基于PLC的管材称重、测长、喷标系统的设计.pdf

2 0 1 1 年 1 月 第 3 9卷 第 2期 机床与液压 MACHI NE T 00L HYDRAUL I CS J a n ． 2 01 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 2 ． 0 1 6 基于 P L C的管材称重 、测长 、喷标 系统的设计 张凯，李春 明 郑州旅游职业学院机 电系，河南郑州 4 5 0 0 0 9 摘要 设计在一个工位 上实 现钢管称重 、测长 和喷标 的 自动化系统 。该 系统 整个 工作 过程 由 P L C控制实现 全 自动 ，并 设计了手动装置 ，以防在全 自动时出现事故 。利用组态 王开发 界面 ，并实现 与 P L C、称重仪表 的连接 。由于称重和 测长 同 时进 行 ，因此节约很多时 间。实验结果表 明该 系统性 能稳 定 、功 能完善 、操 作简 单 ，每分 钟能 够完成 两根 钢管 的测 量 ， 生产 效率高。 关键 词 P L C ；组态王 ；称重 ；测 长 ；喷标 中图分类号 T P 2 9 文献标识码 B 文章编 号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 2 0 5 7 2 The De s i g n o f W e i g hi n g．Le ng t h M e a s uHng a n d S t e nc i l i ng S y s t e m f o r Tu be Ba s e d o n PLC ZHANG Ka i ． L I Ch u n mi n g M a c h i n e r y E l e c t r i c D e p a r t m e n t ，Z h e n g z h o u T o u ri s m C o l l e g e ，Z h e n g z h o u H e n a n 4 5 0 0 0 9，C h i n a Ab s t r a c t An a ut o ma t i c s y s t e m wa s de s i g n e d t o a c h i e v e a t t h e f u nc t i o ns o f we i g hi ng， l e ng t h me a s u r i ng a nd s t e nc i l i n g f o r s t e e l t u b e i n a s t a t i o n ． Th e w h o l e w o r k i n g p r o c e s s o f t h e s y s t e m w a s f u l l y c o n t r o l l e d b y P L C a u t o ma t i c a l l y ． Ma n u a l d e v i c e w a s d e s i g n e d t o p r e v e n t a n a c c i d e n t a t a u t o ma t i c o pe r a t i o n． Ki ng v i e w wa s u s e d t o d e v e l o p i n t e r f a c e， a n d t h e c o n n e c t i o n s wi t h PL C a n d we i g h i n g i n s t mme n t we r e b u i l t ． S i n c e t h e we i g h i n g a n d l e n gth me a s u r i n g we r e s i mu l t a n e o u s ， a l o t o f t i me wa s s a v e d ． Th e e x p e r i me n t a l r e s u h s ho ws t ha t t h e s y s t e m h a s s t a bl e pe r f o r ma nc e，pe rfe c t f un c t i o n s a n d e a s y o pe r a t i o n． Th e me a s u r e me n t o f t wo t ub e