（机械制造及其自动化专业论文）钢管mwbps系统设计及控制软件的开发.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 钢管是一种用途广泛的工业金属材料，也是国民经济发展的一个重要支柱。 本文根据国内外钢管生产线上精整区测长、称重、打标、涂色、喷标系统的研究 开发现状，以“天津钢管公司二套精整线m w b p s 系统的研制与开发”为项目 背景，进行了该项目的控制系统和软件系统的设计，并取得了成功。本课题的主 要研究工作： 第一章综合叙述了钢管的工艺生产流程及a p i 国际标准；说明了国内 m w b p s 系统的开发现状及存在的问题并阐述了开发m w b p s 系统的必要性；陈 述了课题的来源和论文的主要工作和意义。 第二章提出了系统的设计要求；根据系统的整体组成结构，进行了测长、称 重、打标、涂色、喷标及步进梁移位等子系统的设计，包括系统组成和工作过程 以及设计时应注意的问题；最后给出了控制系统和软件系统的总体设计方案。 第三章论述了控制系统的设计组成；重点论述了p l c 系统的硬件设计；介绍 了伺服系统的相关技术；设计了基于伺服控制的喷标系统并对其进行建模仿真， 并分析了系统的跟随误差和稳定性，最后给出了控制系统的特点。 第四章简述了p l c 编程的方式和$ 7 4 0 0 的特点；提出了p l c 的i d e f 0 表示； 着重介绍了p l c 程序的模块化设计以及各个工位的程序流程、程序功能块的划 分以及与上位机通讯的基本原理和时序图；提出了p l c 程序的测试策略。 第五章运用i d e f 0 建模方法对上位机程序进行了分析：介绍了上位机监控系 统的功能模块的设计；根据上位机的i d e f 0 分析进行了主要控制界面的设计； 陈述了上位机通讯方案的设计，提出了软件的测试策略和监控系统的特点。 第六章总结了m w b p s 控制系统和软件系统开发过程所做的工作，并对系统 的改进方向进行了展望。 关键词：钢管、测长、称重、打标、涂色、喷标、p l c 、伺服电机、m p i 通 讯、位置控制 | ) f 江入学硕士学位论文 a b s t r a c t s t e e lt u b ei sw i d e l yu s e da sas o r to fm e t a l l i cm a t e r i a li nl n d u s t r ya n dh a sa l s o c o n t r i b u t e dm u c ht ot h en a t i o n a le c o n o m i cd e v e l o p m e n ti nt h i sp a p e r ，o nt h eb a s i so f t h ec u r r e n ts i t u a t i o no fr e s e a r c ho ns t e e lt u b e sm e a s u r e ，w e i g h t ，p i n s t a m p ，b a n d ， s t e n c i ls y s t e mb o t hh e r ea n da b r o a d ，w i t ht h ea i mo fr e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gt h e m w b p ss y s t e mf o r2 n dp r o d u c tl i n ei nt i a n j i np i p ec o r p o r a t i o n ，t h es u c c e s s f u l d e s i g no f t h er e l e v a n tc o n t r o ls y s t e ma n dp r o c e d u r ea r ep r e s e n t e dt h em a i nc o n t e n t s a r es h o w na sf o l l o w s ： i nc h a p t e r1 ，t e c h n o l o g i c a lp r o c e s so fs t e e lt u b em a dt h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r da p i a r ei n t r o d u c e d t h e nt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fr e s e a r c ha n dp r o b l e m so nm w b p s s y s t e mi nc h i n aa r ed e s c r i b e d a n da l s o ，t h en e c e s s i t i e so ft h ei m p r o v e m e n to f m w b p ss y s t e ma r ee x p l a i n e d f i n a l l y , t h es o u r c eo ft h i sp r o j e c