楊 凱 王世靜

（天津富迪科技發(fā)展有限公司，天津 300384）

1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)是為鋼管防腐所研發(fā)的自動化系統(tǒng)。工藝要求采用集中管理、分散控制、安全可靠、技術先進的理念實現(xiàn)整個車間生產(chǎn)的高度自動化。根據(jù)鋼管防腐的幾個通用步驟，將整個生產(chǎn)線分為四個PLC進行控制——兩條除銹線、一條涂敷線和一條內(nèi)防線，上位機使用西門子工控機采集四個PLC中的數(shù)據(jù)并且在上位機中顯示出來。由于現(xiàn)場控制的設備數(shù)量和種類較多，且相互之間距離較遠，為了實現(xiàn)PLC對分散設備的基本控制及數(shù)據(jù)通信，結合各通信協(xié)議的優(yōu)缺點，確定各PLC與其控制模塊之間采用 Profibus DP通信，工控機與下位四個 PLC之間采用RS485標準通信。系統(tǒng)結構圖見圖1。

控制系統(tǒng)的PLC采用SIMATIC S7300的配套編程工具Step7完成硬件組態(tài)、參數(shù)設置、PLC程序編制、測試、調(diào)試和文檔處理等功能。硬件采用CPU315-2DP模塊化型 PLC，它具有強大的處理能力，并集成了Profibus DP現(xiàn)場總線接口裝置，同時還具有0.3ms處理1024個語句的速度。生產(chǎn)線的自動追管、脫管和對中主要由西門子FM 350高速記數(shù)模塊和編碼器實現(xiàn)。

工控機的組態(tài)軟件采用亞控公司的組態(tài)王軟件，完成組態(tài)、運行、操作等功能，提供友好的人機操作界面。人機界面以簡潔、清晰的風格組態(tài)各個操作畫面，畫面上準確明了地以圖形方式表示出當前生產(chǎn)線設備的情況，如停止、運行、速度和故障等信息并以不同顏色、圖形和文字表示。

2 鋼管外防腐自動化系統(tǒng)

鋼管外防腐自動化系統(tǒng)主要包括自動追管、脫管及對中系統(tǒng)。

2.1 自動追管系統(tǒng)

圖1

圖2 追管示意圖

自動追管是當前一根鋼管走出入口段時，系統(tǒng)自動上管并且在鋼管落到入口段時將速度提到最大，使后一根鋼管在前一根鋼管完全進入主段前追上前一根鋼管同時將速度降到與主段相同，以滿足外打沙的要求和提高生產(chǎn)效率。

本自動追管系統(tǒng)為PLC通過編碼器的計數(shù)值和傳感器信號判斷兩根鋼管的相對位置，以確定鋼管的前進速度和下一根鋼管的上管時間，編碼器（En1、En2）與傳感器（S1、S2）的相對位置如圖2所示。追管過程中自動計算鋼管長度，累計計算生產(chǎn)的鋼管總長度，并且可將最近生產(chǎn)的一定數(shù)量的鋼管長度存儲在PLC中，如果將PLC連接到外部顯示設備上，即可作為生產(chǎn)維護參考數(shù)據(jù)。計算鋼管長度的公式為

L=A+(En/360)×(πd/K)

式中，A為兩個傳感器之間的距離；En為編碼器的計數(shù)值；π=3.14；d傳動線上輪子的直徑；K＝L s/P，L s=（P2+π2D2）1/2；P為螺距值；D為鋼管直徑。

存儲鋼管長度的PLC語句表程序為：

追管時只涉及到兩個編碼器的相對值，因此本自動追管系統(tǒng)與鋼管的長度無關，但是當管徑或螺距值發(fā)生較大的變化時，傳動線的橡膠輪轉(zhuǎn)動一周鋼管前進的距離相差大時，要根據(jù)現(xiàn)場情況重新設定C值，若PLC與觸摸屏、工控機等外部設備連接，可直接在外部設備上修改此值，簡單方便。

2.2 自動脫管及對中系統(tǒng)

自動脫管及對中通過傳感器檢測到鋼管完全進入出口段后將出口段速度加速到最高值，使得出口段鋼管和后面的鋼管分離開來，當鋼管的中心位置運行到出口臺架的中心位置時，出口段停止，出口鉤升起將鋼管翻到出口臺架上。

在本系統(tǒng)的調(diào)試過程當中一共試驗了兩種脫管和三種對中方案，以下對幾種方案的實現(xiàn)方法及優(yōu)缺點分別進行說明：

（1）脫管方法一

如圖3所示脫管位置E處裝傳感器S0，鋼管管端到達S1時出料區(qū)輥道啟動與工作區(qū)輥道同步運行，當S0檢測到兩管接縫時，發(fā)出脫管信號，出料區(qū)加速到脫管速度，實現(xiàn)脫管。一般出口區(qū)的螺距都要大于工作區(qū)的螺距，當鋼管到達E處時，會自然的與后面的鋼管脫開一定的距離，S0傳感器的信號出現(xiàn)變化實現(xiàn)脫管。這種方法的優(yōu)點是脫管不受鋼管長度和管徑等其他因素的影響，缺點是如果兩段螺距相差很小，脫開距離就會很小，對傳感器的要求會隨之提高。