s c a n be c o mp l e t e d i n o n e mi nu t e wi t h hi g h p r o d uc t i on e ffic i e n c y ． Ke y wo r d s P L C； Ki n g v i e w； W e i g h i n g； L e n g t h me a s u r i n g ； S t e n c i l i n g 近十年来 ，随着工业 生产规模和深度 的 日益发展 以及应用领域 的迅速扩展 ，国内对不 同材质 、不 同规 格 、不 同品种 、不 同用途不锈钢 管的需求猛增 。加上 不锈钢管高 附加值 的吸引 ，生产 不锈钢管材 的企业从 2 0世纪 8 0年代 的十几 家发展 到 目前 的 4 0 0多家 ，综 合生产加工能力超过 1 0 0万 t ，实 际产量 从 1 9 8 9年的 5万 t 增加到 1 9 9 9年 的 3 9万 t 。但 是 产量 达 5 0 0 0 t 水平 的企业 很 少 ，多 数 是 年产 1 0 0 0 t以下 的小 厂 。 钢种从单一 的奥 氏体 发展 到马 氏体 和铁 素体 双相 钢 、 高合金钢。产品品种有无缝钢管 ，包括冷拉管、冷 轧管 、热挤 压管 、离心铸造管 、旋压管 ；焊接 管 ，包 括 等离子焊 、氩弧焊 、埋弧焊 、光速焊接 和高频 焊 接等焊管。所能生产的不锈钢管基本上 覆盖了世界各 国标 准的品种规格 ，不锈钢异型管 的规 格 、品种也达 百种 以上 ，产品用途涉及工业及 民用等众 多领域 。世 界上 一些 发达国家不锈钢焊管 的产量 占整个 不锈钢管 总产 量的 6 5 ％ ～7 5 ％ 。我 国不 锈 钢 焊管 的 产 能与 国 内市场需求 不相适 应 ，预测 2 1 世 纪 ，国内市 场年需 求不锈钢焊 管至少 在 6 万 t 。 以往 的一些企 业采用其他方法完成对一根 钢管的 称重 、测长 、喷标需 时 1 m i n ，可靠性 差 ， 自动化 程 度不高 ，而且 效 率较 低 。作 者采 用 P L C控 制钢 管 的 称重与测长 同时进行 ，并利 用组态王做界面 ，仅 仅需 要 3 0 S 。该 系统的设 计大大提高 了生产效率 ，从 长远 看 ，可 以促进我 国科技 的发展 和帮助企业 获取更 多的 利润 。该系统 的特点 1 工作 过程实 现全 自动 化 ； 2 上位计算机软件为组 态王操 作界 面 ，运行稳定 ， 操作简单 ，功能完 善 ； 3 自动生成 钢 管参数 数据 库，可提供随时查询或打印； 4 具有 良好的安全保 护性能，任一环节或者部件出现故障，系统都会 自动 停止运行并立 即报警 ， 防止设备损坏 。 1 称 重 、测长 、喷 标 过程 由于一批钢管长 度相 对 比较规范 ，为 了简单实 用 ，采 用 两 点 称 重 的 方 式。选 择两个合适 的布置 图 1 称重示意图 点 ，两 个称重 传感 器所 测 质量 之 和 即为 钢管 的 总质 量 。钢 管支撑 V型块 与导 向杆连 成一 体 ，通 过压 球 将钢 管质量垂直压在称重传感器上 。两个称重传感器 通过专用接线盒连接到称重显示仪上，经标定以后， 收稿 日期 2 0 0 91 1 2 6 作者简 介 张 凯 1 9 8 0 一 ，男 ，讲 师 ，主要 从 事 电气 自动 化 方 向 的研 究 。电话 1 3 9 3 7 1 9 5 3 7 5，Em a i l z k 8 0 0 3 0 2 1 6 3． c o n。 5 8 机床与液 压 第 3 9卷 称重仪表 所显示 值 即为钢管 的整体 质量 ，用 P R O ／ E 绘制称重示意 图如图 l 所示 。 钢管 测 长 有 3种 方 式 利 用 电 荷 耦 合 器 件 C C D测 长 ，利 用 光 栅 测长和利用激光测长。考 虑 到结构的简单 、测 长的 准确 性 以及 技 术 的成 熟 性 ，作者 采 用激 光 测 长 ， 测长示意图如图 2所示 。 所测钢 管 的 长 度 L ～ 一 L A x 。其 中 为 激光 测距 仪所测 得 的长 度 ，， J ， 和 为接 近开关 的直径 ，A x为 测量偏差 。 喷标 过程 需 要 喷码 机 和 P L C之 间 的通讯 协 议 ，上 位 机 利 用 此 通 讯 协 议 来 接 受 P L C发送的质量和长 度数据 ， 这些数 据经 处理 后按 照 喷码 机要求 的格 式发 送 出去 ，该 通讯协 议程序 利用 7 - 2 0 0开 发。