0 引言
傳統(tǒng)鋼管生產(chǎn)廠(chǎng)家對(duì)鋼管信息采取人工報(bào)表的形式，不同工位操作員分別對(duì)通過(guò)該工位后鋼管生產(chǎn)信息、質(zhì)量信息及檢驗(yàn)信息進(jìn)行登記，一定時(shí)段后統(tǒng)一上報(bào)審核入檔，由于生產(chǎn)線(xiàn)工位繁多，人工報(bào)表常會(huì)出現(xiàn)鋼管信息不對(duì)應(yīng)、信息遺漏等錯(cuò)誤，導(dǎo)致了鋼管信息不能回溯跟蹤，造成生產(chǎn)上的極大不便。近年來(lái)，各個(gè)廠(chǎng)家開(kāi)始發(fā)展完善的鋼管信息跟蹤系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)上的每根鋼管添加條形碼標(biāo)識(shí)，通過(guò)條形碼統(tǒng)一各個(gè)工位的鋼管生產(chǎn)信息，以解決生產(chǎn)過(guò)程中的信息化孤島現(xiàn)象。
圖1 鋼管自動(dòng)噴碼系統(tǒng)裝置機(jī)構(gòu)圖
本文屬于寶雞鋼管遼陽(yáng)鋼管廠(chǎng)大口徑螺旋焊管生產(chǎn)線(xiàn)數(shù)字化自動(dòng)控制技術(shù)研究項(xiàng)目一部分，該廠(chǎng)原有添加條形碼標(biāo)識(shí)的方式為人工操作，鋼管到達(dá)指定添碼工位后工人將打印的條形碼貼紙貼于鋼管管端，在后續(xù)工位生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中貼紙往往會(huì)脫落或者污損，而且現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，工人在貼碼時(shí)存在安全隱患。本文依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況，設(shè)計(jì)了一套鋼管自動(dòng)噴碼系統(tǒng)，采用防磨損墨水對(duì)單根鋼管?chē)娪《鄠�(gè)條形碼，替代了原有的人工操作。
1 噴碼機(jī)構(gòu)及工作原理
本文系統(tǒng)噴碼裝置機(jī)構(gòu)如圖1所示。在相應(yīng)工位設(shè)置移動(dòng)小車(chē)，小車(chē)上有移動(dòng)導(dǎo)軌支撐噴碼頭，三組電機(jī)分別實(shí)現(xiàn)移動(dòng)小車(chē)和移動(dòng)導(dǎo)軌在X、Y、Z軸的動(dòng)作，使噴碼頭能全方位運(yùn)動(dòng)，滿(mǎn)足不同管徑鋼管的噴碼需求，同時(shí)，為了使條形碼在深色粗糙的鋼管表面更加清晰，在條碼噴印之前，需在鋼管表面噴涂白色快干底漆，機(jī)構(gòu)增加了噴漆桶并將噴漆頭安裝在噴碼頭上方，在同一工位完成噴漆噴碼麗道工序。系統(tǒng)噴碼流程如圖2所示，待噴印鋼管到達(dá)指定位置后，調(diào)整噴印位置，先噴底漆，再?lài)姸鄠�(gè)條形碼，噴印結(jié)束后整個(gè)機(jī)構(gòu)退回安全位置，準(zhǔn)備下一個(gè)鋼管。
圖2 系統(tǒng)噴印流程圖
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的鋼管自動(dòng)噴碼系統(tǒng)包括上位機(jī)、PLC、噴碼機(jī)、噴漆桶、伺服控制器、伺服電機(jī)、限位開(kāi)關(guān)和各種通訊模塊。其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。PLC配置以太網(wǎng)通訊模塊CP243-1，與噴碼機(jī)和上位機(jī)采用RJ45網(wǎng)線(xiàn)連接到交換機(jī)，建立以太網(wǎng)。PLC適時(shí)地給出數(shù)字量輸出控制噴漆桶上的電磁閥，通過(guò)氣管的打開(kāi)和關(guān)斷來(lái)完成噴漆動(dòng)作。
表1 PLC數(shù)宇量輸入輸出點(diǎn)功能和地址對(duì)應(yīng)關(guān)系表
上位機(jī)采用性能穩(wěn)定的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，通過(guò)交換機(jī)建立以太網(wǎng)，與噴碼機(jī)和PLC通信，將鋼管信息傳輸?shù)絿姶a機(jī)，計(jì)算得到不同軸位伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，傳輸?shù)絇LC用于控制噴碼噴漆過(guò)程。更重要的是，根據(jù)系統(tǒng)過(guò)程監(jiān)控、信息采集、模式選擇等各方面要求，設(shè)計(jì)了一套加載于上位機(jī)的人機(jī)界面程序，通過(guò)上位機(jī)就可以簡(jiǎn)單明了地執(zhí)行各種操作和監(jiān)視系統(tǒng)信息。
