李 鋼，韓保材

（北鋼管業(yè)（營口）有限公司，遼寧 營口 115007）

直縫埋弧焊管生產(chǎn)線鋼管橫向移動(dòng)采用輥道和橫移車聯(lián)合傳輸方式，HFW管線和螺旋焊管生產(chǎn)線用則采用滾動(dòng)傳動(dòng)方式。對于自動(dòng)化程度較高的生產(chǎn)線，鋼管在橫移車對應(yīng)輥道上的對中控制顯得尤為重要，直接影響鋼管在橫移車上的輸送效率與安全性。下面介紹通過兩個(gè)檢測開關(guān)和一個(gè)編碼器來實(shí)現(xiàn)鋼管的精確對中控制。

1 控制目的

直縫埋弧焊管由于其質(zhì)量的安全可靠逐漸被市場認(rèn)可，重點(diǎn)管線領(lǐng)域基本采用的是直縫埋弧焊管。隨著直縫埋弧焊管需求的增加，高端直縫埋弧焊管生產(chǎn)線也日趨增多。北鋼管業(yè)（營口）有限公司JCOE生產(chǎn)線自動(dòng)化程度較高，輔助連接設(shè)備除修磨崗位外，基本實(shí)現(xiàn)無人操作?？紤]到鋼管由于取樣以及有缺陷的管段切掉后，同一批訂單的管長也會(huì)不同，所以要實(shí)現(xiàn)輔連設(shè)備的自動(dòng)化操作，對鋼管在直線輥道上的對中提出了更高的要求?？刂茖χ械闹饕康氖潜阌跈M移車運(yùn)料，實(shí)現(xiàn)鋼管自動(dòng)傳輸，無需人工干預(yù)，防止鋼管在橫移車上由于對中偏差大而發(fā)生鋼管傾翻，造成設(shè)備損壞或人員傷害等。

2 設(shè)備組成及控制原理

2.1 有關(guān)參數(shù)及設(shè)備

2.1.1 鋼管參數(shù)

采用Φ406～Φ1 626 mm規(guī)格鋼管，長度9～18.5 m，厚度6～65 mm。

2.1.2 設(shè)備

（1）輥道速度采用變頻調(diào)速電機(jī)控制，變頻器采用西門子S120系列產(chǎn)品。

（2）編碼器安裝于測量輪上，測量輪為帶彈簧的自由輥，安裝于輥道間隙，其表面略高于V形輥道表面，以保證鋼管在運(yùn)輸過程中能與其充分接觸，確保輥道速度測量的準(zhǔn)確性。

2.2 硬件配置及工作原理

控制系統(tǒng)由PLC及外部控制對象組成。外部對象包括PS1及PS2兩個(gè)位置的檢測元件、增量編碼器及輥道調(diào)速裝置。

2.2.1 PLC控制器

PLC控制器選用西門子S7-300系列產(chǎn)品。其邏輯及算術(shù)運(yùn)算速度高，能滿足各種復(fù)雜、高速的實(shí)時(shí)控制要求，且具有很高的可靠性。其主要特點(diǎn)：①運(yùn)算速度快，在PID算法和數(shù)學(xué)函數(shù)運(yùn)算等方面特別突出，尤其適用于生產(chǎn)線自動(dòng)控制；②各種配套位置控制模塊齊全，性能優(yōu)越；③支持多種網(wǎng)絡(luò)接口，適合網(wǎng)絡(luò)化大系統(tǒng)應(yīng)用；④編程指令豐富，功能強(qiáng)，使用簡單方便；⑤結(jié)構(gòu)化編程功能強(qiáng)。

本系統(tǒng)選用的CPU型號為319-3PN/DP，其掃描時(shí)間不超過40 ms，資源占有率不超過70%。

2.2.2 光電編碼器

圖1 光電編碼器工作原理及輸出波形圖

光電編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，是目前應(yīng)用最多的傳感器，其工作原理及輸出波形如圖1所示。從圖1可以看出，圓盤上規(guī)則地刻有透光和不透光的線條，在圓盤兩側(cè)，安放發(fā)光元件和光敏元件，當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，光敏元件接收的光通量隨透光線條同步變化，光敏元件輸出波形經(jīng)過整形后變?yōu)槊}沖，碼盤上有之相標(biāo)志，每轉(zhuǎn)一圈輸出一個(gè)脈沖。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位差90°的兩路脈沖信號。

