婁 剛， 孫志剛， 江 淵， 李建明， 王遠(yuǎn)征，周書亮， 鞏忠祿， 韓志軍

（渤海裝備華油鋼管有限公司， 河北 青縣 062658）

0 前 言

螺旋埋弧焊管生產(chǎn)線由近40 個(gè)工序組成，工序間的焊管輸送通常采用直傳輥道和橫移車。其中， 橫移車機(jī)械結(jié)構(gòu)由小車車體、 電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪副和液壓升降機(jī)構(gòu)組成， 液壓升降機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鋼管的頂起或下降， 車輪副實(shí)現(xiàn)車體和鋼管橫向的移動(dòng)， 從而完成焊管在不同工位之間的橫向轉(zhuǎn)移[1]。

焊管質(zhì)量和驅(qū)動(dòng)電機(jī)特性導(dǎo)致輥道及橫移車的實(shí)際運(yùn)行速度較慢， 采用手動(dòng)操作方式用時(shí)過(guò)長(zhǎng)， 隨著焊管生產(chǎn)線逐漸趨于智能化， 實(shí)現(xiàn)橫移車的自動(dòng)控制成為必須攻克的課題。

此外， 作為焊管運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備， 一條焊管生產(chǎn)線大約需要十幾臺(tái)橫移車， 自動(dòng)化程度越高， 需求量越大。 雖然每臺(tái)橫移車硬件結(jié)構(gòu)完全相同， 但處于不同工序的動(dòng)作流程卻有很大的差別。 因此， 設(shè)計(jì)一種硬件成熟穩(wěn)定、 軟件結(jié)構(gòu)清晰、 執(zhí)行高效的自動(dòng)控制方案， 可有效節(jié)省作業(yè)時(shí)間， 提升焊管運(yùn)輸效率[2]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

焊管的定位和橫移車位置的準(zhǔn)確檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)橫移車自動(dòng)運(yùn)行的必要條件。 目前， 對(duì)于鋼管定位放置， 采用V 形定位臺(tái)架結(jié)合電感式接近開關(guān)傳感器來(lái)檢測(cè)焊管位置是行之有效的方案， 被廣泛應(yīng)用， 而橫移車位置檢測(cè)則包含多種設(shè)計(jì)。

1.1 編碼器+輔助傳感器定位方案

在橫移車走輪上安裝旋轉(zhuǎn)編碼器， 用于檢測(cè)走輪的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)， 通過(guò)計(jì)算獲得橫移車的位移；同時(shí)， 在橫移車上安裝接近開關(guān)傳感器， 在每個(gè)V 形臺(tái)架停止位置安裝金屬擋鐵， 用于橫移車停止位置的輔助校驗(yàn)[3]。 該方案采用的編碼器和傳感器均為成熟產(chǎn)品， 價(jià)格低廉， 性價(jià)比很高。 但是， 由于編碼器僅能檢測(cè)相對(duì)位移， 因此需要給橫移車設(shè)置一個(gè)位置原點(diǎn)， 用于標(biāo)定絕對(duì)位置。但是， 該系統(tǒng)還存在一些問(wèn)題， 當(dāng)出現(xiàn)控制系統(tǒng)停電、 編碼器維修、 誤差積累過(guò)大等情況時(shí)， 就需要執(zhí)行返回標(biāo)定原點(diǎn)的程序。 此外， 這個(gè)方案也是對(duì)機(jī)械安裝要求最高的方案， 編碼器連接部分為易損件， 故障率較高。

1.2 激光條碼定位方案

該方案將激光條碼掃描傳感器安裝在橫移車上， 同時(shí)在沿車身運(yùn)行方向的側(cè)壁粘貼條碼帶，通過(guò)對(duì)條碼的識(shí)別即可獲得橫移車的絕對(duì)位置。相比前一種方案， 該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 無(wú)需原點(diǎn)標(biāo)定校驗(yàn)， 但傳感器價(jià)格較高， 因而成本較高。 此外， 條碼帶維護(hù)成本較高， 同時(shí)由于傳感器安裝在車身， 通訊電纜需經(jīng)拖鏈連接到控制系統(tǒng)， 導(dǎo)致通訊電纜故障率相對(duì)較高。

1.3 激光測(cè)距傳感器定位方案

激光測(cè)距傳感器采用三點(diǎn)測(cè)距原理， 傳感器安裝在地面， 反光板安裝在橫移車車體， 兩者中心位于同一水平面， 激光沿平行橫移車運(yùn)行方向直射到反光板上[4]。 該方案同樣可檢測(cè)絕對(duì)位移，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 雖然傳感器前期投入較高， 但軟硬件成熟穩(wěn)定， 后期維護(hù)成本較低[5]。

