扩径机管端直径自动测量装置的开发

周书亮，姜建军，崔明亮，刘长宏，王 玉

（渤海装备华油钢管公司，河北 青县062658）

扩径机管端直径自动测量装置的开发

周书亮，姜建军，崔明亮，刘长宏，王 玉

（渤海装备华油钢管公司，河北 青县062658）

针对螺旋焊管扩径机管端直径测量工序，设计了一种管端直径自动测量装置。该装置采用CCD激光传感器进行测量，运用PLC算术平均滤波法对测量数据进行运算，利用WinCC上位机软件显示测量信息，通过脉冲触发沿将测量数据保存在Access数据库中，方便数据汇总、统计。通过生产使用表明，该装置测量准确，数据存储方便，测量精度满足工艺要求，测量误差在±0.3mm。

螺旋焊管；扩径机；直径测量；上位机

在螺旋焊管生产过程中，扩径机是生产线精整区域主要设备之一，主要作用为管端整圆，使管端直径符合工艺要求，其主要目的在于钢管在工地进行对接时能顺利地完成焊接。在API SPEC 5L《管线钢管规范》和 GB/T 9711—2011《石油天然气工业管线输送系统用钢管》等标准中，对螺旋焊管管端直径偏差有明确的要求。管端直径测量方法主要有机械法、滚轮法和周长法。目前国内钢管生产厂普遍采用周长法测量，用钢卷尺测量管端的周长大小，这种测量方法劳动强度高，测量误差大。

因此，设计一种螺旋焊管管端直径自动测量装置，以提高管端直径测量的准确性和精度，提升检测效率，降低操作人员的劳动强度,对钢管的质量控制具有重要意义。

1 系统设计

管端直径自动测量系统流程如图1所示。扩径机圆盘处安装有测量支臂，用来固定CCD激光传感器；测量支臂伸缩部分采用直线导轨，可根据管径大小准确调整位置。PLC主站对采集到的传感器信号进行运算处理，上位机与PLC主站进行通讯，用来显示和存储测量数据。

图1 管端直径自动测量系统流程

1.1 测量流程

扩径机对钢管管端进行扩径过程中，安装在扩径机圆盘上的CCD激光传感器对管端直径进行实时测量。西扩径机对钢管西端扩径完毕，扩径头要退回时，在PLC程序中取其动作的上升触发沿，将当前的钢管直径记录在PLC程序DB数据块中；东扩径机测量流程与西扩径机相同。测量完毕后，上位机程序将直径值记录在Access数据库中，并通过组态界面显示出来。

1.2 测量原理

在东、西扩径机圆盘上各装有8台CCD激光传感器，通过扩径头直径方向的2台传感器为1组，一共4组，用来测量钢管的直径。测得直径值分别用D1，D2，D3和D4表示，扩径后钢管管端形貌可近似为圆，管端直径D可采用平均值法计算，计算公式为

管端直径测量如图2所示。

图2 管端直径测量示意图

2 硬件组成

2.1 测量机构

管端直径测量机构由高精度CCD激光传感器和带直线导轨传感器固定支臂组成。CCD激光传感器包括发射端、接收端和放大器。该传感器的采样周期为980 μs,高敏感度模式下最小可检测物体直径为0.1 mm，满足钢管管端直径测量精度的要求；发射端和接收端带光轴校准指示，便于在调整中对准传感器的光轴；传感器防护等级为IP67，可满足在现场环境中使用。在实际生产中，传感器支臂需要根据生产钢管管径规格的大小作相应的调整，采用直线导轨的方式，保证调整过程的精度；在直线导轨上装有刻度钢尺，便于不同规格钢管的调整。

2.2 PLC控制系统

扩径机采用西门子S7-300 PLC控制系统，PROFIBUS-DP分布式主从控制模式。在此系统基础上，需要增加SM331模拟量输入模块，实现对CCD激光传感器信号的采集；增加以太网通讯模块CP343-1，实现和工业以太网的通讯。

2.3 上位机

上位机用来实现钢管的参数设置和测量后的数据保存和显示，参数设置的目的是为了满足不同管径的钢管管端直径自动测量的要求。上位机采用研华工控机，型号为IPC-610H。 PLC与上位机通讯采用工业以太网方式。