ta n dt h em a i n c o n t e n t sa sw e l la st h es i g n i f i c a n c eo f t h i sp a p e ra r em e n t i o n e d i nc h a p t e r2 ，t h e d e s i g n r e q u i r e m e n t s o ft h i s s y s t e ma r ep r e s e n t e dt h e n ， a c c o r d i n gt ot h es y s t e m si n t e g r a ls t r u c t u r e ，t h ea u t h o rd e p i c t e dt h ed e s i g no f r e l e v a n t s u b s y s t e m ss u c ha sm e a s u r e 、w e i g h t 、p i n s t a m p ，b a n d ，s t e n c i l ，s t e ps y s t e ma n de t c ， i n c l u d i n gt h ec o m p o n e n t s ，w o r k i n gp r o c e s so ft h es y s t e ma n dt h ep r e c a u t i o n sw h e n d e s i g n i n g f i n a l l y ，t h ew h o l ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e ma n ds o f t w a r ea r ea l s o p r e s e n t e d i nc h a p t e r3 ，t h ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e m ，e s p e c i a l l yt h eh a r d w a r ed e s i g no f p l cs y s t e mi sd i s c u s s e dt h ec o r r e l a t i o nt e c h n i q u e sa b o u ts e i v os y s t e ma r ea l s o i n t r o d u c e dt h e n t h ed e s i g na n dt h em o d e l i n g & s i m u l a t i o no fs t e n c i ls y s t e mb a s e d o ns e r v ec e n t r e ls y s t e ma r ee x p a t i a t e dm o r e o v e lf l o we r r o ra n ds t a b i l i t yo ft h e s y s t e ma r ea n n y z e df i n a l l y , t h ec h a r a c t e r so f t h ec o n t r o ls y s t e ma r ep r e s e n t e d i n c h a p t e r4 ，p l cp r o g r a mm e t h o da n dt h ec h a r a c t e r so f $ 7 4 0 0s e r i e s a r e i n t r o d u c e di nb r i e f it h ee x p r e s s i o n so f p l cb yi d e f oa r ea l s op u tf o r w a r da t t e n t i o n a r em a i n l yf o c u s e do nt h em o d u l a rd e s i g no fp l cp r o g r a m ，f l o wf i g u r eo fe a c h s u b s y s t e m ，t h ea s s i g n m e n to ft h ep r o g r a mf u n c t i o nb l o c k ，t h ec o m m u n i c a t i o n p r i n c i p l eb e t w e e np l ca n du p - l e v e rc o m p u t e ra n dt h et i m i n gs e q u e n c ed i a g r a mt h e t e s ts t r a t e g yo f t h ep l c p r o g r a mi sa l s op u tf o r w a r d i nc h a p t e r5 ，i d e f 0m o d e l i n gi su s e dt oa n a l y z i n gt h ec o n t r o lp r o g r a mo f u p l e v e rc o m p u t e rf u r t h