圖3 脫管示意圖

（2）脫管方法二

自動追管時計算出鋼管的長度并將其存取在數(shù)據(jù)表中，表中的數(shù)據(jù)遵循先進先出的原則，當鋼管管端到達S1時出料區(qū)輥道啟動與工作區(qū)輥道同步運行，當有鋼管的管頭到達S1時，開始計算管長，計算公式如追管中所述，當正在計算的鋼管長度值大于等于數(shù)據(jù)表中存儲的第一個管長時，開始脫管，并將此管長從數(shù)據(jù)表中刪除。

需要注意的是此種方法要求用自動方式實現(xiàn)追管的鋼管必須使用自動方式實現(xiàn)脫管，同樣要求使用自動方式實現(xiàn)脫管的鋼管必須是用自動方式實現(xiàn)追管的鋼管，否則會引起數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)的混亂。

刪除數(shù)據(jù)表第一條記錄并且其余數(shù)據(jù)前移的PLC語句表程序為：

（3）對中方法一

如圖 4所示，管端到達 S2，En開始計數(shù)，管E尾離開S1，得：管長=K(B+C)+E n1(計數(shù)值1)

注意各個值之間的單位換算。這種方法可以計算鋼管的長度并且通用性較強，各種傳動線均適用。

圖4 對中示意圖

（4）對中方法二

如圖4所示，將傳感器S2安裝在對中位置，當鋼管管端到達S1時編碼器開始計數(shù)，計數(shù)值為X，逐個計算出鋼管長度的編碼器計數(shù)值L，兩個傳感器之間的計數(shù)值B+C+A，當X-(B+C+A)>=L/2時輥道停止。此種方法與鋼管的長度和管徑無關，但是不適用于工作區(qū)螺距與出口區(qū)螺距相差較大的情況。

（5）對中方法三

此方法的傳感器的放置位置、數(shù)值的計算與方法二相同，但是不使用編碼器計數(shù)，而是使用時間計算。此種方法可以節(jié)省成本，但是速度和螺距值的改變都會影響對中效果。

2.3 誤差分析

本自動化系統(tǒng)的幾種方法中較多的提到鋼管長度的計算，下面對計算管長時影響精確的幾個參數(shù)進行一下說明，如圖2。

管長L=A＋(E n/360)×(πd/K)

（1）A值

A值為兩個傳感器之間的值，是可進行實際的測量的定值，誤差也是定值。

（2）d值

輪子在使用過程中會有一定的程度的磨損，在一定時間內(nèi)可忽略不計。

（3）K值

由K值的計算公式可知，K值主要受P和D值的影響，D為鋼管的直徑，現(xiàn)假設管長公式中的其他值均為定值，以下由具體的數(shù)值分析一下P值對管長計算誤差值。

假設P=0.160m，d=0.530m，D=1.129m，A=5.96m， n=29214

L s=(P2+π2D2)1/2=3.831

K=L s/P=23.944

L=A+(E n/360)*(πd/K)=11.6m

假設P=0.165m，d=0.530m，D=1.129m，A=5.96m，E n=29214

L s=（P2+π2D2）1/2=3.831

K=L s/P=23.219

L=A+(E n/360)×(πd/K)=11.8m

由以上計算可知P值相差 5mm將導致最后的管長相差200mm。

在現(xiàn)場中由于各段的P值不同，當鋼管跨段運行時，由于鋼管的帶動會造成兩段P值的逐漸變化，這個變化值是很難預測的，而由于P值的變化還會影響同一段距離編碼器的計數(shù)值，從而導致管長值的誤差更大。此外如果鋼管彎曲也會影響鋼管長度的計算。

由以上分析可知，在計算鋼管長度時應盡可能減小上列因素引起的誤差，若各項精確達不到要求，計算出來的管長只能作為參考值，同時也會影響自動化的實現(xiàn)效果。

3 結論

整個系統(tǒng)的自動化調(diào)試成功，各項誤差均滿足生產(chǎn)要求。兩種脫管方法與三種對中方法各有優(yōu)缺點，適用范圍有所差別，實際應用中應根據(jù)生產(chǎn)線的情況選擇合適的方法。脫管方法二與對中方法一適用范圍較廣但對螺距的依賴性較大，如果生產(chǎn)線需要頻繁更換螺距，則每次都需要重新更新參數(shù)進行調(diào)試，比較而言脫管方法一簡單方便，只需要在保證工作區(qū)生產(chǎn)的情況下使要脫管的鋼管與后一根鋼管拉開一定距離即可。而對中方法二和對中方法三則較多的應用于直傳輥道。

采用自動方式使生產(chǎn)操作更加簡單方便，追管、脫管、對中的準確度更高，而且采用Profibus DP網(wǎng)絡技術實現(xiàn)分布式控制，網(wǎng)絡速度快、可靠性高、開放性好、抗干擾能力強，給安裝、調(diào)試和設備維護帶來方便，提高了生產(chǎn)效率和管理水平。這種網(wǎng)絡體系具有較高的性能價格比，并能根據(jù)用戶要求擴展至較大的系統(tǒng)。