基于PLC控制钢管周长测量装置的设计应用

周书亮，高俊星，张晓东，李斌，闫玮，娄刚，高洁 （渤海装备华油钢管公司，河北 青县 062658）

基于PLC控制钢管周长测量装置的设计应用

周书亮，高俊星，张晓东，李斌，闫玮，娄刚，高洁 （渤海装备华油钢管公司，河北 青县 062658）

针对螺旋焊管生产线检验岗位对钢管管端周长的测量要求，设计了一种管端周长自动测量装置。该装置采用旋转机构固定CCD激光传感器，通过旋转机构带动传感器围绕管端180度旋转，测出8组钢管直径数据，运用PLC程序计算出管端周长值，利用VB6.0上位机软件显示测量信息、保存数据和控制执行机构动作。通过现场应用表明，该装置测量准确、调整方便、采用传感器数量较少，测量精度满足工艺要求，测量误差在±0.2mm。

周长；旋转机构；装置；传感器；上位机

螺旋焊管生产制造过程中，扩径、成品检验岗位需要对管端周长进行测量，以保证生产出来的钢管参数满足工艺要求，在施工现场顺利完成对接。API SPEC 5L《管线钢管规范》和GB/ T9711-2011《石油天然气工业管线输送系统用钢管》[1-2]等标准，对焊管管端直径偏差有明确的要求。目前普遍采用测量管端周长判断是否满足工艺范围的方式来间接测量直径。国内钢管厂普遍采用钢卷尺测量管端的周长大小，这种测量方法劳动强度大、存在人工误差。一些钢管厂家也在研制钢管周长自动测量设备，但换道调整繁琐、传感器数量多和测量精度给这些设备的大规模使用造成一定局限性。

因此，设计一种螺旋焊管管端周长自动测量装置，在保证测量精度的同时，提高换道调整便利性、减少传感器数量，对设备的正常使用和钢管的质量提升有重要意义。

1　系统结构设计

系统结构如图1所示，由旋转驱动电机带动旋转机构中环形齿条转动，旋转机构安装有传感器支架，用来固定CCD激光传感器。传感器支架伸缩部分采用直线导轨，调整电机带动传感器支架在直线导轨上运动，调整电机带有反馈编码器，可准确测量支架运动位移。

PLC主站对采集的传感器信号进行运算，并控制旋转驱动电机的动作；根据钢管不同规格，PLC主站通过编码器反馈信号控制调整电机的位移量，实现换道时支架位置自动调整；上位机与PLC主站进行交互通信，用来显示和存储测量数据。

1.1测量流程

钢管管端进入旋转机构内圈处于静止状态时，旋转驱动电机带动机构开始转动，在转动过程中，PLC主站以一定时间间隔对传感器信号进行采集，当旋转180度后电机停止运行， PLC程序将采集到的信号经过运算处理转换为管端周长，通过与上位机软件通讯将周长值在组态界面显示出来，并保存在Access数据库中。

图1 管端周长测量结构

1.2测量原理

在旋转机构上装有两组CCD激光传感器，平行安装。在转动过程中，传感器发出的光束始终与钢管表面相切，测得的钢管直径值为d，如图2所示。旋转机构转动180度后测得直径值用D1、D2、D3、D4、 D5、D6、D7、D8来表示，以Dmin代表8组直径值中最小值，Dmax为最大值，Dmin 和Dmax可通过PLC程序比较算法得出，管端直径D计算公式为：

图2 测量示意图

2　硬件单元组成

2.1测量单元

管端周长的测量单元由CCD激光传感器、带直线导轨传感器支架和调整电机组成。传感器为光透型激光传感器，最小可检测物体为φ0.1mm，重复精度为80μm,满足钢管管端周长测量精度的要求；传感器带有双LED位置显示器，便于观察工作状况；传感器防护等级为IP67，污染等级为2，满足现场使用[3]。

传感器支架需要根据管径大小做相应的调整，以满足不同规格钢管生产。支架采用直线导轨的方式，保证调整过程的精度；调整电机为永磁直流电机，型号ENGEL GNM2145C，具有惯性小、扭矩高和动态性能优的特点，与直线导轨滑动端连接；电机装有反馈编码器，可实现移动位移的准确测量；电机控制器型号为ENGEL DSV 112。

2.2旋转单元

旋转单元由旋转驱动电机和旋转机构组成。电机型号为ENGEL GNM5440，控制器型号为ENGEL DSV 130A。旋转机构采用环形齿条结构，旋转电机通过行星减速机与齿条连接，带动环形齿条转动[4]。

