鋼管自動(dòng)稱重測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

顧愛(ài)群，韓冬斌，趙立華，朱 賀，吳嵌雅，王乃紅，高光旭

（1.遼陽(yáng)石油鋼管制造有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003；2.鞍山長(zhǎng)風(fēng)無(wú)損檢測(cè)設(shè)備有限公司，遼寧 鞍山 114018）

質(zhì)量、長(zhǎng)度是鋼管的主要計(jì)量指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)鋼管快速準(zhǔn)確的稱重、測(cè)長(zhǎng)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品計(jì)量的重要手段［1］。鋼管長(zhǎng)度測(cè)量的傳統(tǒng)手段是人工采用卷尺完成測(cè)量，人工測(cè)量誤差大、操作繁瑣，且至少需要兩人才能完成；同時(shí)，操作人員頻繁出入鋼管滾動(dòng)區(qū)域，被夾傷、擠傷等安全風(fēng)險(xiǎn)大。

遼陽(yáng)石油鋼管制造有限公司某稱重測(cè)長(zhǎng)設(shè)備的稱重授料器降落時(shí)，鋼管會(huì)隨著授料器降落而下降。鋼管下落時(shí)的重心與稱體上V 型槽中心不在一個(gè)鉛錘面上，存在30 mm 錯(cuò)位，這會(huì)使下落的鋼管對(duì)稱體產(chǎn)生一個(gè)水平方向的推力，造成稱體移位，從而影響稱重精度，降低設(shè)備的使用壽命。因此，對(duì)該稱重測(cè)長(zhǎng)設(shè)備進(jìn)行了設(shè)計(jì)改造，以實(shí)現(xiàn)鋼管平穩(wěn)落到稱體上，保證測(cè)量精度，并實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)（質(zhì)量及長(zhǎng)度）的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)，自動(dòng)形成報(bào)表，且與制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES 系統(tǒng)）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換傳輸?，F(xiàn)對(duì)改進(jìn)后的稱重測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

1 工作原理

1.1 稱重裝置

為保障鋼管平穩(wěn)地落到稱體上，考慮測(cè)長(zhǎng)設(shè)備的安裝場(chǎng)地和簡(jiǎn)化控制，在鋼管稱體四角的稱重傳感器底部各安裝1 個(gè)同步液壓缸，每個(gè)液壓缸升降均采用SUKENKON KTC-125 直線位移傳感器拉桿式電子尺進(jìn)行控制，使得4 個(gè)液壓缸伸縮量一致，保證稱體升降平穩(wěn)［2］。稱重作業(yè)前，液壓缸回縮、稱體落下，不與鋼管接觸；稱重作業(yè)時(shí)，授料器接住鋼管并將其放到低位，4 個(gè)液壓缸同步伸出，舉起稱體并推舉鋼管至上限位進(jìn)行稱重；稱重后液壓缸同步回縮，稱體落至下限位，與鋼管脫離，撥料器將鋼管撥出，稱重結(jié)束。稱重裝置如圖1 所示。

圖1 稱重裝置示意

稱重裝置具有以下特點(diǎn)：①鋼管進(jìn)入稱重工位時(shí)的沖擊力直接作用于授料器，對(duì)稱體沒(méi)有影響；②稱重時(shí)，稱體垂直升降，在授料器上的鋼管中心與稱臺(tái)V 型槽中心在同一鉛錘面，稱體只受垂直方向的力，可消除鋼管滾動(dòng)對(duì)稱體的沖擊，提高稱重的穩(wěn)定性和精度［3］。

1.2 測(cè)長(zhǎng)裝置

測(cè)長(zhǎng)裝置由兩個(gè)對(duì)稱的行走機(jī)構(gòu)組成，行走機(jī)構(gòu)由直線滑軌、反光檔板、同步帶、伺服電機(jī)組成，在其中一個(gè)行走機(jī)構(gòu)上安裝激光測(cè)距傳感器。采用激光測(cè)距傳感器實(shí)現(xiàn)了在鋼管兩端進(jìn)行非接觸測(cè)量［4］，測(cè)長(zhǎng)裝置如圖2 所示。在測(cè)長(zhǎng)過(guò)程中，鋼管放置于稱重稱體中部，兩邊的測(cè)長(zhǎng)反光檔板機(jī)構(gòu)開(kāi)始向前移動(dòng)，測(cè)長(zhǎng)反光擋板采用機(jī)電離合裝置加力矩傳感器控制，當(dāng)測(cè)長(zhǎng)擋板接觸到鋼管管端之后，力矩發(fā)生改變，通過(guò)力矩傳感器控制反饋，機(jī)電離合裝置分開(kāi)，測(cè)長(zhǎng)反光檔板機(jī)構(gòu)停止移動(dòng)，同時(shí)激光傳感器開(kāi)始檢測(cè)距離對(duì)面的反光檔板的距離L1，然后用激光測(cè)距距離L1減去激光傳感器到同側(cè)擋板長(zhǎng)度L2，即得出鋼管的實(shí)際長(zhǎng)度［5］。

