钢管测长称重喷标系统的设计与开发

李志农，李宁宁，唐高松，岳秀廷，刘本学

（1. 南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室，南昌 330063；2. 郑州大学 机械工程学院, 郑州 450001）

0 引言

目前，钢管已经成为国民经济建设的动脉，从送往居民的水、气、热，到油田输出的原油、燃料油、天然气或者热电厂、化学工厂甚至大小锅炉、电力变压器，到处都需要大量各种规格型号的钢管。钢管测长（Measure）、称重（Weight）、喷标（Steneil）系统是对成品钢管进行长度、重量的检测，根据一定的标准把钢管定义为好管或坏管，然后，把钢管的有关信息按一定的标准标注在钢管的表面。过去，大部分钢管采用手工方式进行测量和标记，存在测量精度低、劳动强度大、生产效率低下，喷标时字迹模糊不清等缺陷。

针对手工方式的不足，人们开发了一些钢管测长、称重、喷标系统，然而，现有的系统存在许多不足，如易出现漏喷、误喷，定位挡板变形还会带来测长误差，测长称重工序花费时间过长。针对现有系统的不足，本文采用组态王技术，开发了一套基于PLC控制的钢管的称重测长喷标系统。开发的系统具有以下特点：1）工作过程实现全自动化，只要上料架上有料即可进行全自动化工作；2）系统运行稳定，操作简单，功能完善，在数据通讯中具有很强的自动纠错功能，保证数据采集和传送的准确性；3）自动生成钢管参数数据库，可提供随时查询或打印；4）具有良好的安全保护性能，任一环节或者部件出现故障，系统都会自动停止运行并给出报警，防止设备损坏；5）测长、称重和喷标可在一个工位同时完成，大大缩短了测量时间，提高了生产率。下面介绍本文开发的钢管称重测长喷标在线检测系统。

1 本系统的称重测长喷标过程

从本系统的精度要求和器件的耐用性等多方面的考虑，本系统采用西门子的PLC和A/D模拟量转换模块，其型号分别为6ES7 216-2BD23-OXB8和6ES7 231-0HC22-0XA8。采用2个精久牌称重传感器，其型号为YZC-516，量程为2吨；一个耀华牌称重仪表，其型号为XK3190-C601；激光测距传感器的型号为DLS-B30；喷码机采用意大利生产的ZJET303型喷码机。PLC通过一根RS232PPI电缆和工控机相连接，2个称重传感器通过专用接线盒和称重仪表连接，称重仪表和激光测距传感器都连接在A/D转换模块上，称重仪表和激光测距仪都输出0-20MA的电流信号，经A/D转换模块转换成数字信号后传送给PLC，PLC在把其数字信号传送给上位机，然后进行喷码。CPU226PLC有两个接口，本设计A/D转换模块和喷码机都和PLC连接，因此用S7-200编写喷码机和PLC之间的通讯协议，比用C++编写通讯协议较为简单、易懂。

由于一批钢管长度比较规范，为了简单实用，采用两点称重的方式。称重传感器经标定以后，称重仪表所显示值即为钢管的重量。

钢管测长有三种方式：利用电荷耦合器件（CCD）测长，利用光栅测长和激光测长。考虑到结构的简单、测长的准确性以及技术的成熟性，本系统采用激光测长，测长示意图如图1所示，其中，传感器 1#、2#、3#、4#、5#、6#为电容式位置传感器。传感器1#、2#用来限制激光头小车的定位，传感器3#、4#用来限制挡板的定位，传感器5#用来显示钢管到位信号，传感器6#用来限制喷码头的定位。

图1 测长示意图

所测钢管的长度＝L0-L1-L2±ΔX。其中L0为激光测距仪所测得的长度，L1和L2为接近开关的直径，ΔX为测量偏差。

喷标过程需要喷码机和PLC之间的通讯协议，上位机利用此通讯协议来接受PLC发送的重量和长度数据，这些数据经处理后按照喷码机要求的格式发送出去，该通讯协议程序利用S7-200开发。程序的结构框图如图2所示。

该控制系统称重测长喷标的具体过程如下：

1）钢管在料架上放置，做好测长称重喷标准备；

2）控制室发出翻料指令，此时翻料电磁阀得电，翻料气缸上升，料翻到传送带上；

3）钢管运动到电容传感器位置，电容传感器1灯亮，称重传感器开始称重（称重传感器一直托着钢管），同时两小车（一小车上装有激光测距仪，一小车上装有挡板）开始运动，直至夹紧钢管，开始测长，PLC将称重测长数据发送至喷码机，然后小车后退两秒后开始喷码，（在喷码机两边一米处各加一个行程开关，防止传感器6#出现问题时喷码机冲出轨道）。喷码结束，钢管落下。钢管向前移动，电容传感器1旁边还有一个电容传感器2，钢管移动至电容传感器2时，传感器2亮（为的是与传感器1实现互锁，在来下一个钢管时，传感器1亮），钢管继续向前移动，当触发最后的行程开关时，上料气缸重新启动，完成一次循环。

图2 通讯协议程序结构框图

2 PLC控制系统

这套钢管自动测长、称重、喷标系统的控制部分由下位PLC控制系统和上位工控机控制系统组成。

下位PLC系统主要实现现场各类信号的采集和各执行机构的动作控制。现场信号主要包括各工位的料到位信号，各气缸动作的位置信号等；执行机构包括翻料机构、定位装置、测长装置、带辊轮气缸、钢管喷标辊轮、喷头升降机构等。PLC根据自己的程序接受上位机的指令实现现场各类动作的控制，其控制流程图如图3所示。

图3 PLC控制流程图

3 界面设计

上位工控机控制系统采用组态王软件制作界面。首先要建立组态王与外围设备的连接，组态王采用工程浏览器界面来管理硬件设备，每一个实际I/O设备都必须在组态王中指定一个唯一的逻辑名称，此逻辑设备名就对应着该设备的通讯方式、设备地址等信息。然后将现场设备工作方式、接近开关及行程开关的状态、钢管重量和长度的测量值及其累积的重量和长度值等相关参数定义为I/O变量，存入组态王数据库。最后进行动画连接，将界面中的画素与数据库I/O变量建立一一对应关系，可将接近开关的通断状态用指示灯来指示，将钢管的重量和长度值，累积的重量长度值和一些设置、报表查询在界面上显示出来，并将设备工作过程中小车和钢管的移动制作成动画效果。钢管经称重测长后，利用组态王的SQL访问功能实现建立数据库和数据传输，并用组态王提供的实时数据报告功能生成报告文本，并送往打印机打印。该软件系统主要有以下特性：

1）软件界面优美，动画逼真，易于操作；

2）用激光测长和压力传感器技术，将流水线来的石油管材的长度重量测量出来。并且为了检测测量偏差，需要有具有与实际测量结果相对照，给出相应误差及是否合格评判；

3）具有远程监控和报警装置，在线检测油管的工作过程，实时监控，不同参数的单位可以自动选择和转换（如中英制选择，并可以自动转换）；

4）可以查询日报表、月报表和年报表，以及打捆查询和数据库查询。

该设计的主界面运行图如图4所示。

图4 组态王设计主界面运行图

4 结论

本文用西门子软件S7-200编程设计了钢管的称重、测长和喷标自动化控制系统，并用组态王进行了界面设计，而且和PLC实现了连接。经现场运行表明，该系统稳定可靠，无论硬件还是软件都没有出现问题，各项性能指标均达到设计要求。与现有的控制系统相比，该设计大大提高了生产效率，而且成本相对较低，并已在某钢管厂中推广使用，反映效果不错。

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