鋼管自動(dòng)分鋼儀及其控制系統(tǒng)

王輝

摘 要：近年來(lái)隨著油套管制造標(biāo)準(zhǔn)的日益提高，對(duì)其質(zhì)檢環(huán)節(jié)的要求也越來(lái)越嚴(yán)苛，其中的混鋼檢驗(yàn)由抽檢升級(jí)為必檢，并需追溯每根鋼管的成分信息;我們通過(guò)引入鋼管自動(dòng)分鋼儀提升了工作效率、滿足了質(zhì)檢要求。

關(guān)鍵詞：分鋼儀;自動(dòng)化控制

Steel pipe automatic steel separator and its control system

WANG Hui

（Engineering Design Institute of Baosteel Engineering & Technology Group Co.，Ltd.，Shanghai，201900）

Abstract：In recent years，with the increasing standard of oil casing manufacturing，the requirements for its quality inspection are becoming more and more stringent.The inspection of mixed steel is upgraded from sampling inspection to mandatory inspection，and the composition information of each steel pipe needs to be traced;Through the introduction of the automatic steel pipe separator，the work efficiency is improved and the quality inspection requirements are met.

Keywords：Steel separator;Automation control

0 引言

在油套管生產(chǎn)線的質(zhì)檢環(huán)節(jié)中普遍采用光譜分析儀（下文簡(jiǎn)稱分鋼儀）對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行化學(xué)成分分析，然后與標(biāo)準(zhǔn)成分進(jìn)行比對(duì)，以判斷產(chǎn)品是否合格。寶鋼鋼管廠管加工4#線于2005年投產(chǎn)，在生產(chǎn)過(guò)程中采用手動(dòng)分鋼作業(yè)，即作業(yè)人員手持光譜槍，單眼對(duì)準(zhǔn)鏡頭，然后光譜槍激發(fā)后產(chǎn)生火花，通過(guò)查看鏡頭內(nèi)由火花產(chǎn)生的光線，從而確定鋼管元素的成分及含量。人工光譜槍僅僅能顯示分析過(guò)程中存在的元素，光譜槍無(wú)法自動(dòng)判斷被分析鋼管是否混鋼，需要人工對(duì)顯示的光譜進(jìn)行判斷是否混鋼，因此勞動(dòng)強(qiáng)度高，作業(yè)效率低，長(zhǎng)時(shí)間的人工光譜作業(yè)還容易導(dǎo)致作業(yè)人員眼部疲勞;同時(shí)利用經(jīng)驗(yàn)對(duì)光譜進(jìn)行分辨可靠性低，有誤檢誤判的風(fēng)險(xiǎn)，存在較大的質(zhì)量隱患。因此為了優(yōu)化現(xiàn)有操作方式、提高生產(chǎn)效率，在生產(chǎn)線上新增一套自動(dòng)分鋼儀，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管進(jìn)行自動(dòng)混鋼檢驗(yàn)。

1.工作原理及系統(tǒng)組成

分鋼儀是對(duì)鋼管合金元素含量進(jìn)行檢測(cè)分析的設(shè)備，用于檢查鋼管在生產(chǎn)過(guò)程中有沒(méi)有混入不同鋼級(jí)和不同合金元素含量的鋼管。其檢測(cè)設(shè)備為光譜槍，采用的是原子發(fā)射光譜學(xué)的分析原理，被測(cè)物體通過(guò)光譜槍的電弧或火花放電激發(fā)生成原子蒸氣，該蒸氣中的原子與離子被激發(fā)后產(chǎn)生發(fā)射光譜，發(fā)射光譜通過(guò)光導(dǎo)纖維進(jìn)入到光譜儀的分光室中，色散成各光譜波段，根據(jù)每個(gè)元素發(fā)射的波長(zhǎng)范圍，通過(guò)光電倍增管可以測(cè)量出每個(gè)元素的最佳譜線，每種元素的發(fā)射光譜譜線強(qiáng)度正比于樣品中該元素的含量，通過(guò)光譜儀內(nèi)部預(yù)先存儲(chǔ)的校正曲線可測(cè)定其含量，并直接以百分比濃度顯示出來(lái)。