圖2 測(cè)長(zhǎng)裝置示意

測(cè)長(zhǎng)裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：①行走部件采用標(biāo)準(zhǔn)直線滑軌，重復(fù)運(yùn)行定位精度高，達(dá)±1 mm［6］；②行走驅(qū)動(dòng)采用伺服力矩反饋控制，貼合鋼管管端，保證測(cè)量精度；③采用單側(cè)激光測(cè)距，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故障率低，測(cè)量精度高［7］。

1.3 工作流程

鋼管稱重測(cè)長(zhǎng)操作方式分為手動(dòng)、半自動(dòng)和自動(dòng)。手動(dòng)操作是單步動(dòng)作，半自動(dòng)方式是主機(jī)可單循環(huán)工作，自動(dòng)方式是主機(jī)與前后關(guān)聯(lián)設(shè)備一起自動(dòng)運(yùn)行［8］。

鋼管稱重測(cè)長(zhǎng)操作自動(dòng)流程為：選擇“本地”操作開(kāi)關(guān)，“稱重測(cè)長(zhǎng)上管”開(kāi)關(guān)處于自動(dòng)，測(cè)長(zhǎng)面板“進(jìn)料控制”燈常亮，這時(shí)開(kāi)始進(jìn)入系統(tǒng)的控制流程。系統(tǒng)的控制流程為：系統(tǒng)上電開(kāi)機(jī)→系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備狀態(tài)（檢測(cè)面板開(kāi)關(guān)是在零位，異常則報(bào)警停機(jī)）→自動(dòng)流程啟動(dòng)→稱體工位上檢測(cè)有管時(shí)撥料器、授料器啟動(dòng)→稱體升起到上限位→稱重→測(cè)長(zhǎng)裝置的兩塊擋板同時(shí)向鋼管端部移動(dòng)，頂住管端后停止→兩端激光傳感器測(cè)量各自方向擋板的距離，計(jì)算得出鋼管長(zhǎng)度→稱重測(cè)長(zhǎng)完成，擋板返回到起始位置，稱體下降到下限位→鋼管長(zhǎng)度和質(zhì)量數(shù)據(jù)上傳到制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES 系統(tǒng)）→稱重測(cè)長(zhǎng)自動(dòng)流程結(jié)束→報(bào)警喇叭響提示流程完成。鋼管稱重測(cè)長(zhǎng)操作流程如圖3 所示。

圖3 鋼管稱重測(cè)長(zhǎng)操作流程

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

鋼管自動(dòng)稱重測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)分別由機(jī)械部分、液壓部分、電控部分組成。機(jī)械部分由授料器、撥料器、稱體組成，完成鋼管進(jìn)入、撥出工序和擔(dān)負(fù)鋼管稱重主要工作，稱體最大可承重20 t。液壓部分由1 個(gè)獨(dú)立液壓站、4 個(gè)20 t 同步液壓缸及1 套閥組組成，采用同步液壓缸可保證鋼管在稱體上落點(diǎn)不對(duì)稱時(shí)稱體的同步舉升。電控部分由研華工控機(jī)、交換機(jī)、10 t 稱重傳感器、顯示器、S7-200 SMART 可編程控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、激光測(cè)距傳感器等組成；通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)與制造執(zhí)行系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和終端噴標(biāo)機(jī)械手連接，形成完善的車間信息化管理系統(tǒng)［9］。鋼管自動(dòng)稱重測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)硬件模塊布置如圖4 所示。

圖4 鋼管自動(dòng)稱重測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)硬件模塊布置

激光測(cè)距傳感器采用德國(guó)卡薩提公司的FBM400-PT100-30-485X。稱重同步液壓缸升降上限位和下限位采用SUKENKON KTC-125 直線位移傳感器拉桿式電子尺，通過(guò)PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）自動(dòng)操控電磁換向閥和液壓缸，對(duì)鋼管稱體及鋼管進(jìn)行同步舉升，保證鋼管精確稱重。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

在660 mm 液晶顯示器上運(yùn)行西門子WinCC（Windows Control Center，視窗控制中心）組態(tài)畫(huà)面；組態(tài)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，一個(gè)與柜內(nèi)的PLC 連接通信，另一個(gè)與MES 系統(tǒng)連接，另外通過(guò)串口與稱重設(shè)備通信［10-13］。

稱重測(cè)長(zhǎng)數(shù)據(jù)結(jié)果可上傳到控制系統(tǒng)進(jìn)行保存、分析、打印，并傳輸?shù)街圃靾?zhí)行系統(tǒng)中（直接導(dǎo)入制造執(zhí)行系統(tǒng)成品報(bào)表），數(shù)據(jù)可隨機(jī)打印。將數(shù)據(jù)通過(guò)制造執(zhí)行系統(tǒng)傳輸給自動(dòng)噴標(biāo)機(jī)械手系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鋼管內(nèi)外自動(dòng)噴標(biāo)；稱重、測(cè)長(zhǎng)、條形碼打印等可在人機(jī)界面上操作，可以進(jìn)行設(shè)備校準(zhǔn)。系統(tǒng)通電開(kāi)機(jī)時(shí)，如有開(kāi)關(guān)未回中位或被按下，則蜂鳴器間斷作響，提示此根鋼管測(cè)試結(jié)果。系統(tǒng)上電大約30 s、自檢成功后，蜂鳴器響1.5 s 后進(jìn)入正常流程。

