0 引言
傳統(tǒng)鋼管生產(chǎn)廠家對鋼管信息采取人工報表的形式，不同工位操作員分別對通過該工位后鋼管生產(chǎn)信息、質(zhì)量信息及檢驗信息進行登記，一定時段后統(tǒng)一上報審核入檔，由于生產(chǎn)線工位繁多，人工報表常會出現(xiàn)鋼管信息不對應(yīng)、信息遺漏等錯誤，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，各個廠家開始發(fā)展完善的鋼管信息跟蹤系統(tǒng)，對生產(chǎn)線上的每根鋼管添加條形碼標識，通過條形碼統(tǒng)一各個工位的鋼管生產(chǎn)信息，以解決生產(chǎn)過程中的信息化孤島現(xiàn)象。
圖1 鋼管自動噴碼系統(tǒng)裝置機構(gòu)圖
本文屬于寶雞鋼管遼陽鋼管廠大口徑螺旋焊管生產(chǎn)線數(shù)字化自動控制技術(shù)研究項目一部分，該廠原有添加條形碼標識的方式為人工操作，鋼管到達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)運行過程中貼紙往往會脫落或者污損，而且現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，工人在貼碼時存在安全隱患。本文依據(jù)現(xiàn)場工況，設(shè)計了一套鋼管自動噴碼系統(tǒng)，采用防磨損墨水對單根鋼管噴印多個條形碼，替代了原有的人工操作。
1 噴碼機構(gòu)及工作原理
本文系統(tǒng)噴碼裝置機構(gòu)如圖1所示。在相應(yīng)工位設(shè)置移動小車，小車上有移動導(dǎo)軌支撐噴碼頭，三組電機分別實現(xiàn)移動小車和移動導(dǎo)軌在X、Y、Z軸的動作，使噴碼頭能全方位運動，滿足不同管徑鋼管的噴碼需求，同時，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，待噴印鋼管到達指定位置后，調(diào)整噴印位置，先噴底漆，再噴多個條形碼，噴印結(jié)束后整個機構(gòu)退回安全位置，準備下一個鋼管。
圖2 系統(tǒng)噴印流程圖
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
本文設(shè)計的鋼管自動噴碼系統(tǒng)包括上位機、PLC、噴碼機、噴漆桶、伺服控制器、伺服電機、限位開關(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，與噴碼機和上位機采用RJ45網(wǎng)線連接到交換機，建立以太網(wǎng)。PLC適時地給出數(shù)字量輸出控制噴漆桶上的電磁閥，通過氣管的打開和關(guān)斷來完成噴漆動作。
表1 PLC數(shù)宇量輸入輸出點功能和地址對應(yīng)關(guān)系表
上位機采用性能穩(wěn)定的工業(yè)控制計算機，通過交換機建立以太網(wǎng)，與噴碼機和PLC通信，將鋼管信息傳輸?shù)絿姶a機，計算得到不同軸位伺服電機運動參數(shù)，傳輸?shù)絇LC用于控制噴碼噴漆過程。更重要的是，根據(jù)系統(tǒng)過程監(jiān)控、信息采集、模式選擇等各方面要求，設(shè)計了一套加載于上位機的人機界面程序，通過上位機就可以簡單明了地執(zhí)行各種操作和監(jiān)視系統(tǒng)信息。
PLC采用西門子S7-200 CPU 224XP，集成14個數(shù)字量輸入點，84-數(shù)字量輸出點。其中數(shù)字量輸入點與6個帶燈按鈕，2個鑰匙開關(guān)，34-2位選擇開關(guān)相連接。帶燈按鈕用于控制X、Y、Z軸的啟動回零和噴碼噴漆啟動，同時按鈕燈顯示系統(tǒng)部分狀態(tài)。鑰匙開關(guān)用于選擇系統(tǒng)操作模式，選擇開關(guān)控制X、Y、Z軸點動，完成噴碼和噴漆過程。數(shù)字量輸出點與伺服控制器狀態(tài)點相連，通過指示燈顯示系統(tǒng)伺服狀態(tài)，與噴碼機狀態(tài)點相連，指示噴碼機報警。PLC各數(shù)字量輸入輸出點功能和地址分配如表1所示。PLC通過RS一485總線與伺服控制器通信，根據(jù)上位機得到的鋼管管徑等信息給出相應(yīng)指令，控制噴碼噴漆過程。
噴碼機采用日立公司PXR-D460W產(chǎn)品，所噴條形碼清晰防磨損，并且獨特的噴頭設(shè)計，避免了現(xiàn)場粉塵對噴碼頭的污染，適合長時間作業(yè)，滿足了鋼管噴碼要求。該型號噴碼器支持兩種通信方式，一種通過以太網(wǎng)口通訊，一種通過RS一232C通訊，兩種通信方式不能同時使用。本文系統(tǒng)選擇以太網(wǎng)口方式，與PLC通信，控制噴碼過程。而且該產(chǎn)品擁有完善的幫助提示系統(tǒng)，提供詳細的操作提示及詳細的故障處理方法，通過觸摸屏簡體中文菜單操作，可以方便的設(shè)定所噴條形碼的長度、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在特定時間給出數(shù)字量信號，噴碼機就可噴印出符合要求的條形碼。