根據(jù)檢測原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式；根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式及混合式。

增量式編碼器及其原理與結(jié)構(gòu)：增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出3組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90°，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而Z相每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。增量式編碼器的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單，機(jī)械平均壽命可在幾萬小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長距離傳輸。

增量式旋轉(zhuǎn)編碼器通過內(nèi)部兩個(gè)光敏接受管轉(zhuǎn)化其角度碼盤的時(shí)序和相位關(guān)系，得到其角度碼盤角度位移量增加（正方向）或減少（負(fù)方向）。通過接入數(shù)字電路特別是單片機(jī)后，增量式旋轉(zhuǎn)編碼器在角度測量和角速度測量方面較絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器更具有價(jià)廉物美和簡單易行的優(yōu)勢。

圖2 旋轉(zhuǎn)編碼器工作原理及輸出波形圖

增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的內(nèi)部工作原理如圖2所示。A和B兩點(diǎn)對應(yīng)兩個(gè)光敏接受管，A和B兩點(diǎn)間距為S2，角度碼盤的光柵間距分別為S0和S1。當(dāng)角度碼盤以某個(gè)速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可知輸出波形圖中的S0∶S1∶S2比值與實(shí)際圖中的S0∶S1∶S2比值相同。同理，角度碼盤以其他的速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸出波形圖中的S0∶S1∶S2比值與實(shí)際圖中的S0∶S1∶S2比值仍相同。如果角度碼盤做變速運(yùn)動(dòng)，把它看成多個(gè)運(yùn)動(dòng)周期（在下面定義）的組合，那么每個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中輸出波形圖中的 S0∶S1∶S2比值與實(shí)際圖中的 S0∶S1∶S2比值仍相同。

通過輸出波形圖可知每個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的時(shí)序，具體見表1。

表1 AB運(yùn)動(dòng)周期時(shí)序表

我們把當(dāng)前的A和B輸出值保存起來，與下一個(gè)A和B輸出值做比較，就可以輕易得出角度碼盤的運(yùn)動(dòng)方向。若光柵格S0等于S1時(shí)，也就是S0和S1弧度夾角相同，且S2=1/2S0，那么可得到此次角度碼盤運(yùn)動(dòng)位移角度為S0弧度夾角的1/2，除以所消耗的時(shí)間，就得到此次角度碼盤運(yùn)動(dòng)位移角速度。

S0=S1，且S2=1/2S0時(shí)，1/4個(gè)運(yùn)動(dòng)周期就可以得到運(yùn)動(dòng)方向位和位移角度；如果S0≠S1，S2≠1/2S0，那么需要1個(gè)運(yùn)動(dòng)周期才可以得到運(yùn)動(dòng)方向位和位移角度。

2.2.3 檢測元件

PS1及PS2兩個(gè)位置的檢測元件采用TURCK，型號為NI75U-CP80-AP6X2磁感應(yīng)式接近開關(guān)。

2.2.4 輥道調(diào)速裝置

輥道成組傳動(dòng)輥道采用西門子G120系列變頻傳動(dòng)設(shè)備。

2.3 檢測元件安裝

編碼器安裝在一個(gè)非傳動(dòng)的測量輪上。兩個(gè)位置PS1及PS2檢測元件以及測量輥安裝在橫移車前的運(yùn)輸輥道之間。PS2位置檢測元件安裝在距離橫移車中心線2.5 m處，帶編碼器的測量輪固定在距橫移車中心線3.5 m處，PS1位置檢測元件安裝在距測量輪7.5 m處，具體位置如圖3所示。

圖3 不同管長鋼管對中檢測控制示意圖

3 控制過程

3.1 9 m管長的對中控制

（1）當(dāng)管子被直線輥道輸送通過測量輪，管端頭部到達(dá)檢測元件PS2時(shí)，觸發(fā)傳感器，PLC開始計(jì)數(shù)，同時(shí)測長增量編碼器也開始記錄測量輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)。