e r m o r e , t h ed e s i g no ft h ef u n c t i o nm o d u l eb ) o c ko ft h e m o n i t o r i n gc o n t r o ls y s t e mo f u p l e v e rc o m p u t e ri si n t r o d u c e dt h e n ，t h ed e s i g no f t h e m a i nc o n t r o li n t e r f a c ei sp e r f o r m e db a s e do nt h ea n a l y s i sb yi d e f 0s u b s e q u e n t l y , t h ec o m m u n i c a t i o np r o j e c to fu p - l e v e rc o m p u t e ri s d e s i g n e d ，f i n a l l y , t h et e s t i n g 浙江大学硕 学位论文 s t r m e g yo ft h es o f t w a r ea n dt h ec h a r a c t e r so ft h em o n i t o r i n gc o n t r o ls y s t e ma r ep u t f o r w a r d i nc h a p t e r6 ，t h ew o r ka n da c c o m p l i s h m e n ti nt h er e c o n s t r u c t i o no fm w b p s c o n t r o ls y s t e ma n ds o f t w a r ea r es u m m a r i z e d ，a n dm o r e o v e r , w a y st oi m p r o v et h i s s y s t e ma r ep o i n t e do u t k e yw o r d s ：s t e e lt u b e ；m e a s u r e ；w e i g h t ；p i n s t a m p ；b a n d ；s t e n c i l ；p l c ；s e r v o m o t o r ；e l e c t r o n i cd r i v et e c h n o l o g y ；m p ic o m m u n i c a t i o n ；p o s i t i o nc o n t r o l ； 1 1 1 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 钢管m w b p s 系统的开发现状 1 1 1 引言 钢管广泛地应用于机械、建筑和石化等行业，又是国防： 业的重要利料，用 于制造枪管、炮筒以及其他武器。 钢管的生产工艺种类繁多，生产过程非常复杂，生产设备也很庞大，以1 6 3 机组为例，热轧钢管生产流程如图1 1 所示。 叵 互 _ 匝蛋亏簖卜 蛩 厂_ 二二雨萄二二二二二二_ 二二二二j l l 毒萧 卜书虿l 一羔士1 兰竺兰 1 互 恒互三亟垂口一一一4 丕巫卜 垂卜 一感应加热炉h 标记打塑入库| 图1 一l1 6 3 机组热轧钢管生产工艺流程 按照工艺流程，管坯进入车问后按照工艺要求锯成定尺长度，然后依次经过 环形炉加热、三辊穿孔机穿孔、连轧机轧钢、定径机定径。j j n l i 成的钢管需要减 径的再加热后送至减径机上减径。从定径或减径机轧出的成品管，送至链式冷床 上冷却，冷却后锯成定尺长度的钢管( 有的需要热处理) 输送到斜辊式矫直机上 矫直，矫直后依次经过超声波探伤，水压机试验，随后进行其他各项精整工序。 精整后的成品管经过感应加热炉后进行涂油打捆入库。 钢管m w b p s 系统( m e a s u r e 、w e i g h t 、b a n d 、p i n s t a m p 、s t e n c i l ) 包括钢管称重、测长、涂色、打标、喷标，是对成品钢管进行长度、重量的检测、 打标、涂色，根据一定的标准把钢管定义为好管或坏管。然后把钢管的有关信息， 如炉号、班号、材料、长度、重量、生产厂家等按一定的标准标注在钢管表面。 由此可见，m w b p s 系统应该安排在钢管生产工艺流程的精整部分。 根据g b 2 1 0 2 - 8 8 规定，外径不小于3 6 m m 的钢管应在每根钢管一端的端部 有喷印、滚印、钢印或粘贴印记。印记应清晰明显，不易脱落。印记内容应包括 钢的牌号、产品规格、产品标号和供方印记或注册商标。具体不同类型的管子有 浙江大学硕l 学位论文 个同的印记内容。 随着我闻加入w t o ，国内f 训而和国际市场的接轨，钢管r f _ 场同样面临一系 列的问题。围内钢管进入国际市场，必须遵守国际的相关标准。比如无缝钢管要 遵守陶际标准a p ls p e c5 c t ( 见表一所示) 。 过去，人部分的钢管厂家采用人工的方式进行测艟和标畦。人工测定钢管的 长度和重量，并把相关的内容根据国家标准， 涂料写在钢管上。