圖3 鋼管自動噴碼系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
伺服控制器采用路斯特ServoC產(chǎn)品，通過驅(qū)動電纜連接到配套的伺服電機，具有操作簡單，性能穩(wěn)定的特點。三組伺服系統(tǒng)配置在X，Y，Z軸，在每個軸的兩端放置限位開關(guān)，將信號線連接到伺服控制器相應(yīng)輸入點，結(jié)合伺服控制器軟件DRIVEMANAGER，選擇相應(yīng)模式，實現(xiàn)限位操作，在設(shè)置限位開關(guān)的同時，在軸一側(cè)放置零位開關(guān)，檢測噴碼機構(gòu)是否在零位，使結(jié)構(gòu)處于安全位置，防止工位上鋼管運動造成的撞擊。整套電氣設(shè)備與機械機構(gòu)相結(jié)合，根據(jù)現(xiàn)場不同工況完成自動噴碼過程。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
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界面程序。
3.1 S7-200程序
PLC程序由STEP7-MicroWIN編寫。與上位機通信，讀取噴碼位置信息，并向上傳輸伺服控制器狀態(tài)、伺服電機位置等信息。與伺服控制器通信，控制驅(qū)動器狀態(tài)，根據(jù)具體噴印動作，其控制流程圖如圖4所示。若伺服控制器出現(xiàn)故障警報應(yīng)及時采取措施，并將故障代碼傳輸?shù)缴衔粰C人機界面顯示。
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，有一套自己的指令規(guī)約，具有語句少而靈活的特點。三臺伺服控制器分別控制X、Y、Z軸電機動作，噴印過程中各個軸的動作如下。
X軸：X軸驅(qū)動移動小車的前進和后退。設(shè)備上電后，若移動小車不在零點位，則回零操作。若在零電位且待噴印鋼管已就位，驅(qū)動小車向前勻速運動，檢測到管端信號后慢速前進，同時開始噴底漆，一定距離后停止等待噴碼頭放下，然后慢速向后運動并開始噴碼，最后結(jié)束噴印動作快速返回零點，防止鋼管運動時撞擊到噴碼機構(gòu)。
Y軸：Y軸驅(qū)動噴漆頭噴碼頭的上升和下降。在X軸前進過程中噴漆頭慢速上升到給定位置，該位置信息由PLC根據(jù)不同管徑計算得出，噴漆結(jié)束后，噴碼頭下降，開始噴碼，結(jié)束噴印后返回零點。
Z軸：Z軸驅(qū)動噴碼支架的左移和右移。在X、Y軸到達指定位置后，支架向左移動靠近管壁，到達合適噴漆距離，由于噴漆距離大于噴碼距離，結(jié)束噴漆后再向左微調(diào)開始噴碼，結(jié)束噴印后返回零點。
為了完成噴印作業(yè)，三個軸的動作必須同時協(xié)調(diào)進行，若單獨對每個軸進行程序編寫，不僅語句麻煩而且容易造成通信紊亂。因此將每個軸的動作分解為多個子步驟，采取統(tǒng)一的程序結(jié)構(gòu)，不僅降低了編程難度，而且PLC只需對同一指令存儲區(qū)進行賦值，就可以實現(xiàn)不同軸位電機的不同動作。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即伺服指令存儲區(qū)，H31，H032…H037中提前賦不同值，如從H031開始依次賦1，2…n，則當H030=H031=1時，執(zhí)行步驟一，當H030=H032=2是，執(zhí)行步驟二，依次類推，而且每個步驟能重復(fù)調(diào)用，便于多次作業(yè)。
3.3 人機界面程序
人機界面程序用C#語言編寫，由多個畫面組成，可分為參數(shù)輸入輸出顯示、工作過程監(jiān)控和設(shè)備運行界面三類。
參數(shù)輸入輸出顯示界面，輸入包括鋼管重量、長度、管徑、管號等鋼管基本信息，輸出包括計算出的噴碼高度、從噴碼機得到的條形碼高度、條形碼長度、噴碼個數(shù)以及從伺服控制器得到的各軸電機運動速度等信息。
工作過程監(jiān)控界面，包括系統(tǒng)的啟動停止，操作模式的選擇、報警信息等，顯示PLC、噴碼機、伺服控制器等設(shè)備工作狀態(tài)，對各軸電機的動作進行模擬同步顯示，與各設(shè)備通過以太網(wǎng)實時通訊，更新數(shù)據(jù)和顯示數(shù)據(jù)。系統(tǒng)提供了手動和自動兩種操作模式，自動模式是主要模式，也可方便地切換到手動，完成特殊要求的噴印操作。當出現(xiàn)故障時，根據(jù)故障代碼彈出相應(yīng)的報警畫面。