PLC采用西門(mén)子S7-200 CPU 224XP，集成14個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)，84-數(shù)字量輸出點(diǎn)。其中數(shù)字量輸入點(diǎn)與6個(gè)帶燈按鈕，2個(gè)鑰匙開(kāi)關(guān)，34-2位選擇開(kāi)關(guān)相連接。帶燈按鈕用于控制X、Y、Z軸的啟動(dòng)回零和噴碼噴漆啟動(dòng)，同時(shí)按鈕燈顯示系統(tǒng)部分狀態(tài)。鑰匙開(kāi)關(guān)用于選擇系統(tǒng)操作模式，選擇開(kāi)關(guān)控制X、Y、Z軸點(diǎn)動(dòng)，完成噴碼和噴漆過(guò)程。數(shù)字量輸出點(diǎn)與伺服控制器狀態(tài)點(diǎn)相連，通過(guò)指示燈顯示系統(tǒng)伺服狀態(tài)，與噴碼機(jī)狀態(tài)點(diǎn)相連，指示噴碼機(jī)報(bào)警。PLC各數(shù)字量輸入輸出點(diǎn)功能和地址分配如表1所示。PLC通過(guò)RS一485總線(xiàn)與伺服控制器通信，根據(jù)上位機(jī)得到的鋼管管徑等信息給出相應(yīng)指令，控制噴碼噴漆過(guò)程。
噴碼機(jī)采用日立公司PXR-D460W產(chǎn)品，所噴條形碼清晰防磨損，并且獨(dú)特的噴頭設(shè)計(jì)，避免了現(xiàn)場(chǎng)粉塵對(duì)噴碼頭的污染，適合長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，滿(mǎn)足了鋼管?chē)姶a要求。該型號(hào)噴碼器支持兩種通信方式，一種通過(guò)以太網(wǎng)口通訊，一種通過(guò)RS一232C通訊，兩種通信方式不能同時(shí)使用。本文系統(tǒng)選擇以太網(wǎng)口方式，與PLC通信，控制噴碼過(guò)程。而且該產(chǎn)品擁有完善的幫助提示系統(tǒng)，提供詳細(xì)的操作提示及詳細(xì)的故障處理方法，通過(guò)觸摸屏簡(jiǎn)體中文菜單操作，可以方便的設(shè)定所噴條形碼的長(zhǎng)度、寬度、數(shù)量、噴碼方向、噴碼速度等信息。噴印流程如圖2所示，只要PLC在特定時(shí)間給出數(shù)字量信號(hào)，噴碼機(jī)就可噴印出符合要求的條形碼。
圖3 鋼管自動(dòng)噴碼系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
伺服控制器采用路斯特ServoC產(chǎn)品，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電纜連接到配套的伺服電機(jī)，具有操作簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。三組伺服系統(tǒng)配置在X，Y，Z軸，在每個(gè)軸的兩端放置限位開(kāi)關(guān)，將信號(hào)線(xiàn)連接到伺服控制器相應(yīng)輸入點(diǎn)，結(jié)合伺服控制器軟件DRIVEMANAGER，選擇相應(yīng)模式，實(shí)現(xiàn)限位操作，在設(shè)置限位開(kāi)關(guān)的同時(shí)，在軸一側(cè)放置零位開(kāi)關(guān)，檢測(cè)噴碼機(jī)構(gòu)是否在零位，使結(jié)構(gòu)處于安全位置，防止工位上鋼管運(yùn)動(dòng)造成的撞擊。整套電氣設(shè)備與機(jī)械機(jī)構(gòu)相結(jié)合，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同工況完成自動(dòng)噴碼過(guò)程。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本文系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)由三部分組成，分別是S7-200程序、伺服控制器程序和人機(jī)界面程序。
3.1 S7-200程序
PLC程序由STEP7-MicroWIN編寫(xiě)。與上位機(jī)通信，讀取噴碼位置信息，并向上傳輸伺服控制器狀態(tài)、伺服電機(jī)位置等信息。與伺服控制器通信，控制驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)，根據(jù)具體噴印動(dòng)作，其控制流程圖如圖4所示。若伺服控制器出現(xiàn)故障警報(bào)應(yīng)及時(shí)采取措施，并將故障代碼傳輸?shù)缴衔粰C(jī)人機(jī)界面顯示。
圖4 系統(tǒng)PLC程序控制流程圖
3.2 伺服控制器程序
ServoC程序由DRIVEMANAGER軟件編寫(xiě)，有一套自己的指令規(guī)約，具有語(yǔ)句少而靈活的特點(diǎn)。三臺(tái)伺服控制器分別控制X、Y、Z軸電機(jī)動(dòng)作，噴印過(guò)程中各個(gè)軸的動(dòng)作如下。
X軸：X軸驅(qū)動(dòng)移動(dòng)小車(chē)的前進(jìn)和后退。設(shè)備上電后，若移動(dòng)小車(chē)不在零點(diǎn)位，則回零操作。若在零電位且待噴印鋼管已就位，驅(qū)動(dòng)小車(chē)向前勻速運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)到管端信號(hào)后慢速前進(jìn)，同時(shí)開(kāi)始噴底漆，一定距離后停止等待噴碼頭放下，然后慢速向后運(yùn)動(dòng)并開(kāi)始噴碼，最后結(jié)束噴印動(dòng)作快速返回零點(diǎn)，防止鋼管運(yùn)動(dòng)時(shí)撞擊到噴碼機(jī)構(gòu)。