有的钢管厂由 工人随意于写，字迹4 i 统一，有的用刷模的方式，宁迹相对工整。这种做法沿用 了很长段时间，部分厂家目前仍在使用。很明显，这些方法存在测量精度低、 劳动强度大、生产设率低、字迹不清楚等缺点。 表1 一la p is p e c5 c t 标准摘录 g b t8 】6 2 尺寸偏差 项目允许偏差 d 1 0 1 6 0 m m 0 7 9 m m 管体 外径 d 1 1 4 3 0 m m 0 5 接箍 1 壁厚 一1 2 5 0 单根 6 5 0 重量 - 3 5 0 车载量 一1 7 5 长度 项目范围l范围2范围3 油管6 1 0 7 3 2 m 8 5 3 - 9 7 5 m 套管 4 8 8 7 6 2 m7 6 2 - l 0 3 6 m1 0 3 6 - 1 4 6 3 m 从j 二个世纪9 0 年代开始，国内一些大型的钢铁公司的产品为了参与国际竞 争，耗巨资引进国外的整条流水线。这些进口的设备测量精度高、生产效率高、 劳动强度低、字迹统一规范。但是进1 3 设备成本高、要求工人素质高、维护成本 也高。落后的传统方法与高成本的进口设备都难适应国内的市场需求。因此，开 发研制同类产品已经迫在眉睫。 112 测长系统的开发现状 长度是钢管的主要规格指标之一，是成品钢管贸易结算的主要依据，每根钢 管的实际长度是喷标信息的重要组成部分。 钢管测长方法归纳起来有两种方案： 1 电荷耦合器件( c c d ) 钢管测长方梨6 】 目前鞍钢无缝钢管厂热轧二车间生产线的测长系统即采用此方案。该测长方 案包括精测和粗测两部分。图1 2 和图1 3 为系统的示意图。粗测部分由若干 光源( 激光器) 和光电传感器组成。每一点光源和光电检测器组成一条测试线， 各条测试线之间相互平行，且距离相对固定，每相邻的测试线之间的最大距离小 于c c d 器件精测的测量范围。当钢管的前端经过测试线时，光电检测系统发出 信号，将相应的i 0 信号送到单片机中。精测c c d 为摄像机，具有2 0 4 8 曝光 像敏单元。为提高测量精度和可靠性，采用透光法进行c c d 成像测量，即光源 和c c d 器件分别置于生产流水线的两侧。精测光源的光线一部分可以通过透镜 投射到c c d 器件上，另一部分则被钢管挡住，光线无法到达c c d 器件上，如 图1 3 所示。在精测过程中，钢管在不同位置时，c c d 器件上的亮区长度也不 相同。当钢管在生产流水线上向前运动时，如果其前端与粗测部分中某一条测试 线重合。而型钢又在精测范围内，此时，即可进行型钢的测长。单片机在这瞬间 同时进行粗测和精测。单片机检测型钢与哪一根测试线相遇，求出粗测的长度。 整个型钢由图1 2 可以看出，整个钢管的长度为： l = l 0 + l 1 + l 2( 1 1 ) 式中，l 为钢管总长，l o 为精测长度，l l 为某一固定轨道上精测的起点到 第一个测试线之间的距离，l 2 为第一条测试线到钢管在运动过程中到达的那一 条的测试线之间的距离。系统巧妙的将精测和粗测结合起来，实现对物体的长度 测量。精度可以达到l c m 。 待测钢管 点光源 图1 2 c c d 测长原理图 图1 3c c d 精测图 此方案具有系统硬件简单、速度快、可扩展性好等优点，但是也存在着对测 量环境要求高，设备安装调试不方便，维护困难等缺点，对于周围温差大、光线 不强、灰尘大的场合测量精度会受到很大影响。 2 数控钢管推动测长系统1 7 0 “数控钢管推动测长系统”主要用于成品钢管的精确测长，在推动过程中实 现动态测量，并为喷印作好定位对齐准备。本系统由机械推动、数字控制及精密 测量三部分组成，主要性能指标为：钢管测长范围：3 9 0 1 2 7 0 m ；测长精 浙目k 学硕士学位论文 度：2m m ；测长周期：2 0 一4 5 秒( 连续可调) ：测 乏原理图如图1 4 所示。 图1 4 测长原理图 钢管送到测长工位，p l c 检测到1 # 、2 # 光电开关变为高电平后，产生“钢 管到位”信号，并通过单片机系统通知上位机。上位机根据其它系统的情况和逻 辑控制要求产生“允许推动测量”信号传输给p l c 。p l c 得到“允许推动测量” 信号后，确认有钢管且系统一一切正常，便控制变频器驱动电机正转，推动钢管向 前移动。当钢管端面m ( 与推头接触的钢管端面) 与1 # 光电开关对齐的瞬间，1 # 光电开关状态发生跳变，此时p l c 立即发出复位信号给单片机系统，单片机系 统将光栅数显表置于复位状态，当钢管端两r f i 与2 # 光电开关对齐的瞬间，p l c 立即向单片机系统发出“测量开始”信号，单片机系统瞬间取消光栅数显表的复 位状态，光栅数显表开始正常计量，p l c 同时根据此瞬间3 # 1 4 # 光电开关的 状态得出“光电开关状态编码”，并以4 位b c d 码的形式锁存输出给单片机系统， 单片机系统根据此编码查表得到a n 值。当钢管另一端面n 和下一个光电开关对 齐的瞬间，p l c 向单片机系统发出“测量结束”信号，单片机系统立即锁定并采 样光栅数显表的测量值a 。推动继续，当终点接近开关动作时，电机停止( 每次 推动的距离相同，即起点接近开关到终点接近开关) 。约1 秒钟后，p l c 控制电 机反转将推头退回，当起点接近开关动作时电机反转停止，推头立即停下来。