據(jù)的保存、顯示和換道時(shí)傳感器支架的調(diào)整。上位機(jī)采用朗歌斯工業(yè)一體機(jī)，型號(hào)為L(zhǎng)S530H，帶觸控功能，方便崗位人員日常操作。

3　程序控制設(shè)計(jì)

3.1硬件組態(tài)

在S7-300控制系統(tǒng)中，硬件模塊SM331、SM332、FM350和CP343-1安裝完成后，需要step7編程軟件對(duì)PLC模塊進(jìn)行硬件組態(tài)，才能將PLC程序編譯成PLC主站CPU可執(zhí)行的代碼[8]。在硬件組態(tài)中，設(shè)置SM332輸出類型為±10V電壓信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)ENGEL控制器的控制；安裝FM350軟件包，在組態(tài)界面設(shè)置編碼器的脈沖數(shù)為650，根據(jù)電機(jī)傳動(dòng)比和編碼器實(shí)際脈沖數(shù)的大小可計(jì)算出傳感器支架位移值，組態(tài)界面如圖3所示。

圖3 硬件組態(tài)

3.2測(cè)量控制

PLC程序?qū)⑽鏖T子SM331模塊采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)，便于管端周長(zhǎng)值的計(jì)算，轉(zhuǎn)換程序如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)換程序

在PLC程序采集到的8組直徑數(shù)據(jù)中，為了避免焊縫和外界干擾對(duì)管端周長(zhǎng)數(shù)值的影響，根據(jù)公式（1），PLC程序中采用去掉最小值Dmin和最大值Dmax然后取6組數(shù)據(jù)的平均值的方法計(jì)算管端周長(zhǎng)，計(jì)算程序如圖5所示。

圖5 周長(zhǎng)計(jì)算程序

3.3上位機(jī)控制

考慮到與MES生產(chǎn)系統(tǒng)軟件的兼容性，上位機(jī)軟件選擇Microsoft Visual Basic 6.0（簡(jiǎn)稱VB6.0）軟件。VB6.0基于Basic編程語言，通過可視化編程方式，將經(jīng)常使用的功能以控件的形式出現(xiàn)，通過拖放控件的方式避免重復(fù)的代碼輸入。它可以通過Data控件、DAO對(duì)象、RDO對(duì)象、ADO控件等訪問數(shù)據(jù)庫[9]。

在上位機(jī)“VB98”目錄下建立Access表，命名為“zhouchang”。從控制面板的管理工具中，選擇數(shù)據(jù)源（ODBC），將“Microsoft Access Driver（*.mdb, *.accdb）”添加進(jìn)來，并配置數(shù)據(jù)源名稱為“zhouchang”[10]。

PRODAVE MPI/IE V6.2是高級(jí)語言（VB，VC等）訪問S7-300/400的調(diào)用接口庫，支持通過“Cycle_Read”、“DB_Read/ Write”、“Filed_Read/Write”等方式與西門子S7-PLC建立基本的數(shù)據(jù)通信。本例中，VB6.0通過PRODAVE MPI/IE V6.2與西門子S7-300PLC進(jìn)行以太網(wǎng)通訊。通訊程序代碼如圖6所示。

圖6 通訊程序代碼

在工程中添加模塊“module1”，在該模塊中通過“db_read_ ex6 Lib "Prodave6.dll"”和“db_write_ex6 Lib "Prodave6.dll"”兩個(gè)函數(shù)與PLC建立變量連接。在VB6.0軟件中對(duì)窗體進(jìn)行編輯，顯示界面如圖7所示。

圖7 管端周長(zhǎng)界面

4　結(jié)語

該裝置采用管端周長(zhǎng)自動(dòng)測(cè)量方式，避免了人工測(cè)量誤差；在鋼管換道過程中，可實(shí)現(xiàn)傳感器支架自動(dòng)調(diào)整，為多規(guī)格、小批量的鋼管生產(chǎn)帶來了方便；采用較少傳感器數(shù)量，降低了設(shè)備成本。界面易于操作，裝置運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

[1] API SPEC 5L (45版) : 管線鋼管規(guī)范[S]. 2013.

[2] GB/T9711 - 2011 : 石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管[S]. 2012.

[3] 基恩士公司. 光透過型激光傳感器操作手冊(cè)[Z]. 2013.

[4] 于惠力, 馮新敏. 齒輪傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)與實(shí)例[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2014.

[5] 魏克新. 自動(dòng)控制綜合應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[6] 梁濤, 楊彬, 岳大為. Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社, 2013.

[7] 李軍. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)與開發(fā)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2014.

[8] 廖常初. S7 - 300 / 400 PLC應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[9] 軟件開發(fā)技術(shù)聯(lián)盟. Visual Basic開發(fā)實(shí)戰(zhàn)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社, 2013.

[10] 葉愷，張思卿.Access2010數(shù)據(jù)庫案例教程[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

The Design and Application of the Automatic Measuring Device for SAWH Pipe Perimeter Based on PLC Control

According to the requirements of measuring the end perimeters of SAWH pipes at the product testing post, an automatic measuring device is designed. The device adopts a CCD laser sensor which is fixed at a rotating mechanism and has a full 180-degree rotation. In this way, 8 groups of the pipe end diameters are measured. Then, the pipe end perimeters are calculated using the PLC program. The VB6.0 host computer software is used to display the measurement information, save the data and control the executing mechanism. The practical applications indicate that the device is accurate, easy to adjust, and it only requires a small number of sensors. Moreover, the measurement accuracy meets the technical requirements, with the measurement error less than 0.2mm.

Perimeter; Rotating mechanism; Device; Sensor; Host computer

B

1003-0492（2016）05-0096-03

TE973.6

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