程 序 的 结 构框 图 如 图 3 既示 。 2 P L C自动控 制 系统 J开机 主 1自检测 工位有 管 、、 、／ 上Y 图 2 测 长示意图 ￡ I r I存入数据库 l 菡 应 图 3 通讯协议程 序结构框 图 左 侧挡 板到 位 ，右 侧挡 板到 位 不 合格 Y 垡墨 堡感 器 激 光头 测长 l 延 时 5 s 』 l 称重气缸下降l 0延时5 s 传送带转动至喷码工位l J位置传感器 l喷码机喷码 1 延 时 5 s 喷码 结束 ， 电机 归 位 l 位 置传 感器 报警、手动l I 传送带转动 位置传感器 图4 该系统 P L C控 制流程 图 这套钢管 自动测长 、称重 、喷标系统的控制部分 由下位 P L C控 制 系统 和 上位 工控 机控 制 系统 组成 。 考虑到 P L C的耐用性 等 ，作者 采用西 门子 的 P L C及 其模拟量 扩展模 块 ，其 型号分 别为 2 1 6 2 B D 2 3 0 X B 8 和 2 3 1 0 HC 2 2 0 X A 8 。 下位 P L C系统主要 实现 现场 各类 信号 的采集 和 各执行机构 的动作控制 。现场信号主要包括各工位的 料到位信号 、各气缸动作 的位置信号等 ；执行机构包 括翻料机构 、定位装置 、测长装 置 、带辊轮气缸 、钢 管喷标辊轮 、喷头升降机构等。P L C根据 自己的程 序 接受 上位机 的指令实现现场各类 动作 的控制 ，其控制 流程 图如图 4所示 。 3界 面设计 上位工 控 机 控 制 系 统 采 用 组 态 王 软 件 制 作 界 面 。组 态王采 用工 程 浏 览 器界 面 来 管 理硬 件设 备 ， 每一个实 际 I ／ O设备 都必 须在 组态 王 中指定一 个 唯 一 的逻辑 名称 ，此逻 辑设 备名 就对 应着该 设备 的 通 讯 方式 、设 备地址等信 息。 比如在 7 - 2 0 0中称 重传 感 器 的地址 是 1 0 ． 5，那 么在组 态王数 据 变量 中称重 传感 器 的内存 寄存器也 应该 是 1 0 ． 5 ，数据 类型 设置 为读 ，变量类 型设置 为 内存 离 散 ，这样 能够 和 P L C 保持 通讯 。然后将 现场设 备工 作 方式 、接近 开关 及 行程开关的状态 、钢管质量和长度的测量值及其累 积 的质量和长度 值等 相 关参数 定义 为 I ／ O变量 ，存 入组 态王数据库 。最后进行 动 画连 接 ，将 界 面 中的 画素 与数 据库 I ／ O变量 建立 一一 对应 关 系 ，设 备 工 作过程 中小车和钢 管 的移动 制作成 动 画效 果 。钢 管 经称重 、测 长后 ，利用 组态王 的 S Q L访 问功能 实现 建立数据库和数据传输，并用组态王提供的实时数 据 报告功能 生成报告文 本 ，并送 往打 印机打 印 。该 设 计的主界 面运 行 图如 图 5所示 。 图 5组态王设计主界面运行 图 下转第 7 0页 7 0 机床与液压 马达输出转矩会 随着井深的增加而减小 。在到达一定 深度后 ，马达的输 出转矩为零。并且 ，随着井深 的进 一 步增加 ，链条牵引负载所需 的马达输出转矩变 为负 增长 。此 时 ，为保证测井作业速度控制的要求 ，注入 头马达应反 向工作 ；上提连续管时 ，虽然 马达 的输 出 转矩一直 为负 ，但会 随着井深 的减小 ，得链条牵引负 载所需 的马达输出转矩 的绝对值进一步减小 。 主驱动 回路的控制 回路 由工控机 、P I c及 P R O F I B U S D P现场总线 组成 ，完成 注入 头液压 系统 的控 制任务 。 2 ． 2辅助 驱动 回路 柴油发 动机驱动双联 泵中的恒压变量泵 ，为辅助 驱动 回路中的张紧油缸和压紧油缸提供动力源。张紧 油缸和压紧油缸都是通过三位四通 电磁换 向阀的切换 来实现链条 的张紧和松开。链条张紧和压紧后 ，控制 系统实时检 测压 力 ，紧急情 况下 ，依 靠 蓄 能器来 保 压 。 张 紧油 缸 和 压 紧 油 缸 总 的 进 油 口都 设 有 溢 流 阀 ，控制各个油 缸的供 油压 力 ，并 在各 个油缸 的进 出 口设 有 节流 阀 ，以调 节 张紧油 缸 和压 紧油缸 动作 的速度 。 