同 时，p l c 向单片机系统发出“推动测量结束”信号，单片机系统得到此信号后再 告诉上位机。至此，完成一个测量周期。则钢管的长度为： l = a n 一口+ 占( 1 2 ) 式中6 为系统误差，计量检定后从单片机系统键盘上键入。 该测长系统已经应用在成都无缝钢管总厂的周轧分厂合金工段。具有精度 高、测长周期短、系统可靠性好等优点。但是在振动大的场合，会影响小车运动 的平稳性，使得测量的误差偏大。同时若现场大型动力设备多，电磁干扰严重， 也会增加系统的不稳定性。 由以上分析可知，国内研制的测长系统在一定意义上已经比较成熟，只要在 现有的基础上加以改进，即可设计出高精度、高效率的测长系统。 浙汀大学硕上学位论文 1 1 3 称重系统的开发现状 重量同样是钢管的主要规格指标之一，也是成品钢管贸易结算的主要依据。 现在获得钢管重量的方法有两利r ： l 、计算法 计算法是依据手工测得的钢管托度信息，按照管径、壁厚等参数根据公式计 算出钢管的重量。显然，这种做法精度低、与钢管的实际重量往往存在较大误差。 2 、在线称重仪 通过称重传感器检测钢管的重量信号，经处理、放大、进行a d 转换，再经 数字滤波等工作，最后将钢管的实际重量通过显示器显示出来。 这种方式具有稳定性高、速度快的优点，适合于钢管生产的自动化。闭内外 大部分钢管公司都采用此方式，如包钢热轧带钢辊道自动称重系统、鞍钢无缝钢 管厂石油管车间的在线称重测长系统、莱钢钢坯称重计算系统以及i n f o s i g h t 公 司的w m s 系统等。 目前，国外的专业厂家已经开始采用专业的压力传感器，研制出通用的称重 模块，实现了自动化、高精度的称重。国内厂家也开始了研制和开发，最终产品 基本上能达到标准所规定的精度要求，可实现自动控制，如宁波柯力传感器制造 有限公司生产的称重模块，青岛格力特公司的称重模块等。表1 2 列出了部分 称重模块的技术参数。 表1 2 称重模块技术参数 图称重模块 m e t t l e rt o l e d o 宁波柯力意大利g 盯l 诅n 静载 动载z s 系列 t c 额定容量t05 ，1 ，2 ，3 ，5 ，5 ，1 0 ，1 5 ，2 0 ，o1 2 0 1 0 ，1 5 ，2 02 5 灵敏度m v v 2 00 0 22 00 0 22 极限过载r ，c3 0 0 3 0 0 3 0 0 安全过载rc1 5 0 15 0 1 2 0 输入阻抗q3 8 5 4 0 04 0 0 一1 5 + 8 53 0 + 7 02 0 + 6 0 工作范围。c 1 0 4 0一2 0 + 5 0 温度补偿。c 蠕变3 0 分r0 0 0 2 + n0 2 + 0 ( ) 6 浙江大学硕_ 学位论文 1 1 4 打标系统的开发现状 打标能大大提高产品档次，树立品牌形象及防伪，为企q k 提供产品的可追索 性( t r a c e a i = l i ，f ) ，从而更好地贯彻i s 0 9 0 0 0 标准。 近年来，各种工作原理的打标机层出不穷。其中，气动打标机采用了一种新 型打标工艺，它是山计算机控$ , j t j 一印针运动的高速打印设备，其工作原理是打标 针在压缩空气作用f 作每秒3 0 0 次高频冲击运动，同时计算机控制打标针在x y 平面内按一定轨迹运动，从而在工件表面上打印出密集点阵构成的字符的复合图 形。该方法具有标记图案变化灵活等优点。激光打标机也得到了广泛的应用，但 是激光打标机的寿命受到激光器本身寿命低和缺乏长期稳定性的缺点的制约，而 且成本较高，因此多用于特殊场合。液压打标机具有打印深度深、标记清晰、不 易磨损的特点，但需要配备专门的液压装胃。 钢管打标系统中采用较多的是气动打标机。目前国外已开发出比较成熟的打 标设备，功能强大，能打出各种设定的字符甚至是中文。设备采用了许多先进的 技术，特别是打标头部分的设计。表1 3 列出了部分公司的打标机的技术参数。 表1 3 打标机技未参数 i n f o s i g h t t e l e s i se a s t 、 ，a r d i d 8 4 0 0 0 t 口3 l o o 气动打标机( c m 3 ) 速度每秒3 - 8 个2 号字符每秒5 个2 号字符每秒3 - 5 个2 号字符 1 0 0 m m 直线 深度 0 0 l 一0 3 m m0 0 l 一0 2 删n0 0 1 2 m m 工作要适应卅i 平整工作表面适应不平整工作表适应不平整1 ：作表 求面囱 字体形点阵式5 7 、7 9 、1 l 1 6点阵式点阵式 a 1 1 5 涂色系统的开发现状 涂色是钢管标记的一种方法，根据钢级的不同在钢管上涂上相应颜色、相应 宽度的色带。涂色颜色有棕色、蓝色、绿色、紫色、红色、白色、黄色等，色带 的宽度一般为2 5 m m ，间距为2 5 r n m 。 根据i n f o s i g h t 公司，天津钢管公司，包钢，上海宝钢等国内外大型企业的 涂色系统的设计，其涂色方法归纳如下： i 、人工方式 工人根据要求把涂料涂到管子的适当位置。这种方法明显存在很多缺点：首 先工人的劳动强度很大；其次涂色很不均匀，看起来极不规整j 再次生产效率低。 显然，这种方式已经不适合现代化生产的需要，已逐步被淘汰。