3 程序设计

3.1 硬件组态

在扩径机原有系统基础上，添加SM331模块和CP343-1模块后，需要对PLC模块重新进行硬件配置，即硬件组态，才能使原系统具有模拟量信号采集和以太网通讯功能。

3.2 测量控制

CCD激光传感器的放大器设置为“外径/宽度测量”模式。为了提高信号传输精度和抗干扰能力，传感器采集的信号以恒流源4～20 mA电流的形式输出给西门子SM331模块，根据公式（1），管端直径计算程序如图3所示。

为了降低外界干扰对管端直径准确性的影响，在PLC程序中采用平均值滤波法对管端直径值进行处理，滤波程序如下。

图3 管端直径计算程序

在扩径机扩径完毕扩径头要退回时，取其动作的上升沿，将当前的管端直径值保存，输出给上位机组态系统，其程序如图4所示。

图4 管端直径值输出程序

3.3 上位机控制

考虑到系统的兼容性和方便性，上位机软件选择和扩径机PLC控制系统同为西门子产品的WinCC组态软件。WinCC是基于Microsoft的监控和组态操作系统，它提供了一些系统模块和编程接口将其他应用程序统一集成到过程控制的用户界面中。它可以通过ODBC归档数据访问，以及通过DDE，OLE2.0和ActiveX控件使用现有的Windows应用程序，如Excel，Word，Access等。

在本研究中，WinCC通过ODBC接口将测量的数据保存在Access数据库中。在上位机D盘目录下建立Access表，命名为“KJJ”，从控制面板的管理工具中，选择数据源（ODBC），通过“添加”按钮， 将“Driver do Microsoft Access（*.mdb）”添加进来，并定义数据源名称为“KJJ”。设置上位机的TCP/IP参数，将上位机的IP地址设置为与PLC以太网模块CP343-1 IP地址在同一个网段。

在WinCC软件中新建项目，设置当前项目的计算机名与本地计算机名一致；添加OPC协议，与PLC主站建立以太网通讯，在其TCP/IP属性中设置IP地址与CP343-1模块IP地址一致，同为192.168.64.132。进入组态界面进行编辑，建立WinCC和S7-300 PLC变量连接，将参数读取到软件中，管端直径自动测量显示界面如图5所示。

图5 管端直径自动测量界面

4 结 语

该装置通过采用传感器自动测量方式，避免了人工测量误差，使自动测量在钢管管端扩径过程中完成，提高了操作的便利性和测量精度，降低了操作人员的劳动强度。装置运行稳定，测量数据准确、可靠。

［1］廖常初.S7-300/400 PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2012.

［2］向晓汉.西门子WinCC V7从入门到提高[M].北京：机械工业出版社，2012.

［3］马明建.数据采集与处理技术[M].西安：西安交通大学出版社，2012.

［4］叶恺，张思卿.Access2010数据库案例教程[M].北京：化学工业出版社，2012.

［5］魏克新.自动控制综合应用技术[M].北京：化学工业出版社，2012.

［6］GB/T 9711—2011：2012，石油天然气工业管线输送系统用钢管[S].

［7］API SPEC 5L（45 版）： 2013， 管线钢管规范[S].

［8］梁涛，杨彬，岳大为.Profibus现场总线控制系统的设计与开发[M].北京：国防工业出版社，2013.

［9］濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2013.

［10］向晓汉，苏高峰.西门子PLC工业通信完全精通教程[M].北京：化学工业出版社，2013.

［11］童敏明，唐守峰，董海波.传感器原理与检测技术[M].北京：机械工业出版社，2014.

Development of Pipe End Diameter Automatic Measuring Device of Expander

ZHOU Shuliang,JIANG Jianjun,CUI Mingliang,LIU Changhong,WANG Yu
（CNPC Bohai Equipment North China Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Qingxian 062658,Hebei,China）

According to the pipe end diameter measurement process of SAWH pipe expander,a kind of pipe end diameter automatic measuring device was designed.The device adopted CCD laser sensor to carry out measurement,and used PLC arithmetic average filtering method to calculate measuring data.The measurement parameter information was displayed by using WinCC software of the upper computer;the data were stored in the Access database by the trigger pulse,which is convenient for data collection and statistics.Through actual production and use,the device presents the features of accurate measurement and convenient data storage,moreover,the measurement accuracy meets the requirements of technology,and its measurement error is±0.3 mm.

SAWH pipe;expander;diameter measurement;upper computer

TE973.6

B

1001－3938（2015）10-0045-04

周书亮（1984—），男，大学本科，工程师，主要从事电气设计与设备维护工作。

2015-05-25

张 歌