（1）工作界面。自動(dòng)稱重測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)工作界面如圖5 所示。該畫(huà)面當(dāng)前鋼管信息里上半部分為物料編號(hào)，可以在參數(shù)中設(shè)置；下半部分為被檢測(cè)鋼管的編號(hào)輸入，需要在被檢測(cè)鋼管測(cè)量長(zhǎng)度前輸入，全自動(dòng)測(cè)長(zhǎng)結(jié)束后，顯示綠色背景，表示測(cè)量完成，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸?shù)街圃靾?zhí)行系統(tǒng)，鋼管信息全部顯示后，可直接打印標(biāo)簽。

圖5 自動(dòng)稱重測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)工作界面

（2）參數(shù)界面。自動(dòng)稱重測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)參數(shù)界面具有功能：①選擇獨(dú)立測(cè)長(zhǎng)、聯(lián)動(dòng)稱重測(cè)長(zhǎng)；②可進(jìn)行測(cè)長(zhǎng)精度校驗(yàn)；③輸入鋼管各個(gè)相關(guān)數(shù)據(jù)，可計(jì)算出鋼管理論質(zhì)量。

（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。可通過(guò)自動(dòng)稱重測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)界面查看鋼管測(cè)量報(bào)告，查詢所有鋼管的測(cè)量結(jié)果。

3 設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

（1）測(cè)長(zhǎng)稱重同步完成，鋼管進(jìn)入接授料器工位后，即可進(jìn)行全自動(dòng)工作，直至進(jìn)入下道工序。

（2）系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，功能完善，具有與制造執(zhí)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互傳輸?shù)墓δ?，保證數(shù)據(jù)采集和傳送的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。

（3）自動(dòng)生成鋼管測(cè)量報(bào)表，建立參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，直接通過(guò)制造執(zhí)行系統(tǒng)傳輸給自動(dòng)噴標(biāo)機(jī)械手系統(tǒng)以準(zhǔn)確無(wú)誤地完成產(chǎn)品標(biāo)志，也可提供隨時(shí)查詢或打印。

（4）具有可靠的安全防護(hù)功能，系統(tǒng)上電后具有自檢測(cè)報(bào)警功能，自動(dòng)判斷操作按鍵是否在零位。進(jìn)出管區(qū)、稱重測(cè)長(zhǎng)區(qū)有互鎖保護(hù)設(shè)計(jì)，避免誤操作導(dǎo)致的鋼管傷人及損壞設(shè)備。

（5）稱重稱體采用同步液壓缸，保證稱體升降平穩(wěn)，提高稱重精度和設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性，減少故障率；測(cè)長(zhǎng)采用固定激光測(cè)距傳感器，測(cè)距行走機(jī)構(gòu)無(wú)電纜連接，故障率低，測(cè)量精準(zhǔn)。

（6）稱重、測(cè)長(zhǎng)在一個(gè)工位同時(shí)完成，大大縮短了測(cè)量時(shí)間，提高了生產(chǎn)率。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)的鋼管自動(dòng)稱重測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)采用西門子S7-200 SMART 系列PLC 控制和WinCC 組態(tài)計(jì)算機(jī)人機(jī)界面，通過(guò)以太網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與制造執(zhí)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)稱重測(cè)長(zhǎng)與機(jī)械手噴標(biāo)的數(shù)據(jù)鏈接。該自動(dòng)稱重測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)投入使用后，先后檢測(cè)了9 個(gè)項(xiàng)目的15 個(gè)規(guī)格鋼管，共計(jì)10 萬(wàn)余噸，管徑323.9～1 420 mm，長(zhǎng)度為13 m 的單根鋼管的質(zhì)量0.65～7.21 t。檢測(cè)結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，其測(cè)長(zhǎng)范圍為8～13 m，稱重范圍為0～10 t，每根鋼管檢測(cè)時(shí)間15～30 s，檢測(cè)長(zhǎng)度13 m 鋼管的測(cè)長(zhǎng)精度為-1～+1 mm，鋼管質(zhì)量超過(guò)1 t時(shí)的稱重誤差為-10～+10 kg，能夠滿足各種規(guī)格鋼管的生產(chǎn)工藝要求，提升了生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度。

設(shè)計(jì)的鋼管自動(dòng)稱重測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)經(jīng)半年多的運(yùn)行，4 個(gè)同步液壓缸有不同程度的滲油現(xiàn)象。更換密封圈后，油缸升降有不同程度的遲滯，磨損一段時(shí)間后液壓缸升降正常。下一步準(zhǔn)備更換密封圈材質(zhì)，以增加密封圈的柔軟性，完善設(shè)備選材的缺陷。總體來(lái)講，此設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的效果。