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1、鋼管自動(dòng)分鋼儀及其控制系統(tǒng)
摘要：近年來(lái)隨著油套管制造標(biāo)準(zhǔn)的日益提高，對(duì)其質(zhì)檢環(huán)節(jié)的要求也越來(lái)越嚴(yán)苛，其中的混鋼檢驗(yàn)由抽檢升級(jí)為必檢，并需追溯每根鋼管的成分信息;我們通過(guò)引入鋼管自動(dòng)分鋼儀提升了工作效率、滿足了質(zhì)檢要求。
關(guān)鍵詞：分鋼儀;自動(dòng)化控制
Steelpipeautomaticsteelseparatoranditscontrolsystem
WANGHui
〔EngineeringDesignInstituteofBaosteelEngineering&TechnologyGroupCo.，Ltd.，Shanghai，202100〕
Abstract：Inrecenty
2、ears，withtheincreasingstandardofoilcasingmanufacturing，therequirementsforitsqualityinspectionarebecomingmoreandmorestringent.Theinspectionofmixedsteelisupgradedfromsamplinginspectiontomandatoryinspection，andthecompositioninformationofeachsteelpipeneedstobetraced;Throughtheintroductionoftheautomatics
3、teelpipeseparator，theworkefficiencyisimprovedandthequalityinspectionrequirementsaremet.
Keywords：Steelseparator;Automationcontrol
0引言
在油套管生產(chǎn)線的質(zhì)檢環(huán)節(jié)中普遍采用光譜分析儀〔下文簡(jiǎn)稱分鋼儀〕對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行化學(xué)成分分析，然后與標(biāo)準(zhǔn)成分進(jìn)行比對(duì)，以判斷產(chǎn)品是否合格。寶鋼鋼管廠管加工4#線于2021年投產(chǎn)，在生產(chǎn)過(guò)程中采用手動(dòng)分鋼作業(yè)，即作業(yè)人員手持光譜槍，單眼對(duì)準(zhǔn)鏡頭，然后光譜槍激發(fā)后產(chǎn)生火花，通過(guò)查看鏡頭內(nèi)由火花產(chǎn)生的光線，從而確定鋼管元素的成分及含量。人
4、工光譜槍僅僅能顯示分析過(guò)程中存在的元素，光譜槍無(wú)法自動(dòng)判斷被分析鋼管是否混鋼，需要人工對(duì)顯示的光譜進(jìn)行判斷是否混鋼，因此勞動(dòng)強(qiáng)度高，作業(yè)效率低，長(zhǎng)時(shí)間的人工光譜作業(yè)還容易導(dǎo)致作業(yè)人員眼部疲勞;同時(shí)利用經(jīng)驗(yàn)對(duì)光譜進(jìn)行分辨可靠性低，有誤檢誤判的風(fēng)險(xiǎn)，存在較大的質(zhì)量隱患。因此為了優(yōu)化現(xiàn)有操作方式、提高生產(chǎn)效率，在生產(chǎn)線上新增一套自動(dòng)分鋼儀，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管進(jìn)行自動(dòng)混鋼檢驗(yàn)。
分鋼儀是對(duì)鋼管合金元素含量進(jìn)行檢測(cè)分析的設(shè)備，用于檢查鋼管在生產(chǎn)過(guò)程中有沒(méi)有混入不同鋼級(jí)和不同合金元素含量的鋼管。其檢測(cè)設(shè)備為光譜槍，采用的是原子發(fā)射光譜學(xué)的分析原理，被測(cè)物體通過(guò)光譜槍的電弧或火花放電激發(fā)生成原子蒸氣，該蒸
5、氣中的原子與離子被激發(fā)后產(chǎn)生發(fā)射光譜，發(fā)射光譜通過(guò)光導(dǎo)纖維進(jìn)入到光譜儀的分光室中，色散成各光譜波段，根據(jù)每個(gè)元素發(fā)射的波長(zhǎng)范圍，通過(guò)光電倍增管可以測(cè)量出每個(gè)元素的最正確譜線，每種元素的發(fā)射光譜譜線強(qiáng)度正比于樣品中該元素的含量，通過(guò)光譜儀內(nèi)部預(yù)先存儲(chǔ)的校正曲線可測(cè)定其含量，并直接以百分比濃度顯示出來(lái)。