天津钢管公司管 6 j 口工厂的涂色设备就曾采用此种方式。 2 、采用电机带动涂色滚轮进行涂色 采用这种方式工作效率高，而且涂色迅速、色环均匀。目前这种设备已经被 广泛的应用，逐渐取代原先的手工方式。如i n f o s jg h t 公司，天津钢管公司的某 些机组等。 3 、采用电机带动涂色刷进行涂色 这种方式钢管静i k 不动，涂色刷在电机的带动下绕着钢管旋转进行涂色。工 作效率高，涂色均匀，但是涂料的飞溅大，对环境污染严重，因此，逐步被涂色 滚轮涂色所代替。 1 1 6 喷标系统的开发现状 钢管的喷标是国际国内标准明确要求的内容。 国外早已开发出钢管的喷标设备，而且设备功能强大，能喷各种各样的字符 甚至中文，设备采用了各种先进技术，尤其是喷头部分的设计。例如美国著名喷 标机公司v i d e o j e t 、m a r s h 以及英国w i l l e t ，丹麦m a g n e m a g 公司、i n f o s i g h t 公 司的s p r a ym a r k i n gs y s t e m 。其中丹麦m a g n e m a g 公司的喷标机能满足冶金企 业的恶劣要求，已经应用在鞍钢，酒钢等钢铁公司，但是其价格昂贵，约为2 5 0 万人民币，涂料每升约8 0 0 元。 过去国内对喷标系统的研究比较少，一般依靠进口国外先进设备。直到二十 世纪九十年代才开始有少数机构对钢铁行业的喷标进行研究。其中杭州钢铁公司 的热轧钢坯喷标机采用七段码方式进行喷标“1 。其原理是用水基白色涂料在压缩 气体的作用下在热钢坯上喷上所需号码。图l 一5 为该系统使用的喷头示意图。 压缩空气喷嘴 ( 其十个) 涂料供 涂料供 七段码巾的一。段 料供应管 图1 - - 5 喷头结构示意图 在喷头结构示意图中，通向7 段“笔划”的涂料管彼此连通，同时供应涂料 浙江大学硕士学位论文 而7 个压缩空气的i 赛嘴足独立控制的，只有当该段有压缩空气喷出时，涂料才会 随之流出而形成喷雾并在钢坯上喷出笔划。对7 个空气i 喷嘴进行组合控制即r 可喷 出所需的号码。七段码方式唢号，喷头的设计相对简单，号码的变换转化为对7 个压缩空气喷嘴的控制，控制系统得到简化，具有较高的可靠性，号码调艇灵活， 1 i 需要更换字模，喷标速度快等优点。但是，与点阵，不同，在七段码中，缺少 笔划将使号码失去意义，因此必须保证每一笔划的可靠i 喷射。这既要保证喷头有 良好的雾化和喷射的可靠性，【乜要对控制电路作出保证，必须增加工作状态检测。 同时，该喷标系统也存在如下问题：在高热环境下，涂料立即凝结在喷头上， 很快堵塞喷头：涂料的雾化效果不好：不适合在曲面的钢管1 - _ 进行喷标。但是我 们可以从中得到一些启示：采用点阵式的喷头，以点阵式形成字体的方式比较适 合钢管表面的喷标；利用白色涂料作为喷标介质；利用压缩空气作为涂料喷射的 动力。 1 i 7 软件系统的开发现状 控制软件是系统的“大脑”，控制着所有的动作，包括下位机系统和上位机 监控系统的开发。f 位机系统担负了系统控制的绝大部分工作，实时地读取现场 传感器信号，控制变频器、电机、接触器等有序地执行生产指令。上位机系统处 理整个系统的监控，处理用户的输入命令并及时反馈工作信息。 斤前下位机系统开发一般有两种方案： 1 ) 单片机方式由于单片机受环境影响较为严重，在钢管生产的恶劣环境 中，各种干扰使得系统的故障率极高。所以此种方式己逐步被淘汰。 2 ) p l c 方式p l c 能够适应现场恶劣的条件，而且由于采用了大规模集成 电路和计算机技术，因此可靠性高、逻辑功能强，且体积比较小。p l c 采用面向 用户的梯形图编程，使得编程简单易学，同时p l c 还具有完善的监控和诊断功 能，内部工作状态、通信状态、i 0 点的状态及异常状态均有醒目的显示，维修 人员可以及时准确地发现和排除故障，大大缩短了维修时间。因此p l c 被广泛 地用作下位机控制各个部件。 监控系统的开发根据用，1 的不同要求和开发者的偏好可以选择多种平台进 行开发。监控系统必须能自动监控系统各工位的工作状态，打印、喷印的字符、 测长、称重结果，并且可以按照使用的要求实现具体的查询，进行统计结果及不 同方式的显示。 目前国内生产线的监控系统一般采用两种方案。 1 ) 选择跟p l c 相应的组态软件或者购买其他的组态软件自行开发。 组态软件利用系统提供的工具，通过简单形象地组态，就可以完成上位机与 下位机的通信、历史趋势曲线绘制等功能。编程相对容易。但是也存在一些缺点： 首先组态软件的价格一般较贵，尤其是国外的组态软件，而且开发的限制条件较 浙江大学硕士学位论文 为严格，例如西门。r 的w i n c c ，本身的价格就较为昂贵，还要购买仃芙的授权 软件，又增加了开发的成本，而目由于它本身在串口通讯、复杂报表设叫等方面 存在一i 足，使得开发系统的数据库存在一定的难度。其次由于监控系统操作界面 的浯言没有汉化，要求工人具有较高素质，操作很不方便。 2 ) 选择丌发者鞍为熟悉的软件作为甲台，自行开发监控系统。 这样开发者可以不受制于组态软件本身开发的局限性，根据系统本身的要求 选择最适合开发的工具，用最低的成本满足用户的要求，同时也开发了自己的产 品。