經(jīng)過(guò)綜合對(duì)比， 橫移車的位置檢測(cè)采用激光測(cè)距傳感器方案。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

作為改造提升項(xiàng)目， 機(jī)械方面需要將原鋼梁式放管平臺(tái)架更換為V 形臺(tái)架， 橫移車體機(jī)械結(jié)構(gòu)無(wú)需做任何改變。

在電氣方面， 原控制系統(tǒng)采用的是西門子S7-300 系列PLC， 使用IM153-1 通訊模塊， 通過(guò)Profibus-DP 通訊總線組成分布式IO 系統(tǒng)， 因此激光測(cè)距傳感器也選用Profibus-DP 通訊接口， 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示， 相較于模擬量方式， 具有安裝維修簡(jiǎn)便、 系統(tǒng)集成度高、 傳輸數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)[6]。

圖1 焊管生產(chǎn)線橫移車自動(dòng)控制系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)

此外， 區(qū)域內(nèi)還安裝有多種傳感器， 分別用于輥道和V 形臺(tái)架焊管有料檢測(cè)、 區(qū)域保護(hù)光幕檢測(cè)和連鎖設(shè)備位置檢測(cè)。 PLC 對(duì)采集到的傳感器信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算， 驅(qū)動(dòng)橫移車行走電機(jī)、 液壓油泵、 托架液壓站電磁閥， 完成橫移車托架升降、 車體橫移的動(dòng)作[7]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 硬件組態(tài)

控制系統(tǒng)采用西門子315-2DP CPU 作為核心控制器， 與激光傳感器、 西門子TP1200 觸摸屏和IM153-1 分布式模塊組成總線網(wǎng)絡(luò)[8]， 其硬件網(wǎng)絡(luò)組態(tài)如圖2 所示。

圖2 橫移車自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

3.2 觸摸屏設(shè)計(jì)

觸摸屏除了具有臺(tái)架坐標(biāo)、 變頻速度設(shè)定的功能以外， 最主要作用是監(jiān)控區(qū)域內(nèi)設(shè)備狀態(tài)。觸摸屏界面如圖3 所示， 從觸摸屏上可以實(shí)時(shí)掌握區(qū)域內(nèi)臺(tái)架及輥道上鋼管分布、 安全光幕、 工序設(shè)備運(yùn)行和橫移車運(yùn)行狀態(tài)等信息。 同時(shí)也集成了報(bào)警信息界面， 當(dāng)自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)非正常停止時(shí)， 系統(tǒng)將對(duì)造成停車的原因進(jìn)行提示， 便于維修人員及時(shí)了解停車原因， 提高故障處理效率。

圖3 橫移車自動(dòng)控制系統(tǒng)觸摸屏界面

3.3 PLC 編程

作為焊管傳送線的兩大主力設(shè)備， 輥道和橫移車數(shù)量眾多。 各橫移車雖結(jié)構(gòu)一致， 但所處工序不同， 自動(dòng)運(yùn)行邏輯及待機(jī)位置差異很大， 采用傳統(tǒng)PLC 順序控制編程方法， 程序推廣移植難度大， 每增加一個(gè)放管位置， 會(huì)增加一倍的工作量， 因此通常采用結(jié)構(gòu)化編程。 結(jié)構(gòu)化編程就是將一個(gè)復(fù)雜的控制任務(wù)分解抽象為若干子控制任務(wù)， 這些子任務(wù)由相應(yīng)的子程序塊來(lái)完成， 各子程序塊相對(duì)獨(dú)立， 按功能定義， 可被重復(fù)調(diào)用[9]。