Y軸：Y軸驅(qū)動(dòng)噴漆頭噴碼頭的上升和下降。在X軸前進(jìn)過(guò)程中噴漆頭慢速上升到給定位置，該位置信息由PLC根據(jù)不同管徑計(jì)算得出，噴漆結(jié)束后，噴碼頭下降，開(kāi)始噴碼，結(jié)束噴印后返回零點(diǎn)。
Z軸：Z軸驅(qū)動(dòng)噴碼支架的左移和右移。在X、Y軸到達(dá)指定位置后，支架向左移動(dòng)靠近管壁，到達(dá)合適噴漆距離，由于噴漆距離大于噴碼距離，結(jié)束噴漆后再向左微調(diào)開(kāi)始噴碼，結(jié)束噴印后返回零點(diǎn)。
為了完成噴印作業(yè)，三個(gè)軸的動(dòng)作必須同時(shí)協(xié)調(diào)進(jìn)行，若單獨(dú)對(duì)每個(gè)軸進(jìn)行程序編寫(xiě)，不僅語(yǔ)句麻煩而且容易造成通信紊亂。因此將每個(gè)軸的動(dòng)作分解為多個(gè)子步驟，采取統(tǒng)一的程序結(jié)構(gòu)，不僅降低了編程難度，而且PLC只需對(duì)同一指令存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行賦值，就可以實(shí)現(xiàn)不同軸位電機(jī)的不同動(dòng)作。其程序結(jié)構(gòu)如下所示。
％P()0
N240 JMP(H030=H031)N310
N250 JMP(H030=H032)N330
；步驟1
；步驟2
N260 JMP(H030=H037)N400 ；步驟n
N300 JMP N010
N310GOO ；步驟1，
回零
N320 JMP N010
N330…；步驟2
N340 JMP N010
N350 STOP B ；步驟n，
急停
N460 JMP N010
END
H030即伺服指令存儲(chǔ)區(qū)，H31，H032…H037中提前賦不同值，如從H031開(kāi)始依次賦1，2…n，則當(dāng)H030=H031=1時(shí)，執(zhí)行步驟一，當(dāng)H030=H032=2是，執(zhí)行步驟二，依次類(lèi)推，而且每個(gè)步驟能重復(fù)調(diào)用，便于多次作業(yè)。
3.3 人機(jī)界面程序
人機(jī)界面程序用C#語(yǔ)言編寫(xiě)，由多個(gè)畫(huà)面組成，可分為參數(shù)輸入輸出顯示、工作過(guò)程監(jiān)控和設(shè)備運(yùn)行界面三類(lèi)。
參數(shù)輸入輸出顯示界面，輸入包括鋼管重量、長(zhǎng)度、管徑、管號(hào)等鋼管基本信息，輸出包括計(jì)算出的噴碼高度、從噴碼機(jī)得到的條形碼高度、條形碼長(zhǎng)度、噴碼個(gè)數(shù)以及從伺服控制器得到的各軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度等信息。
工作過(guò)程監(jiān)控界面，包括系統(tǒng)的啟動(dòng)停止，操作模式的選擇、報(bào)警信息等，顯示PLC、噴碼機(jī)、伺服控制器等設(shè)備工作狀態(tài)，對(duì)各軸電機(jī)的動(dòng)作進(jìn)行模擬同步顯示，與各設(shè)備通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)通訊，更新數(shù)據(jù)和顯示數(shù)據(jù)。系統(tǒng)提供了手動(dòng)和自動(dòng)兩種操作模式，自動(dòng)模式是主要模式，也可方便地切換到手動(dòng)，完成特殊要求的噴印操作。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，根據(jù)故障代碼彈出相應(yīng)的報(bào)警畫(huà)面。
設(shè)備運(yùn)行界面，指在一個(gè)畫(huà)面上通過(guò)控件調(diào)用伺服控制器和噴碼機(jī)運(yùn)行界面。調(diào)用伺服控制器程序運(yùn)行界面，完成編寫(xiě)伺服程序，控制伺服動(dòng)作等操作。調(diào)用噴碼機(jī)運(yùn)行界面，可以設(shè)置和調(diào)整條形碼的高度、長(zhǎng)度、個(gè)數(shù)等信息，用于輸入輸出顯示。還可以控制噴槍動(dòng)作，在長(zhǎng)時(shí)間無(wú)操作時(shí)關(guān)閉噴頭，以防止灰塵污染噴頭。
4 通訊網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)
本文系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)由兩部分構(gòu)成，上位機(jī)、噴碼機(jī)和PLC通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接，PLC和伺服控制器通過(guò)RS485接口連接。需要解決PLC與三臺(tái)伺服控制器同時(shí)通信的問(wèn)題，成為本設(shè)計(jì)通信網(wǎng)絡(luò)建立的難點(diǎn)。
PLC與路斯特伺服控制器進(jìn)行基于LustBus的RS232通信，作為控制端可以對(duì)ServoC驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行讀參數(shù)和寫(xiě)參數(shù)，但是兩者的通信方式只能選擇自由口通信方式，意味著不能同時(shí)進(jìn)行讀寫(xiě)操作，需要在程序中加入中斷，以協(xié)調(diào)程序調(diào)用過(guò)程。
