钢管自动分钢仪及其控制系统

王辉

摘 要：近年来随着油套管制造标准的日益提高，对其质检环节的要求也越来越严苛，其中的混钢检验由抽检升级为必检，并需追溯每根钢管的成分信息;我们通过引入钢管自动分钢仪提升了工作效率、满足了质检要求。

关键词：分钢仪;自动化控制

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

在油套管生产线的质检环节中普遍采用光谱分析仪（下文简称分钢仪）对产品进行化学成分分析，然后与标准成分进行比对，以判断产品是否合格。宝钢钢管厂管加工4#线于2005年投产，在生产过程中采用手动分钢作业，即作业人员手持光谱枪，单眼对准镜头，然后光谱枪激发后产生火花，通过查看镜头内由火花产生的光线，从而确定钢管元素的成分及含量。人工光谱枪仅仅能显示分析过程中存在的元素，光谱枪无法自动判断被分析钢管是否混钢，需要人工对显示的光谱进行判断是否混鋼，因此劳动强度高，作业效率低，长时间的人工光谱作业还容易导致作业人员眼部疲劳;同时利用经验对光谱进行分辨可靠性低，有误检误判的风险，存在较大的质量隐患。因此为了优化现有操作方式、提高生产效率，在生产线上新增一套自动分钢仪，从而实现对钢管进行自动混钢检验。

1.工作原理及系统组成

分钢仪是对钢管合金元素含量进行检测分析的设备，用于检查钢管在生产过程中有没有混入不同钢级和不同合金元素含量的钢管。其检测设备为光谱枪，采用的是原子发射光谱学的分析原理，被测物体通过光谱枪的电弧或火花放电激发生成原子蒸气，该蒸气中的原子与离子被激发后产生发射光谱，发射光谱通过光导纤维进入到光谱仪的分光室中，色散成各光谱波段，根据每个元素发射的波长范围，通过光电倍增管可以测量出每个元素的最佳谱线，每种元素的发射光谱谱线强度正比于样品中该元素的含量，通过光谱仪内部预先存储的校正曲线可测定其含量，并直接以百分比浓度显示出来。

新增的自动分钢仪主要由机械设备、电控设备、光谱枪及分析仪器等组成。其中机械设备主要布置在分钢仪箱体中，包括夹紧气缸、窗门气缸、检测移动装置气缸、平移多位气缸、枪头升降气缸、打磨升降气缸等;此外分钢仪的光谱枪也安装固定在箱体内的升降气缸上。分钢仪箱体设备布置见图1-1。

电控设备为分钢仪电控柜，主要由1套PLC系统和1台工控机等组成。PLC负责分钢仪箱体内各机械设备的动作控制;工控机负责与PLC和分析仪器通讯，对分钢仪进行操作并将分析结果上传至主线上位机等。此外分钢仪的分析仪器也安装在电控柜中。电控设备网络结构见图1-2。

光谱枪及分析仪器选用德国SPECTRO TEST（斯派克）公司的TXC35光谱仪，包含光谱枪、分析仪器小车及其分析软件等，其中光谱枪固定在机械设备中，分析仪器安装在分钢仪电控柜中。光谱枪及分析仪器见图1-3。

2.工艺流程

钢管被输送到自动分钢工位，分钢仪箱体上的夹紧装置将钢管夹紧固定，分钢仪箱体窗门打开，箱体内的打磨装置上升对钢管下表面进行打磨并吹扫氧化铁皮，打磨结束后打磨装置降回箱体内，然后光谱枪上升对钢管击发电弧并进行成分分析，之后光谱枪也降回到箱体内。若检测合格没有混钢，则夹紧装置打开，钢管被输送到下一个工位;若检测不合格，则光谱枪先平移一小段，避开钢管下表面第一次的击发点，然后光谱枪上升并再次对钢管进行分钢检测;若连续三次检测不合格，则分钢仪报警，作业人员对混钢的钢管进行人工标记并在后续工位将其移除。