2.3PLC主站

为了增强车间设备的通用性，PLC主站为西门子S7-300控制系统，采用 PROFIBUS-DP主从控制模式。添加SM331模拟量输入模块实现对CCD激光传感器信号的采集； SM332模拟量输出模块实现对调整电机、旋转驱动电机控制器的控制； FM350模块实现对调整电机反馈编码器信号的采集；以太网通讯模块CP343-1实现和上位机通讯[5-7]。

2.4上位机

上位机用来实现钢管的参数设置、测量数据的保存、显示和换道时传感器支架的调整。上位机采用朗歌斯工业一体机，型号为LS530H，带触控功能，方便岗位人员日常操作。

3　程序控制设计

3.1硬件组态

在S7-300控制系统中，硬件模块SM331、SM332、FM350和CP343-1安装完成后，需要step7编程软件对PLC模块进行硬件组态，才能将PLC程序编译成PLC主站CPU可执行的代码[8]。在硬件组态中，设置SM332输出类型为±10V电压信号，以实现对ENGEL控制器的控制；安装FM350软件包，在组态界面设置编码器的脉冲数为650，根据电机传动比和编码器实际脉冲数的大小可计算出传感器支架位移值，组态界面如图3所示。

图3 硬件组态

3.2测量控制

PLC程序将西门子SM331模块采集到的信号转换为实时的测量数据，便于管端周长值的计算，转换程序如图4所示。

图4 转换程序

在PLC程序采集到的8组直径数据中，为了避免焊缝和外界干扰对管端周长数值的影响，根据公式（1），PLC程序中采用去掉最小值Dmin和最大值Dmax然后取6组数据的平均值的方法计算管端周长，计算程序如图5所示。

图5 周长计算程序

3.3上位机控制

考虑到与MES生产系统软件的兼容性，上位机软件选择Microsoft Visual Basic 6.0（简称VB6.0）软件。VB6.0基于Basic编程语言，通过可视化编程方式，将经常使用的功能以控件的形式出现，通过拖放控件的方式避免重复的代码输入。它可以通过Data控件、DAO对象、RDO对象、ADO控件等访问数据库[9]。

在上位机“VB98”目录下建立Access表，命名为“zhouchang”。从控制面板的管理工具中，选择数据源（ODBC），将“Microsoft Access Driver（*.mdb, *.accdb）”添加进来，并配置数据源名称为“zhouchang”[10]。

PRODAVE MPI/IE V6.2是高级语言（VB，VC等）访问S7-300/400的调用接口库，支持通过“Cycle_Read”、“DB_Read/ Write”、“Filed_Read/Write”等方式与西门子S7-PLC建立基本的数据通信。本例中，VB6.0通过PRODAVE MPI/IE V6.2与西门子S7-300PLC进行以太网通讯。通讯程序代码如图6所示。

图6 通讯程序代码

在工程中添加模块“module1”，在该模块中通过“db_read_ ex6 Lib "Prodave6.dll"”和“db_write_ex6 Lib "Prodave6.dll"”两个函数与PLC建立变量连接。在VB6.0软件中对窗体进行编辑，显示界面如图7所示。

图7 管端周长界面

4　结语

该装置采用管端周长自动测量方式，避免了人工测量误差；在钢管换道过程中，可实现传感器支架自动调整，为多规格、小批量的钢管生产带来了方便；采用较少传感器数量，降低了设备成本。界面易于操作，装置运行稳定，测量数据准确。

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

[2] GB/T9711 - 2011 : 石油天然气工业管线输送系统用钢管[S]. 2012.

[3] 基恩士公司. 光透过型激光传感器操作手册[Z]. 2013.

[4] 于惠力, 冯新敏. 齿轮传动装置设计与实例[M]. 北京：机械工业出版社, 2014.

[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] 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.

[7] 李军. 数据采集系统整体设计与开发[M]. 北京：北京航空航天大学出版社, 2014.

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

[9] 软件开发技术联盟. Visual Basic开发实战[M]. 北京：清华大学出版社, 2013.

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

The Design and Application of the Automatic Measuring Device for SAWH Pipe Perimeter Based on PLC Control

According to the requirements of measuring the end perimeters of SAWH pipes at the product testing post, an automatic measuring device is designed. The device adopts a CCD laser sensor which is fixed at a rotating mechanism and has a full 180-degree rotation. In this way, 8 groups of the pipe end diameters are measured. Then, the pipe end perimeters are calculated using the PLC program. The VB6.0 host computer software is used to display the measurement information, save the data and control the executing mechanism. The practical applications indicate that the device is accurate, easy to adjust, and it only requires a small number of sensors. Moreover, the measurement accuracy meets the technical requirements, with the measurement error less than 0.2mm.

Perimeter; Rotating mechanism; Device; Sensor; Host computer

B

1003-0492（2016）05-0096-03

TE973.6

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。