LustBus通訊協(xié)議是ASCII碼通訊協(xié)議�？梢允屈c(diǎn)對(duì)點(diǎn)，也可以是一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的主從通訊模式。通訊的數(shù)據(jù)位為7，停止位1，偶校驗(yàn)，波特率可以自由設(shè)定。
ServoC讀參數(shù)報(bào)文格式如下：
master：
EOT ADR CODE ENQ
device：
ADR STX CODE=VAL【ETX|BCC
或者參數(shù)無(wú)效時(shí)，
ADR NAK，
ServoC寫(xiě)參數(shù)報(bào)文格式如下：
master：
EOT ADR STX CODE=VAL ETX BCC
device：
ADR ACK
或者參數(shù)無(wú)效時(shí)，
ADR NAK
報(bào)文中ASCII碼最終轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制進(jìn)行發(fā)送。
對(duì)下關(guān)系如表2所示。
表2 報(bào)文ASCII碼轉(zhuǎn)16進(jìn)制對(duì)應(yīng)關(guān)系表
為了保證通信成功率，在進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)需要先對(duì)參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將報(bào)文每一位轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的ASCII碼，交換報(bào)文結(jié)束通訊后，在將ASCII碼轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)，因此，PLC與伺服控制器通信讀寫(xiě)參數(shù)中斷程序流程如圖5所示。
在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，單獨(dú)與一臺(tái)或者兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)器通信，設(shè)備完全正常，但是同時(shí)與三臺(tái)通信時(shí)，出現(xiàn)了多次通信不穩(wěn)定的情況，調(diào)整程序通信掃描時(shí)間后，避免了問(wèn)題的再次發(fā)生。
圖5 PLC與伺服控制器讀寫(xiě)參數(shù)中斷流程圖
5 結(jié)束語(yǔ)
本文系統(tǒng)電氣設(shè)備與機(jī)械結(jié)構(gòu)分別完成后，經(jīng)過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)二個(gè)多月的組裝調(diào)試，目前運(yùn)行良好。對(duì)每根鋼管的噴漆噴碼操作時(shí)問(wèn)不超過(guò)3分鐘，每管?chē)娪l形碼個(gè)數(shù)為5～7個(gè)，還可根據(jù)需求重復(fù)噴碼，有效保證噴碼作業(yè)的同時(shí)，不影響整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)上的鋼管運(yùn)動(dòng)，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。
隨著“西氣東輸”等工程的進(jìn)行，我國(guó)對(duì)石油天然氣管道的需求日益加大，各個(gè)鋼管廠(chǎng)家為了自身發(fā)展和國(guó)家戰(zhàn)略，都在努力提升生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量，中石油下屬?gòu)S家已經(jīng)開(kāi)始新一輪的自動(dòng)化技術(shù)改造，引入MES等先進(jìn)系統(tǒng)，以縮小與國(guó)際先進(jìn)企業(yè)的差距。
本文設(shè)計(jì)的鋼管自動(dòng)噴碼系統(tǒng)采用PLC控制伺服控制器，驅(qū)動(dòng)三部伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)上的鋼管自動(dòng)噴碼，噴印的條形碼包含了生產(chǎn)的所有信息，是鋼管信息跟蹤與發(fā)布系統(tǒng)的一部分，在合適的工位增加讀碼裝置，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量、檢驗(yàn)與過(guò)程信息無(wú)紙化傳輸及各崗位報(bào)表自動(dòng)生成，降低操作員工作強(qiáng)度，提高信息記錄的實(shí)時(shí)性準(zhǔn)確性，向整個(gè)車(chē)間和廠(chǎng)區(qū)MES發(fā)展。
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本文標(biāo)題：鋼管自動(dòng)噴碼系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)
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