設(shè)備運行界面，指在一個畫面上通過控件調(diào)用伺服控制器和噴碼機運行界面。調(diào)用伺服控制器程序運行界面，完成編寫伺服程序，控制伺服動作等操作。調(diào)用噴碼機運行界面，可以設(shè)置和調(diào)整條形碼的高度、長度、個數(shù)等信息，用于輸入輸出顯示。還可以控制噴槍動作，在長時間無操作時關(guān)閉噴頭，以防止灰塵污染噴頭。
4 通訊網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)
本文系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)由兩部分構(gòu)成，上位機、噴碼機和PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)連接，PLC和伺服控制器通過RS485接口連接。需要解決PLC與三臺伺服控制器同時通信的問題，成為本設(shè)計通信網(wǎng)絡(luò)建立的難點。
PLC與路斯特伺服控制器進行基于LustBus的RS232通信，作為控制端可以對ServoC驅(qū)動器執(zhí)行讀參數(shù)和寫參數(shù)，但是兩者的通信方式只能選擇自由口通信方式，意味著不能同時進行讀寫操作，需要在程序中加入中斷，以協(xié)調(diào)程序調(diào)用過程。
LustBus通訊協(xié)議是ASCII碼通訊協(xié)議。可以是點對點，也可以是一點對多點的主從通訊模式。通訊的數(shù)據(jù)位為7，停止位1，偶校驗，波特率可以自由設(shè)定。
ServoC讀參數(shù)報文格式如下：
master：
EOT ADR CODE ENQ
device：
ADR STX CODE=VAL【ETX|BCC
或者參數(shù)無效時，
ADR NAK，
ServoC寫參數(shù)報文格式如下：
master：
EOT ADR STX CODE=VAL ETX BCC
device：
ADR ACK
或者參數(shù)無效時，
ADR NAK
報文中ASCII碼最終轉(zhuǎn)換成16進制進行發(fā)送。
對下關(guān)系如表2所示。
表2 報文ASCII碼轉(zhuǎn)16進制對應(yīng)關(guān)系表
為了保證通信成功率，在進行讀寫操作時需要先對參數(shù)進行轉(zhuǎn)化，將報文每一位轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的ASCII碼，交換報文結(jié)束通訊后，在將ASCII碼轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)，因此，PLC與伺服控制器通信讀寫參數(shù)中斷程序流程如圖5所示。
在現(xiàn)場調(diào)試時，單獨與一臺或者兩臺驅(qū)動器通信，設(shè)備完全正常，但是同時與三臺通信時，出現(xiàn)了多次通信不穩(wěn)定的情況，調(diào)整程序通信掃描時間后，避免了問題的再次發(fā)生。
圖5 PLC與伺服控制器讀寫參數(shù)中斷流程圖
5 結(jié)束語
本文系統(tǒng)電氣設(shè)備與機械結(jié)構(gòu)分別完成后，經(jīng)過在現(xiàn)場二個多月的組裝調(diào)試，目前運行良好。對每根鋼管的噴漆噴碼操作時問不超過3分鐘，每管噴印條形碼個數(shù)為5～7個，還可根據(jù)需求重復(fù)噴碼，有效保證噴碼作業(yè)的同時，不影響整個生產(chǎn)線上的鋼管運動，完全滿足設(shè)計需求。
隨著“西氣東輸”等工程的進行，我國對石油天然氣管道的需求日益加大，各個鋼管廠家為了自身發(fā)展和國家戰(zhàn)略，都在努力提升生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量，中石油下屬廠家已經(jīng)開始新一輪的自動化技術(shù)改造，引入MES等先進系統(tǒng)，以縮小與國際先進企業(yè)的差距。
本文設(shè)計的鋼管自動噴碼系統(tǒng)采用PLC控制伺服控制器，驅(qū)動三部伺服電機運動，實現(xiàn)對生產(chǎn)線上的鋼管自動噴碼，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，實現(xiàn)質(zhì)量、檢驗與過程信息無紙化傳輸及各崗位報表自動生成，降低操作員工作強度，提高信息記錄的實時性準確性，向整個車間和廠區(qū)MES發(fā)展。
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