新增的自動(dòng)分鋼儀主要由機(jī)械設(shè)備、電控設(shè)備、光譜槍及分析儀器等組成。其中機(jī)械設(shè)備主要布置在分鋼儀箱體中，包括夾緊氣缸、窗門氣缸、檢測(cè)移動(dòng)裝置氣缸、平移多位氣缸、槍頭升降氣缸、打磨升降氣缸等;此外分鋼儀的光譜槍也安裝固定在箱體內(nèi)的升降氣缸上。分鋼儀箱體設(shè)備布置見圖1-1。

電控設(shè)備為分鋼儀電控柜，主要由1套PLC系統(tǒng)和1臺(tái)工控機(jī)等組成。PLC負(fù)責(zé)分鋼儀箱體內(nèi)各機(jī)械設(shè)備的動(dòng)作控制;工控機(jī)負(fù)責(zé)與PLC和分析儀器通訊，對(duì)分鋼儀進(jìn)行操作并將分析結(jié)果上傳至主線上位機(jī)等。此外分鋼儀的分析儀器也安裝在電控柜中。電控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖1-2。

光譜槍及分析儀器選用德國(guó)SPECTRO TEST（斯派克）公司的TXC35光譜儀，包含光譜槍、分析儀器小車及其分析軟件等，其中光譜槍固定在機(jī)械設(shè)備中，分析儀器安裝在分鋼儀電控柜中。光譜槍及分析儀器見圖1-3。

2.工藝流程

鋼管被輸送到自動(dòng)分鋼工位，分鋼儀箱體上的夾緊裝置將鋼管夾緊固定，分鋼儀箱體窗門打開，箱體內(nèi)的打磨裝置上升對(duì)鋼管下表面進(jìn)行打磨并吹掃氧化鐵皮，打磨結(jié)束后打磨裝置降回箱體內(nèi)，然后光譜槍上升對(duì)鋼管擊發(fā)電弧并進(jìn)行成分分析，之后光譜槍也降回到箱體內(nèi)。若檢測(cè)合格沒(méi)有混鋼，則夾緊裝置打開，鋼管被輸送到下一個(gè)工位;若檢測(cè)不合格，則光譜槍先平移一小段，避開鋼管下表面第一次的擊發(fā)點(diǎn)，然后光譜槍上升并再次對(duì)鋼管進(jìn)行分鋼檢測(cè);若連續(xù)三次檢測(cè)不合格，則分鋼儀報(bào)警，作業(yè)人員對(duì)混鋼的鋼管進(jìn)行人工標(biāo)記并在后續(xù)工位將其移除。

3.電控系統(tǒng)及軟件功能

電控系統(tǒng)主要由PLC、工控機(jī)及其軟件組成。其中PLC選用西門子S7-300系列，中央處理單元為CPU 315-2 PN/DP，帶工業(yè)以太網(wǎng)接口，可直接通過(guò)交換機(jī)連接工控機(jī)及分析儀器。PLC通過(guò)其DO點(diǎn)驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)閥臺(tái)上的電磁閥來(lái)控制分鋼儀箱體內(nèi)的夾緊氣缸、窗門氣缸、多位平移氣缸、升降氣缸、磨頭氣缸等的動(dòng)作，從而完成固定被測(cè)鋼管、打磨被測(cè)鋼管表面的氧化鐵皮、移動(dòng)光譜槍至擊發(fā)位置并給出擊發(fā)命令等任務(wù)。此外每個(gè)氣缸的行程目標(biāo)位置上都安裝有磁性開關(guān)，信號(hào)均送入PLC的DI點(diǎn)，PLC通過(guò)獲取各機(jī)械元件的位置狀態(tài)，再根據(jù)工藝連鎖要求，從而有序完成分鋼儀箱體內(nèi)機(jī)械設(shè)備的各項(xiàng)動(dòng)作。PLC還通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式與主線控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，根據(jù)主線控制系統(tǒng)給出的料流到位信號(hào)來(lái)啟動(dòng)自動(dòng)分鋼作業(yè);分鋼結(jié)束后，再向主線發(fā)出作業(yè)完成信號(hào)，主線控制系統(tǒng)再將鋼管從分鋼工位輸送至下一工位。