新增的自動(dòng)分鋼儀主要由機(jī)械設(shè)備、電控設(shè)備、光譜槍及分析儀器等組成。其中機(jī)械設(shè)備主要布置在分鋼儀箱體中，包括夾緊氣缸、窗門(mén)氣缸、檢測(cè)移動(dòng)裝置氣缸、平移多位氣缸、槍頭升降氣缸、打磨升降氣缸等;此外分鋼儀的光譜槍也安裝固定在箱體內(nèi)的升降氣缸上。分鋼儀箱體設(shè)備布置見(jiàn)圖1-1。
電控設(shè)備為分鋼儀電控柜，
6、主要由1套PLC系統(tǒng)和1臺(tái)工控機(jī)等組成。PLC負(fù)責(zé)分鋼儀箱體內(nèi)各機(jī)械設(shè)備的動(dòng)作控制;工控機(jī)負(fù)責(zé)與PLC和分析儀器通訊，對(duì)分鋼儀進(jìn)行操作并將分析結(jié)果上傳至主線上位機(jī)等。此外分鋼儀的分析儀器也安裝在電控柜中。電控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1-2。
光譜槍及分析儀器選用德國(guó)SPECTROTEST〔斯派克〕公司的TXC35光譜儀，包含光譜槍、分析儀器小車(chē)及其分析軟件等，其中光譜槍固定在機(jī)械設(shè)備中，分析儀器安裝在分鋼儀電控柜中。光譜槍及分析儀器見(jiàn)圖1-3。
鋼管被輸送到自動(dòng)分鋼工位，分鋼儀箱體上的夾緊裝置將鋼管夾緊固定，分鋼儀箱體窗門(mén)翻開(kāi)，箱體內(nèi)的打磨裝置上升對(duì)鋼管下外表進(jìn)行打磨并吹掃氧化鐵皮，打磨結(jié)束后
7、打磨裝置降回箱體內(nèi)，然后光譜槍上升對(duì)鋼管擊發(fā)電弧并進(jìn)行成分分析，之后光譜槍也降回到箱體內(nèi)。假設(shè)檢測(cè)合格沒(méi)有混鋼，那么夾緊裝置翻開(kāi)，鋼管被輸送到下一個(gè)工位;假設(shè)檢測(cè)不合格，那么光譜槍先平移一小段，避開(kāi)鋼管下外表第一次的擊發(fā)點(diǎn)，然后光譜槍上升并再次對(duì)鋼管進(jìn)行分鋼檢測(cè);假設(shè)連續(xù)三次檢測(cè)不合格，那么分鋼儀報(bào)警，作業(yè)人員對(duì)混鋼的鋼管進(jìn)行人工標(biāo)記并在后續(xù)工位將其移除。
電控系統(tǒng)主要由PLC、工控機(jī)及其軟件組成。其中PLC選用西門(mén)子S7-300系列，中央處理單元為CPU315-2PN/DP，帶工業(yè)以太網(wǎng)接口，可直接通過(guò)交換機(jī)連接工控機(jī)及分析儀器。PLC通過(guò)其DO點(diǎn)驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)閥臺(tái)上的電磁閥來(lái)控制分鋼儀箱體
8、內(nèi)的夾緊氣缸、窗門(mén)氣缸、多位平移氣缸、升降氣缸、磨頭氣缸等的動(dòng)作，從而完成固定被測(cè)鋼管、打磨被測(cè)鋼管外表的氧化鐵皮、移動(dòng)光譜槍至擊發(fā)位置并給出擊發(fā)命令等任務(wù)。此外每個(gè)氣缸的行程目標(biāo)位置上都安裝有磁性開(kāi)關(guān)，信號(hào)均送入PLC的DI點(diǎn)，PLC通過(guò)獲取各機(jī)械元件的位置狀態(tài)，再根據(jù)工藝連鎖要求，從而有序完成分鋼儀箱體內(nèi)機(jī)械設(shè)備的各項(xiàng)動(dòng)作。PLC還通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式與主線控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，根據(jù)主線控制系統(tǒng)給出的料流到位信號(hào)來(lái)啟動(dòng)自動(dòng)分鋼作業(yè);分鋼結(jié)束后，再向主線發(fā)出作業(yè)完成信號(hào)，主線控制系統(tǒng)再將鋼管從分鋼工位輸送至下一工位。
工控機(jī)放置在分鋼儀電控柜中，電控柜上設(shè)可開(kāi)啟的檢視玻璃窗，內(nèi)放顯示器，柜門(mén)設(shè)鍵盤(pán)抽
9、屜，可在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)工控機(jī)進(jìn)行操作。工控機(jī)內(nèi)運(yùn)行分鋼儀的HMI操作界面，由西門(mén)子WinCC開(kāi)發(fā)，可以顯示各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，操作設(shè)備動(dòng)作，設(shè)置運(yùn)行參數(shù)，查看分析結(jié)果等。工控機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)與PLC、分析儀器進(jìn)行通訊。