3 注入头液压系统的特点 1 注人头液压系统采用 电液 比例控制 ，实现 了 注入头和滚筒 的协 同控制 。并且 ，注入头的注入或上 第 3 9卷 提速度控制为无级调速 ，使连续管测井机实现了工作 过程 的 自动化 。 2 主驱 动 回路与 辅助驱 动 回路 的动 力源 分别 由负载敏感 泵 和恒 压变 量泵 提供 ，控 制 回路 相互 独 立 。 3 主驱 动 回路 由负载敏感 泵提供 注入 头 马达 所需要的流量 ，减少 了液压系统的发热量 ，提高 了液 压系统的工作效率 。注入头马达采用带减速机构和刹 车装置的双排量变量马达 。小排 量情况下 ，提高了注 入头注入或上提 的速度 ；大排量情况下 ，满足了测井 工艺低速稳定性 的要求。 4 注人 头主驱 动 回路 中，由于加入 了手 动换 向阀 ，使得在系统失电的紧急情况下 ，也能够实现连 续管 的注入或上提 ，提高了系统 的安全性 。 参考文献 【 1 】傅阳朝， 李兴名． 连续油管技术[ M] ． 北京 石油工业出 版社 ， 2 0 0 0 ． 【 2 】熊革， 高文倩． 连续油管测井技术[ M] ． 北京 石油工业 出版社 ， 1 9 9 8 ． 【 3 】许益民． 电液比例控制系统分析 与设计[ M] ． 北京 机械 工业 出 版社 ， 2 0 0 6 ． 【 4 】崔孝斌 ， 张运翘． 连续油管作业机液压系统分析[ J ] ． 石 油机械 ， 1 9 9 3 ， 2 1 1 2 3 4 3 8 ． 【 5 】高纪念， 朱小平． 连续油管注入器液压系统 l J ] ． 西安石 油学院学报 ， 1 9 9 9 ， 1 4 2 3 8 4 5 ． 上接 第 5 8页 4结论 作者用西 门子软件 7 - 2 0 0编 程设计 了 钢管 的称 重 、测长和喷标 自动化控制系统 ，用组态王进行 了界 面设计 ，而且和 P L C实现 了通信 。在 S 7 2 0 0中编 写 了通讯协议 ，实 现 了喷码机 和 P L C的通讯 连接 。实 验结果表明 作者设计的程序没有任何错误 ，完全符 合要求 ，而且完成一根钢管的称重 、测长和喷标过程 仅仅需要 3 0 s ，该 系统运行稳定可靠 ，没有 出现任何 问题 。与现有 的控制系统 相 比， ． 该设计大大提高了生 产效率 ，具有 良好 的市场前景。 参考 文献 【 1 】西门子 中国 有限公司自动化 与驱动集团． 深入浅出 西 门子 s 7 ． 2 0 0 P L C [ M] ． 北京 北京 航空 航天大 学 出版 社 ， 2 0 0 3 ． 1 2 ． 【 2 】王兆义． 可编程控制器教程 [ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 1 9 9 3 26 ． 【 3 】时文飞， 侯世英， 张柯， 等． P L C与计算机的串口通信程 序设计 [ J ] ． 机床 电器 ， 2 0 0 5 4 ． 【 4 】马丁． 西门子 P L C应用程序设计实例精讲[ M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． 上接 第 7 9页 合冲剪机剪切工作机构的设 计过程 ，实现了工作机构 的参数化 和优化设计。在 功率相 同、结构简化 、质量 下降的情况下 ，该设备可剪切的最大方钢 、圆钢 、角 钢等尺寸明显增加 ，实现 了产品的高效率 和低能耗 。 参考文献 【 1 】中国机械工程学会编． 锻压手册 第 3卷 锻压车间设 备[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 9 3 ． 【 2 】阎青松 ， 陈华丰． Q A 3 5 Y 一 3 0液压联合 冲剪机 的研制 [ J ] ． 锻压机械 ， 2 0 0 8 1 1 0 9～1 1 2 ． 【 3 】阎青松， 刘杰 ， 陈华丰， 等． 液压联合冲剪机剪切机构的 建模与仿真[ j ] ． 机械 ， 2 0 0 8 5 1 71 9 ． 【 4 】苏金明， 阮沈勇， 王永利． MA T I A B工程数学[ M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． 1 ． 【 5 】许波， 刘征． M A T I A B工程数学应用[ M] ． 北京 清华大 学 出版社 ， 2 0 0 0 ．