（2）管子繼續(xù)前進(jìn)，當(dāng)管尾到達(dá)檢測元件PS1時(shí)，PLC采樣當(dāng)前計(jì)數(shù)t，也就是鋼管運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。此時(shí)測量輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)為n。通過t、n和測量輪直徑D可計(jì)算出鋼管在時(shí)間間隔t所走過的長度L=πDn，從而計(jì)算出鋼管總長度L0=8.5+L，進(jìn)而計(jì)算出此時(shí)鋼管中心距橫移車中心距離T=L0/2－L+2.5。

（3）考慮到最短管長為9 m，當(dāng)鋼管管端觸發(fā)PS2接近開關(guān)時(shí)，鋼管管尾距離PS1接近開關(guān)只有0.5 m的距離，因此，PS1與測量輪之間的距離7.5 m已經(jīng)是極限值。鋼管繼續(xù)向橫移車中心運(yùn)行，同時(shí)，測量輪開始測量鋼管走過的距離，直到測量輪測量的距離為T時(shí)，鋼管就實(shí)現(xiàn)了對中。此過程中要保證測量輪始終被鋼管接觸，因?yàn)殇摴荛L度的一半為4.5 m，測量輪安裝位置距離橫移車中心線3.5 m，所以，當(dāng)鋼管對中時(shí)鋼管尾端可以保證與測量輪接觸。由于鋼管長度短，鋼管尾部離開PS1接近開關(guān)后，鋼管中心與橫移車中心距離較遠(yuǎn)，鋼管繼續(xù)保持原來速度恒速運(yùn)行，鋼管的對中減速距離T0由極限鋼管的最大慣性等確定。即當(dāng)T＞T0時(shí)，鋼管以原有速度進(jìn)行傳動(dòng)；當(dāng)T=T0時(shí)，PLC通過控制變頻輥道的運(yùn)轉(zhuǎn)速度來實(shí)現(xiàn)鋼管的降速及中心的精確定位。

3.2 18.5 m管長的對中控制

（1）當(dāng)管子被直線輥道輸送通過測量輪，管端頭部到達(dá)檢測元件PS2時(shí)，觸發(fā)傳感器，PLC開始計(jì)數(shù)，同時(shí)測長增量編碼器也開始記錄測量輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)。

（2）管子繼續(xù)前進(jìn)，由于鋼管長度18.5 m遠(yuǎn)大于PS1距離橫移車中心線距離11 m，鋼管繼續(xù)運(yùn)行時(shí)，不但管端越過橫移車中心線，鋼管中心線也會(huì)更加接近橫移車中心線。當(dāng)管尾到達(dá)檢測元件PS1時(shí)，PLC采樣當(dāng)前計(jì)數(shù)t，也就是鋼管運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。此時(shí)測量輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)為n。通過t、n和測量輪直徑D可計(jì)算出鋼管在時(shí)間間隔t所走過的長度L=πDn，從而計(jì)算出鋼管總長度L0=8.5+L，進(jìn)而計(jì)算出此時(shí)鋼管中心距橫移車中心距離 T=L0/2－L+2.5。

（3）考慮到鋼管最長為18.5 m，當(dāng)鋼管管端觸發(fā)PS2接近開關(guān)時(shí)，鋼管管尾距離PS1接近開關(guān)還有10 m左右的距離。鋼管繼續(xù)向橫移車中心運(yùn)行，鋼管尾部離開PS1接近開關(guān)后，此時(shí)鋼管尾部距離橫移車中心線為11 m，鋼管長度一半為9 m左右，鋼管中心與橫移車中心距離大約11－9=2 m左右，此時(shí)鋼管進(jìn)入對中減速控制，PLC通過控制變頻輥道的運(yùn)轉(zhuǎn)速度來實(shí)現(xiàn)鋼管的降速及中心的精確定位。

4 結(jié) 語

通過上述控制方法可以使9～18.5 m長度范圍內(nèi)的鋼管在輥道上的對中精度達(dá)到±60 mm以內(nèi)，足夠滿足橫移車接管、運(yùn)管的要求，避免了傳統(tǒng)對中方式對同一批鋼管的不同管長對中時(shí)出現(xiàn)偏斜嚴(yán)重的問題，能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行，從而大大減少了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度以及生產(chǎn)運(yùn)行成本。

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