螺旋焊管板寬自動測量裝置的設計應用

周書亮， 李 斌， 陳 楠， 孫志剛，王科峰，萬世平，馬毅男

（1.渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣 062658；2.渤海能克鉆桿有限公司，河北 青縣062658）

螺旋焊管板寬自動測量裝置的設計應用

周書亮1， 李 斌1， 陳 楠1， 孫志剛1，王科峰1，萬世平1，馬毅男2

（1.渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣 062658；2.渤海能克鉆桿有限公司，河北 青縣062658）

為提高螺旋焊管板寬測量的準確性和精度，降低崗位人員勞動強度，消除測量過程中的安全隱患，針對生產中銑邊后鋼板寬度采用手動測量的現狀，設計了一套板寬自動測量裝置。該裝置通過基恩士激光位移傳感器IG28檢測鋼板兩側板邊位置，采用西門子SM331模擬量模塊將檢測信號采集到PLC主站中，PLC程序對這些信號進行邏輯判斷，從而計算出鋼板的實時寬度。利用Wincc Flexible組態軟件對鋼板的實時寬度進行顯示，并設置每種規格鋼板寬度的上限、下限值，超限時給予報警提示，在觸摸屏上顯示出來。實際應用表明，該系統運行穩定，測量數據準確，測量誤差在±0.5 mm。

螺旋焊管；銑邊；板寬；自動測量；模擬量；組態；觸摸屏

Abstract:In order to improve the accuracy and precision of spiral welded pipe plate width measurement,reduce staff labor intensity,eliminate the potential safety hazard in the process of measurement,aiming at the current status of manual measuring steel plate width after edge milling in production,a set of plate width automatic measurement device was designed. The device detected the edge position of steel plate both sides by adopting IG28 keyence laser displacement sensor,using Siemens SM331 analog module to acquire the signal to the PLC master station,the PLC program conducted logical judgment for these signals,and calculated the real-time width of steel plate.The Wincc Flexible configuration software was used to display the real-time width of steel plate,set the upper limit and lower limit of each type of steel plate width,an alarm will be given and be displayed on the touch screen if the setting is ultralimit.The actual use showed that this device runs stably, measurement data is accurate,and the measurement deviation is within±0.5 mm.

Key words:SAWH pip;edge milling;plate width;automatic measurement;analog quantity;configuration;touch screen

1 概 述

螺旋焊管生產過程中，鋼卷開卷矯平后，帶鋼鋼板經過銑邊后形成滿足焊接工藝要求的坡口形貌和鋼板寬度，然后由遞送機輸送給成型器，完成正常鋼管焊接[1]。螺旋焊管機組區域流程：原料檢查—開卷矯平—對頭焊—銑邊遞送—成型內外焊。

目前，國內鋼管廠普遍采用鋼卷尺測量鋼板的寬度，這種測量方式精度差，在鋼板運行過程中進行人工測量也存有安全隱患。因此，本研究設計了一種螺旋焊管板寬自動測量裝置，以提高板寬測量的準確性和精度，降低崗位人員勞動強度，消除測量過程中的安全隱患。

2 板寬自動測量系統設計

板寬自動測量系統由調整支架、位移傳感器、SM331模塊、PLC主站以及觸摸屏組成，其設計結構圖如圖1所示。

圖1 板寬測量裝置設計結構圖

2.1 測量過程

固定位移傳感器的南、北調整支架安裝在銑邊完成后、遞送機之前的鋼板兩側位置。為了防止鋼板移動過程中掉落的灰塵對測量精度產生影響，在南、北傳感器處裝有除塵裝置，且裝置中電磁閥和機組運行信號連鎖。鋼板移動時，電磁閥打開，進行吹風除塵，鋼板靜止時，電磁閥關閉[2]。正常生產過程中，鋼板的兩側板邊檢測位置通過位移傳感器，檢測數據經過PLC程序運算后在觸摸屏上顯示出來。

2.2 控制原理

現場其他設備均選用了西門子控制元件。考慮到設備的兼容性以及交互通訊的需要，該設備使用了PROFIBUS-DP主從控制模式[3]。以西門子S7-300PLC作為PLC主站，完成采集信號A/D的轉換、數據處理以及觸摸屏通訊；西門子SM331模擬量模塊完成位移傳感器檢測信號的采集，并將模擬信號轉換為數字信號厚傳遞給PLC主站[4-7]；觸摸屏完成工藝參數設置并將測量數據和運行狀況顯示出來。