3.电控系统及软件功能

电控系统主要由PLC、工控机及其软件组成。其中PLC选用西门子S7-300系列，中央处理单元为CPU 315-2 PN/DP，带工业以太网接口，可直接通过交换机连接工控机及分析仪器。PLC通过其DO点驱动气动阀台上的电磁阀来控制分钢仪箱体内的夹紧气缸、窗门气缸、多位平移气缸、升降气缸、磨头气缸等的动作，从而完成固定被测钢管、打磨被测钢管表面的氧化铁皮、移动光谱枪至击发位置并给出击发命令等任务。此外每个气缸的行程目标位置上都安装有磁性开关，信号均送入PLC的DI点，PLC通过获取各机械元件的位置状态，再根据工艺连锁要求，从而有序完成分钢仪箱体内机械设备的各项动作。PLC还通过点对点方式与主线控制系统进行通讯，根据主线控制系统给出的料流到位信号来启动自动分钢作业;分钢结束后，再向主线发出作业完成信号，主线控制系统再将钢管从分钢工位输送至下一工位。

工控机放置在分钢仪电控柜中，电控柜上设可开启的检视玻璃窗，内放显示器，柜门设键盘抽屉，可在现场对工控机进行操作。工控机内运行分钢仪的HMI操作界面，由西门子WinCC开发，可以显示各设备运行状态，操作设备动作，设置运行参数，查看分析结果等。工控机通过以太网与PLC、分析仪器进行通讯。其中通过读写PLC中的数据，可在HMI界面上显示分钢仪箱体中各机械元件的位置和动作状态;还可以在画面上对分钢仪箱体进行手动单步操作，以判断分钢仪箱体内各机械元件的状态是否正常。通过读取分析仪器中的数据，可在HMI界面上显示仪器的各种运行状态、报警信息、光谱枪击发后的分析结果（钢管的各组成元素种类、各元素的含量、边界、牌号标准、击发日期和时间等数据）等;此外工控机还可对分析仪器发出命令电文对其进行远程控制，如仪器校准、光谱枪击发、开始分析、结束分析、单次测量等。HMI操作界面见图3-1。

工控机除了运行WinCC开发的HMI操作界面外，还运行通信软件，负责与PLC、与分析仪器之间通过以太网读写数据。通信软件主要分为通信模块、PLC读写模块、业务处理模块等。

1）通信模块

采用基于Socket协议的方法跟分析仪器的Event_Server（事件电文）、Command_Server（命令电文）进行通信。Socket的两个程序通过一个双向的通信连接实现数据的交换，其中每个连接的一端稱为一个Socket。至少一对端口号（Socket）进行连接通讯，确保软件读取分析仪器信息的准确、稳定和高效。采用编程接口的方法（API），对TCP/IP电文进行封装，TCP/IP提供系统软件所用的接口;采用HTTP进行封装或者显示数据的具体形式;Socket负责网络通信。系统采用最优化的通信技术，通过高效而可靠的存储方式来提高Socket传输的准确性、稳定性。主要体现在，系统通过队列的方式来存储接收到的完整电文，解决Socket通信过程中产生的拆包、粘包问题造成的通讯不稳定和通讯中断问题。

2）PLC读写模块

通过配置的西门子S7-300 PLC进行数据通讯的动态连接，库Prodave 6.0来对PLC进行读写操作。

3）业务处理模块

主要功能如下：

接收Event_Server事件电文分析结果，通过Prodave写入PLC。

接收Command_Server命令电文分析结果，通过Prodave写入PLC。

通过Prodave读取PLC信息，分析结果，根据仪器状态给Command_Server自动发送指令电文。

电文通讯采用Socket通讯，长连接形式。利用分钢仪分析仪器xml文件特征标记来判断电文结束，而不是采用接收字节为零ReceivedBytes=0来判断电文结束。

4.小结

将产线上的手动分钢作业改造为自动分钢后，可大大减少作业人员的眼部疲劳、降低劳动强度，同时减少了人员的误检误判，提高了质检作业的可靠性和工作效率。

参考文献

[1]樊建成.多功能锅炉管精整线的工程设计与实践[J].《冶金自动化》，2003年，第03期：48-51

[2]曾海滨.减少高压锅炉管涡流探伤误判的几个方法[J].《钢管》，2011年，第03期：59-61