（1） 過(guò)程模型抽象

橫移車自動(dòng)控制運(yùn)行過(guò)程如圖4 所示。 但對(duì)于結(jié)構(gòu)化編程顯然過(guò)于繁雜， 對(duì)其進(jìn)行抽象和集成是必要的。 雖然每次焊管倒運(yùn)的舉管、 放管位置組合有數(shù)十種， 但橫移車執(zhí)行的運(yùn)行步驟是不變的， 區(qū)別僅在于舉管、 放管的位置，因此可以將一個(gè)焊管倒運(yùn)過(guò)程抽象為接收舉放位置指令和按位置指令執(zhí)行倒運(yùn)過(guò)程。 需要特別說(shuō)明的是， 當(dāng)所有焊管排列就位， 橫移車沒(méi)有倒管任務(wù)時(shí)， 需要根據(jù)生產(chǎn)需要， 自動(dòng)運(yùn)行到指定位置， 并繼續(xù)等待下一步指令。 焊管運(yùn)行至指定位置的控制程序， 無(wú)論是位置指令，還是倒運(yùn)過(guò)程， 都與常規(guī)倒運(yùn)不同， 如何將待機(jī)控制與常規(guī)倒運(yùn)控制抽象統(tǒng)一， 是本項(xiàng)目遇到的第一個(gè)軟件設(shè)計(jì)難題。 經(jīng)過(guò)分析， 可利用多余的第二個(gè)位置指令對(duì)待機(jī)控制指令予以標(biāo)識(shí)， 而倒運(yùn)控制程序通過(guò)對(duì)標(biāo)識(shí)位置進(jìn)行識(shí)別來(lái)區(qū)分是否為待機(jī)控制指令。 按照以上設(shè)定，橫移車自動(dòng)控制流程如圖5 所示。 可以看出，本方案包括兩個(gè)核心程序， 即舉放位置計(jì)算程序和倒運(yùn)控制執(zhí)行程序。

圖4 橫移車自動(dòng)控制流程

圖5 抽象和集成后的橫移車自動(dòng)控制流程

（2） 算法編程

常規(guī)的PLC 控制程序， 以梯形圖為代表， 通常采用的是線性化順序控制編程邏輯。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，邏輯清晰， 便于調(diào)試和維護(hù)， 是這種編程方式的突出優(yōu)點(diǎn)， 被廣泛應(yīng)用于手動(dòng)設(shè)備和控制邏輯單一的自動(dòng)設(shè)備。 而本項(xiàng)目要完成的兩個(gè)核心程序要適配不同數(shù)量工位和不同管徑焊管橫移車控制，需要使用大量的循環(huán)邏輯和數(shù)據(jù)， 常規(guī)的梯形圖編程比較困難， 為了保證核心程序的執(zhí)行效率，最終使用語(yǔ)句表（STL 語(yǔ)言） 來(lái)進(jìn)行本項(xiàng)目編程。

語(yǔ)句表（Statement List）， 即STL 語(yǔ)言， 它類似于電腦匯編語(yǔ)言中的文本語(yǔ)言， 由多條語(yǔ)句組成一個(gè)程序段。 其編程直接基于PLC 寄存器、 累加器， 可實(shí)現(xiàn)循環(huán)、 間接尋址及指針等功能[9]。“舉放位置計(jì)算” 子程序如圖6 所示， “倒運(yùn)控制”子程序如圖7 所示。 STL 語(yǔ)言具體控制邏輯為： 自動(dòng)運(yùn)行時(shí)， “舉放位置計(jì)算” 程序依據(jù)輥道、 臺(tái)架、工位的焊管信息， 通過(guò)程序運(yùn)算得出焊管倒運(yùn)的起始和目標(biāo)位置數(shù)據(jù)， 將數(shù)據(jù)和觸發(fā)信號(hào)發(fā)送至“倒運(yùn)控制程序”， “倒運(yùn)控制程序” 接收到信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)變頻、 液壓系統(tǒng)使橫移車按位置數(shù)據(jù)執(zhí)行舉放倒運(yùn)作業(yè)， 同時(shí)關(guān)閉“舉放位置計(jì)算” 程序， 直至完成本次倒運(yùn)[10]。 整個(gè)自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程， 這兩個(gè)程序始終在循環(huán)切換執(zhí)行。

圖6 “舉放位置計(jì)算”子程序

圖7 “倒運(yùn)控制”子程序

4 結(jié) 論

（1） 該橫移車自動(dòng)控制系統(tǒng)采用全自動(dòng)控制方式， 提高了生產(chǎn)效率， 降低了勞動(dòng)強(qiáng)度， 且充分發(fā)揮了觸摸屏界面操作簡(jiǎn)單、 信息直觀的優(yōu)點(diǎn)。

（2） 西門子PLC 使用的STL 語(yǔ)言， 使用逐行的文本編程方式， 在程序執(zhí)行效率、 存儲(chǔ)器間接尋址和指針訪問(wèn)功能方面優(yōu)勢(shì)顯著， 尤其在該橫移車自動(dòng)控制程序中， 需要對(duì)每個(gè)工位的狀態(tài)進(jìn)行多次比較判斷， 本研究通過(guò)使用STL 語(yǔ)言編寫兩個(gè)核心程序， 使用梯形圖編寫IO 開關(guān)量等其他處理程序， 充分發(fā)揮了STL 語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)。