但是需要开发者花费一定的精力去学习软件和编程；软件跟p l c 不能建立 卣接通讯，需要借助其他软件或动态链接库。 1 2 钢管m w b p s 系统开发的必要性 现在国内有近百家钢管生。厂家，除了几家最大型的钢管公司具备雄厚的资 金实力，能从国外引进专业的生产：设备，其他企业的生产设备都很落后。有一些 公司自己组织技术力帚进行技术攻关也研制出了一些产品，能在一定的程度上解 决问题，但产品大体上存在以下一些问题： ( 1 ) 设备大都只能完成单。的任务，不能在自动生产线上和其他设备一起 工作，使得生产效率依然低下，不能从根本上解决问题。 ( 2 ) 产品的技术开发水平还停留在二十世纪八十年代的水平。由1 ：这些产 品大多是工厂自己组织力量开发研制的，技术水平达不到国外的最新 发展动态：开发设备的精度低、可靠性差。以喷标工位的喷头为例， 由于国内的精加工技术、特种材料制造技术的落后，自行设计的喷头 可靠性差，直接影响生产。 ( 3 ) 产品的稳定性不够。由于这些产品的：l 三要控制部件采用了单片机控 制，在钢管生产的恶劣环境中，各种干扰使得系统的故障率极高。 ( 4 ) 产品缺乏扩展性。易扩展性已成为现代产品的特征，缺乏扩展性的产 品将阻碍自动化的发展。 ( 5 ) 满足不了企业日益增长的企业管理功能。e r p 、p d m 实现程度已经成 为企业现代化的重要标志。企业的质量管理已经成为现代制造企业的 管理核心。每根钢管都有一系列的数据，这些数据在钢管的整个生命 周期里都很重要。过去自行开发的系统只考虑到在生产中的功能，而 忽略了在管理中的功能。 所有这些说明，开发研制高性能的测长、称重、打标、涂色、喷标等此类钢 管生产的辅助设备和完善的监控系统是非常必要的。 参考国外同类设备以及比较国内现有设备，可以提出开发钢管生产线上的 m w b p s 系统应具备的特点： ( 1 ) 系统强调控制和智能的全分散化，各个设备是具有自治功能的智能主体， 浙江大学坝士学位论文 相互之间商内聚、松耦合。某些局部协调通过p l c 自治完成，而上位f i 监控计算机实现大范嗣的协调等高级控制功能。 系统应该具有高稳定性、高可靠性。在结构设计上满足稳定性和可靠性的 要求。 完善的计算机监控功能。生产：现场的恶劣环境，不适宵工人在现场长时问 的操作，冈此要求在上位计算机_ 匕能够监控所有现场的运行情况同时具有 故障报警和自诊断功能，这样只要在控制室里就能“看到”现场的一切动 作。 友好的人机界面。系统软件具备图像界面，可以把不同画面，同时分别以 多单元以并行方式实时显示。要求能埘生产情况进行详细的管理，包括： 钢管各种数据的统汁、查洵、钢管是否符合要求的判别、喷标内容实时动 态跟踪、报表的打印、以及操作人员管理等一系列的管理1 ：作。 系统具有可扩展性。系统应具有e r p 接口，企业的信息化管理已经成为企 业发展必由之路，因此现在开发的系统耍为以后企业的信息化管理提供疗 便。 系统精度高和工作周期短。系统测长、称重精度高，打标、喷标速度快， 涂色效率高，整个系统可达到2 7 8 根4 , 时。测长系统的精度可以达到 2m m ，称重精度为国家三级，喷标速度最高可以达到1 2 0 m r a i n ，打标 速度每秒5 个2 号字符或2 0 0 m m 直线。 1 3 课题的来源 天津钢管有限公司( 简称天津大无缝) 是一家专业生产无缝钢管的现代化人 型冶金企业，是目前我陶最大的石油管村生产基地。公司主要技术设备分别从德 国、美国成套引进，拥有完备先进的在线和离线检测设备及技术分析手段，几年 来持续不断的技术改造和创新，使技术装备始终保持在世界先进水平。 然而面对日益激烈的市场竞争，天津钢管有限公司急需一套集测长、称重、 打标、涂色、喷标于一体的生产效率高、精度商、可靠性高的集成系统，来提高 生产效率、降低成本、提高竞争力。由于国外产品价格昂贵而且维护网难。 i 是， 我们跟天津钢管公司合作，在消化困外设备的基础上，借鉴国内厂家的开发经验， 根据国内企业的现状，着手开发研制套完整的m w b p s 系统。 1 4 论文的主要工作和意义 天津钢管公司m w b p s 系统的开发涉及到多学科，多专业，是集光、机、电、 和计算机一体化的产品。在经过一年多时间的开发、安装和调试，课题进展顺利， 已经在现场投入使召并通过省级鉴定。本论文主要完成以下工作： ) )、， ) q 心 b i ! _ | 江大学硕：l 学位论文 1 、通过对m w b p s 系统开发现状的分析，对m w b p s 系统进行了总体方案 设计。 2 、根据总体方案设计了以可编程序控制器为核心的控制系统。 3 、根据对伺服电机的研究，设计了交流伺服电机驱动的喷标系统。 4 、通过对系统工作原理和p l c 的研究，进行了p l c 程序设计。 5 、将人机工程学运川到系统一_ j ，设计_ r 上位机监控系统。 m w b p s 系统的研制成功填补r 国内空门，其检测精度和标识效果达到l j 上界 同类产品的先进水平。 浙江大学硕士学位论文 第二章m w b p s 系统总体设计 2 1m w b p $ 系统设计要求 m w b p s 系统共有i 个主体工位，分别是测长工位、称重工位、于丁标工位、 涂色工位、喷标工位，还包括上料工位以及下料工位二个辅助工位。