3 硬件組成

3.1 測量機構

板寬測量機構由位移傳感器、帶手搖輪的滾珠絲杠調整支架和除塵裝置組成。位移傳感器包括發射器、接收器和放大器。發射器和接收器通過發射激光對鋼板板邊進行檢測；放大器對檢測信號進行放大處理，便于PLC模塊采集，并可根據板邊坡口的形貌設置測量模式、測量精度和響應時間，實現精確測量。圖2中，L1、L2為鋼板兩側傳感器測量數值，L3為傳感器之間距離，設傳感器量程為L4，鋼板寬度為L0，則鋼板寬度的計算公式為：

圖2 板寬測量示意圖

南傳感器和北傳感器安裝在通過鋼板垂直方向的同一豎直面上。考慮到傳感器支架需要根據不同規格板寬的大小進行調整，傳感器支架水平方向調整采用帶手搖輪的滾珠絲杠方式，并帶有鎖緊卡扣，便于日常調整[8]。

除塵裝置包括電磁閥、風管和減壓閥。風源取自車間自用的空氣壓縮機 （簡稱空壓機），因空壓機輸出空氣壓力為4.8 MPa，壓力較高，需經過減壓閥給傳感器除塵用。電磁閥用來控制風管的通斷[9]。

3.2 PLC控制系統

PLC控制系統由CPU模塊、SM331模擬量輸入模塊、數字量輸入輸出模塊和ET200M （從站）模塊組成，主要完成傳感器信號的采集、運算以及除塵裝置電磁閥的控制等。

3.3 觸摸屏

觸摸屏用來實現鋼板的工藝參數設置和測量數據的顯示。工藝參數設置的目的是為了實現鋼板寬度超出工藝范圍時給崗位人員報警提示。觸摸屏采用西門子SIMATIC MP277,其支持串口、MPI、PROFIBUS-DP和Ethernet通訊，可直接與西門子S7系列PLC建立通訊進行變量連接[10]。MP277自帶報警系統，可用Wincc Flexible軟件對其進行組態。PLC與觸摸屏采用PROFIBUSDP通訊方式。

4 系統設計

4.1 測量控制

位移傳感器的放大器設置為 “寬度”測量模式，為了避免鋼板板邊銑邊坡口對測量精度的影響，設置放大器采集的平均次數為5，響應時間為0.2 s。PLC程序通過SM331模塊對采集的信號進行運算，轉換為傳感器檢測實際值，轉換程序如圖3所示。

圖3 信號轉換程序模塊

由傳感器的檢測實際值、傳感器的固定距離和工藝參數的設置值，根據公式（1），可計算出鋼管實時寬度，計算程序如圖4所示。

圖4 板寬計算程序模塊

4.2 觸摸屏組態

（1）觸摸屏組態軟件采用Wincc Flexible，它是一款面向機器的HMI軟件。Wincc Flexible用于組態用戶界面以操作和監視設備，提供了面向解決方案的組態任務的支持。適合所有工業領域的解決方案，支持多語言，可以集成到所有自動化解決方案內[11]。

（2）本設計中 Wincc Flexible通過PROFIBUS-DP與PLC主站建立變量連接，變量如表1所示。

表1 連接變量表

在Wincc Flexible中組態設置界面中，設置觸摸屏的DP通訊地址為3，波特率為1.5 Mbps，經過參數設置后，與PLC主站建立通訊連接，如圖5所示。

圖5 組態通訊界面

（3）通過Wincc Flexible界面組態和PLC主站的通訊連接，將PLC的參數讀取到軟件中。為了使鋼板寬度超出工藝范圍時及時給崗位人員報警提示，根據觸摸屏設置的鋼板寬度的上限、下限和板寬設定，經PLC程序邏輯運算后，當其超出范圍時，報警燈閃亮，顯示界面如圖6所示。

圖6 板寬測量界面

5 結束語

該板寬自動測量裝置采用激光位移傳感器非接觸式自動測量模式，避免了崗位人員測量帶來的人工誤差，提高了測量精度，降低了崗位人員勞動強度，消除了測量過程中的安全隱患,實現對鋼板板寬的實時監控，消除了因板寬超限帶來的鋼管質量隱患。測量數據穩定、準確。

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Design and Application of the Automatic Measure Device to SAWH Pipe Plate Width

ZHOU Shuliang1,LI Bin1,CHEN Nan1,SUN Zhigang1, WANG Kefeng1,WAN Shiping1,MA Yinan2
（1.CNPC Bohai Equipment North China Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Qingxian 062658,Hebei,China；2.CNPC Bohai Equipment BHNK Co.,Ltd.,Qingxian 062658,Hebei,China）

TE973.6

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.03.009

2017-02-08

編輯：羅 剛

周書亮（1984—），男，大學本科，工程師，主要從事電氣設計與設備維護工作。