工控機(jī)放置在分鋼儀電控柜中，電控柜上設(shè)可開啟的檢視玻璃窗，內(nèi)放顯示器，柜門設(shè)鍵盤抽屜，可在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)工控機(jī)進(jìn)行操作。工控機(jī)內(nèi)運(yùn)行分鋼儀的HMI操作界面，由西門子WinCC開發(fā)，可以顯示各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，操作設(shè)備動(dòng)作，設(shè)置運(yùn)行參數(shù)，查看分析結(jié)果等。工控機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)與PLC、分析儀器進(jìn)行通訊。其中通過(guò)讀寫PLC中的數(shù)據(jù)，可在HMI界面上顯示分鋼儀箱體中各機(jī)械元件的位置和動(dòng)作狀態(tài);還可以在畫面上對(duì)分鋼儀箱體進(jìn)行手動(dòng)單步操作，以判斷分鋼儀箱體內(nèi)各機(jī)械元件的狀態(tài)是否正常。通過(guò)讀取分析儀器中的數(shù)據(jù)，可在HMI界面上顯示儀器的各種運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警信息、光譜槍擊發(fā)后的分析結(jié)果（鋼管的各組成元素種類、各元素的含量、邊界、牌號(hào)標(biāo)準(zhǔn)、擊發(fā)日期和時(shí)間等數(shù)據(jù)）等;此外工控機(jī)還可對(duì)分析儀器發(fā)出命令電文對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，如儀器校準(zhǔn)、光譜槍擊發(fā)、開始分析、結(jié)束分析、單次測(cè)量等。HMI操作界面見圖3-1。

工控機(jī)除了運(yùn)行WinCC開發(fā)的HMI操作界面外，還運(yùn)行通信軟件，負(fù)責(zé)與PLC、與分析儀器之間通過(guò)以太網(wǎng)讀寫數(shù)據(jù)。通信軟件主要分為通信模塊、PLC讀寫模塊、業(yè)務(wù)處理模塊等。

1）通信模塊

采用基于Socket協(xié)議的方法跟分析儀器的Event_Server（事件電文）、Command_Server（命令電文）進(jìn)行通信。Socket的兩個(gè)程序通過(guò)一個(gè)雙向的通信連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，其中每個(gè)連接的一端稱為一個(gè)Socket。至少一對(duì)端口號(hào)（Socket）進(jìn)行連接通訊，確保軟件讀取分析儀器信息的準(zhǔn)確、穩(wěn)定和高效。采用編程接口的方法（API），對(duì)TCP/IP電文進(jìn)行封裝，TCP/IP提供系統(tǒng)軟件所用的接口;采用HTTP進(jìn)行封裝或者顯示數(shù)據(jù)的具體形式;Socket負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信。系統(tǒng)采用最優(yōu)化的通信技術(shù)，通過(guò)高效而可靠的存儲(chǔ)方式來(lái)提高Socket傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、穩(wěn)定性。主要體現(xiàn)在，系統(tǒng)通過(guò)隊(duì)列的方式來(lái)存儲(chǔ)接收到的完整電文，解決Socket通信過(guò)程中產(chǎn)生的拆包、粘包問(wèn)題造成的通訊不穩(wěn)定和通訊中斷問(wèn)題。

2）PLC讀寫模塊

通過(guò)配置的西門子S7-300 PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的動(dòng)態(tài)連接，庫(kù)Prodave 6.0來(lái)對(duì)PLC進(jìn)行讀寫操作。

3）業(yè)務(wù)處理模塊

主要功能如下：

接收Event_Server事件電文分析結(jié)果，通過(guò)Prodave寫入PLC。

接收Command_Server命令電文分析結(jié)果，通過(guò)Prodave寫入PLC。

通過(guò)Prodave讀取PLC信息，分析結(jié)果，根據(jù)儀器狀態(tài)給Command_Server自動(dòng)發(fā)送指令電文。

電文通訊采用Socket通訊，長(zhǎng)連接形式。利用分鋼儀分析儀器xml文件特征標(biāo)記來(lái)判斷電文結(jié)束，而不是采用接收字節(jié)為零ReceivedBytes=0來(lái)判斷電文結(jié)束。

4.小結(jié)

將產(chǎn)線上的手動(dòng)分鋼作業(yè)改造為自動(dòng)分鋼后，可大大減少作業(yè)人員的眼部疲勞、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)減少了人員的誤檢誤判，提高了質(zhì)檢作業(yè)的可靠性和工作效率。

參考文獻(xiàn)

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