系统的设计 要求如下： ( 1 ) 工作范围钢管外径：中4 8 ( 3 2 ) 中2 4 6 m m ；钢管重量：2 0 k g 1 0 0 0 k g ； 钢管长度；6 m 1 5 m ；喷标介质：白色涂料；打标喷标内容：计算机能编辑的任 意字符和图形： ( 2 ) 精度要求测长精度：2 m m ；称重精度：一3 5 6 ，5 ；打标深度： 0 0 1 o 2 m m 可调；打标范围：4 0 个2 号字符；喷标标高：1 0 5 0 m m 可选；涂 色：色带均匀；喷标打标字迹清晰： ( 3 ) 生产效率过管速度：最少2 7 8 根小时；打标速度：每秒6 个2 号英 文字符；喷标速度：o 1 2 0 m m i n ： ( 4 ) 自动化要求选择好喷标打标内容后，无需人工干预自动完成生产：自 动喷印管号，打标重号自动检测：采用视窗图形作为人机交互界面；具有自动报 警功能，急停功能，半自动、手动功能i 动态显示钢管参数；测长、称重、打标、 喷标数据保存并可上网：提供报表统计、查询，出库单打印等功能。 2 2m w b p s 系统总体设计 m w b p s 系统工作方式有自动、半自动、手动三种方式。自动方式是主要的 工作方式，不需要人工干预，能够自动完成测长、称重、打标、涂色、喷标、步 进梁的移位等工作。移钢机把管子从上料工位先移到测长工位；测长完成以后， 被移钢机转到称重工位；称重完成以后，被搬到打标工位：打标完成以后，又被 转到涂色工位：涂色工位完成后，管子被移交到喷标工位；喷标完成后，最后被 搬到下料工位，下料辊道把钢管送走。 手动控制主要用于系统的调试和处理异常情况。例如：检验一下各工位是否 运行正常，系统的运行情况是否正常等。 半自动控制流程中单工位的流程与自动流程一致，它是便于测试和手动操作 的一个灵活的流程。 m w b p s 系统各： 位的布置图如图2 1 所示。 浙江大学坝0 学位论文 液压油缸 l ! 旦j f o 七r 一- 丁 l j e 打标机 1 二二口 涂色滚轮 喷头 小车 上料，l ：位 互互ij 一! 卫d t t l 】- i 【- 亘二匝 工j ! 二口匝e 一 【1| i i 测长工位 u 丁一厂 一一1 r 一1 一广1 _ r r 广 西工亘 ! ： 匝玉工_ = 互工e 三丑叫 】匝二1 r 广 r 一! 厂 厂 厂 称重工位 ；上一阜4 一l 上j l 一 上j l l 一 再一毋i 皿卫ii 一脯工位 ul j _ jl ju ul l _ + l l 卜 一j + - l 一1 十 卜一涂色工位 1 _ nn 喷标工位 r _ r r i 一 卜_ ：_ 了一j 厂r u _ 一 一一一下料工位 图2 1m w b p s 系统各工位布置图 2 2 1 测长系统的设计 l 、系统组成 m w b p s 系统测长的系统构成如图2 2 所示，由图可以看出系统组成如f 发射光电传感器v 型台架钢管 图2 2 测长结构原理图 ( 1 ) v 型台架用来放置钢管，台架上带有尼龙垫。尼龙垫起到两方面作 用：一是用来保护钢管的表面在被推动的过程中不被台架划伤：另一 方面是用来增大钢管与台架之间的摩擦系数，增大两者之间的摩擦 力，增强钢管在被推动时运动的平稳性。 浙江，k 学硕士学位论文 ( 2 ) 推移油缸及汕路油缸的规格主要由所需的推移距离和推力来决定。 系统选用0 型的三位四通换向阀作为油路的t 要控制元件，当阀作用 在左位时，推杆回缩，当作有在右位时，推杆伸出，当阀作用在中位 时，四口全封闭，液压泵不卸荷，液压缸闭锁，这样，若系统出现异 常，使阀作川扯t 1 ，位，推杆能立即停止运动。 ( ”光屯传感器存垂直于钢管轴向的方向上等距布置2 4 对光忘传感器。 系统采用对射式的光电传感器，由发射管和接收管组成，负责检测钢 管的位置，若钢管从一时传感器的发射管与接收管的中间穿过，传感 器就会发出一个电平信号给p l c 。 ( 4 ) 齿轮、齿条，光电脉冲编码器齿条的一端连接在油缸推杆的伸出端， 与齿条啮合的齿轮通过联轴器与脉冲编码器相连。当油缸推动钢管时 带动齿条运动，同时齿条带动齿轮转动，而齿轮的转动带动脉冲编码 器转动，最终油缸推杆的沿钢管轴向运动的距离反映为脉冲编码器转 过的角度。 2 、测长原理 测长系统通过脉冲编码器与光电传感器配合计数的形式测长。参考图2 2 分析测长原理如下：当移钢机将钢管移到测长工位时，安装在工位上的钢管到位 信号传感器立即动作，p l c 启动测长操作，测长油缸推动钢管前进。2 4 对光电 管中被钢管挡住的状态为i ，没有被挡住的状态为0 。在推动过程中编码器开始 计数，如有光电管的状态从0 变为1 ，p l c 计数模块就清零，编码器就重新开始 计数，以此类推，当推杆触发行程末端开关时，编码器就停止计数，然后推杆返 回，测长过程结束。p l c 将钢管的最终状态和编码器的数值传送给上位机，最终 由j ! 二位机计算出钢管的长度。最终一个管子的长度为： l = l i + l 2 ( 2 1 ) 其中，l l 是推杆推到底时钢管头部与尾部最后经过的那对光电传感器的距 离，l 2 是编码器的数值脉冲当量，如式2 2 所示： l 2 = n x l ，p ( 2 2 ) 式中，n 为高速计数模块的绝对计数值，即正向计数值减去负向计