其中通過(guò)讀寫(xiě)PLC中的數(shù)據(jù)，可在HMI界面上顯示分鋼儀箱體中各機(jī)械元件的位置和動(dòng)作狀態(tài);還可以在畫(huà)面上對(duì)分鋼儀箱體進(jìn)行手動(dòng)單步操作，以判斷分鋼儀箱體內(nèi)各機(jī)械元件的狀態(tài)是否正常。通過(guò)讀取分析儀器中的數(shù)據(jù)，可在HMI界面上顯示儀器的各種運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警信息、光譜槍擊發(fā)后的分析結(jié)果〔鋼管的各組成元素種類、各元素的含量、邊界、牌號(hào)標(biāo)準(zhǔn)、擊發(fā)日期和時(shí)間等數(shù)據(jù)〕等;此外工控機(jī)還可對(duì)分析儀器發(fā)出命令電文對(duì)其進(jìn)行
10、遠(yuǎn)程控制，如儀器校準(zhǔn)、光譜槍擊發(fā)、開(kāi)始分析、結(jié)束分析、單次測(cè)量等。HMI操作界面見(jiàn)圖3-1。
工控機(jī)除了運(yùn)行WinCC開(kāi)發(fā)的HMI操作界面外，還運(yùn)行通信軟件，負(fù)責(zé)與PLC、與分析儀器之間通過(guò)以太網(wǎng)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。通信軟件主要分為通信模塊、PLC讀寫(xiě)模塊、業(yè)務(wù)處理模塊等。
1〕通信模塊
采用基于Socket協(xié)議的方法跟分析儀器的Event_Server〔事件電文〕、Command_Server〔命令電文〕進(jìn)行通信。Socket的兩個(gè)程序通過(guò)一個(gè)雙向的通信連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，其中每個(gè)連接的一端稱為一個(gè)Socket。至少一對(duì)端口號(hào)〔Socket〕進(jìn)行連接通訊，確保軟件讀取分析儀器信息的準(zhǔn)確、穩(wěn)定和高
11、效。采用編程接口的方法〔API〕，對(duì)TCP/IP電文進(jìn)行封裝，TCP/IP提供系統(tǒng)軟件所用的接口;采用HTTP進(jìn)行封裝或者顯示數(shù)據(jù)的具體形式;Socket負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信。系統(tǒng)采用最優(yōu)化的通信技術(shù)，通過(guò)高效而可靠的存儲(chǔ)方式來(lái)提高Socket傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、穩(wěn)定性。主要表達(dá)在，系統(tǒng)通過(guò)隊(duì)列的方式來(lái)存儲(chǔ)接收到的完整電文，解決Socket通信過(guò)程中產(chǎn)生的拆包、粘包問(wèn)題造成的通訊不穩(wěn)定和通訊中斷問(wèn)題。
2〕PLC讀寫(xiě)模塊
通過(guò)配置的西門(mén)子S7-300PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的動(dòng)態(tài)連接，庫(kù)Prodave6.0來(lái)對(duì)PLC進(jìn)行讀寫(xiě)操作。
3〕業(yè)務(wù)處理模塊
主要功能如下：
接收Event_Server事件電文分
12、析結(jié)果，通過(guò)Prodave寫(xiě)入PLC。
接收Command_Server命令電文分析結(jié)果，通過(guò)Prodave寫(xiě)入PLC。
通過(guò)Prodave讀取PLC信息，分析結(jié)果，根據(jù)儀器狀態(tài)給Command_Server自動(dòng)發(fā)送指令電文。
電文通訊采用Socket通訊，長(zhǎng)連接形式。利用分鋼儀分析儀器xml文件特征標(biāo)記來(lái)判斷電文結(jié)束，而不是采用接收字節(jié)為零ReceivedBytes=0來(lái)判斷電文結(jié)束。
將產(chǎn)線上的手動(dòng)分鋼作業(yè)改造為自動(dòng)分鋼后，可大大減少作業(yè)人員的眼部疲勞、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)減少了人員的誤檢誤判，提高了質(zhì)檢作業(yè)的可靠性和工作效率。
參考文獻(xiàn)
工程設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].?冶金自動(dòng)化?，2021年，第03期：48-51
方法[J].?鋼管?，2021年，第03期：59-61
鋼管自動(dòng)分鋼儀及其控制系統(tǒng)
