鋼管自動分鋼儀及其控制系統(tǒng)

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1、鋼管自動分鋼儀及其控制系統(tǒng) 摘要：近年來隨著油套管制造標準的日益提高，對其質(zhì)檢環(huán)節(jié)的要求也越來越嚴苛，其中的混鋼檢驗由抽檢升級為必檢，并需追溯每根鋼管的成分信息;我們通過引入鋼管自動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〔下文簡稱分鋼儀〕對產(chǎn)品進行化學(xué)成分分析，然后與標準成分進行比對，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)過程中采用手動分鋼作業(yè)，即作業(yè)人員手持光譜槍，單眼對準鏡頭，然后光譜槍激發(fā)后產(chǎn)生火花，通過查看鏡頭內(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程中存在的元素，光譜槍無法自動判斷被分析鋼管是否混鋼，需要人工對顯示的光譜進行判斷是否混鋼，因此勞動強度高，作業(yè)效率低，長時間的人工光譜作業(yè)還容易導(dǎo)致作業(yè)人員眼部疲勞;同時利用經(jīng)驗對光譜進行分辨可靠性低，有誤檢誤判的風(fēng)險，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)線上新增一套自動分鋼儀，從而實現(xiàn)對鋼管進行自動混鋼檢驗。 分鋼儀是對鋼管合金元素含量進行檢測分析的設(shè)備，用于檢查鋼管在生產(chǎn)過程中有沒有混入不同鋼級和不同合金元素含量的鋼管。其檢測設(shè)備為光譜槍，采用的是原子發(fā)射光譜學(xué)的分析原理，被測物體通過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)射光譜通過光導(dǎo)纖維進入到光譜儀的分光室中，色散成各光譜波段，根據(jù)每個元素發(fā)射的波長范圍，通過光電倍增管可以測量出每個元素的最正確譜線，每種元素的發(fā)射光譜譜線強度正比于樣品中該元素的含量，通過光譜儀內(nèi)部預(yù)先存儲的校正曲線可測定其含量，并直接以百分比濃度顯示出來。 新增的自動分鋼儀主要由機械設(shè)備、電控設(shè)備、光譜槍及分析儀器等組成。其中機械設(shè)備主要布置在分鋼儀箱體中，包括夾緊氣缸、窗門氣缸、檢測移動裝置氣缸、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臺工控機等組成。PLC負責(zé)分鋼儀箱體內(nèi)各機械設(shè)備的動作控制;工控機負責(zé)與PLC和分析儀器通訊，對分鋼儀進行操作并將分析結(jié)果上傳至主線上位機等。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)見圖1-2。 光譜槍及分析儀器選用德國SPECTROTEST〔斯派克〕公司的TXC35光譜儀，包含光譜槍、分析儀器小車及其分析軟件等，其中光譜槍固定在機械設(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圖1-3。 鋼管被輸送到自動分鋼工位，分鋼儀箱體上的夾緊裝置將鋼管夾緊固定，分鋼儀箱體窗門翻開，箱體內(nèi)的打磨裝置上升對鋼管下外表進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)，然后光譜槍上升對鋼管擊發(fā)電弧并進行成分分析，之后光譜槍也降回到箱體內(nèi)。假設(shè)檢測合格沒有混鋼，那么夾緊裝置翻開，鋼管被輸送到下一個工位;假設(shè)檢測不合格，那么光譜槍先平移一小段，避開鋼管下外表第一次的擊發(fā)點，然后光譜槍上升并再次對鋼管進行分鋼檢測;假設(shè)連續(xù)三次檢測不合格，那么分鋼儀報警，作業(yè)人員對混鋼的鋼管進行人工標記并在后續(xù)工位將其移除。 電控系統(tǒng)主要由PLC、工控機及其軟件組成。其中PLC選用西門子S7-300系列，中央處理單元為CPU315-2PN/DP，帶工業(yè)以太網(wǎng)接口，可直接通過交換機連接工控機及分析儀器。PLC通過其DO點驅(qū)動氣動閥臺上的電磁閥來控制分鋼儀箱體

8、內(nèi)的夾緊氣缸、窗門氣缸、多位平移氣缸、升降氣缸、磨頭氣缸等的動作，從而完成固定被測鋼管、打磨被測鋼管外表的氧化鐵皮、移動光譜槍至擊發(fā)位置并給出擊發(fā)命令等任務(wù)。此外每個氣缸的行程目標位置上都安裝有磁性開關(guān)，信號均送入PLC的DI點，PLC通過獲取各機械元件的位置狀態(tài)，再根據(jù)工藝連鎖要求，從而有序完成分鋼儀箱體內(nèi)機械設(shè)備的各項動作。PLC還通過點對點方式與主線控制系統(tǒng)進行通訊，根據(jù)主線控制系統(tǒng)給出的料流到位信號來啟動自動分鋼作業(yè);分鋼結(jié)束后，再向主線發(fā)出作業(yè)完成信號，主線控制系統(tǒng)再將鋼管從分鋼工位輸送至下一工位。 工控機放置在分鋼儀電控柜中，電控柜上設(shè)可開啟的檢視玻璃窗，內(nèi)放顯示器，柜門設(shè)鍵盤抽

9、屜，可在現(xiàn)場對工控機進行操作。工控機內(nèi)運行分鋼儀的HMI操作界面，由西門子WinCC開發(fā)，可以顯示各設(shè)備運行狀態(tài)，操作設(shè)備動作，設(shè)置運行參數(shù)，查看分析結(jié)果等。工控機通過以太網(wǎng)與PLC、分析儀器進行通訊。其中通過讀寫PLC中的數(shù)據(jù)，可在HMI界面上顯示分鋼儀箱體中各機械元件的位置和動作狀態(tài);還可以在畫面上對分鋼儀箱體進行手動單步操作，以判斷分鋼儀箱體內(nèi)各機械元件的狀態(tài)是否正常。通過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行狀態(tài)、報警信息、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、牌號標準、擊發(fā)日期和時間等數(shù)據(jù)〕等;此外工控機還可對分析儀器發(fā)出命令電文對其進行

10、遠程控制，如儀器校準、光譜槍擊發(fā)、開始分析、結(jié)束分析、單次測量等。HMI操作界面見圖3-1。 工控機除了運行WinCC開發(fā)的HMI操作界面外，還運行通信軟件，負責(zé)與PLC、與分析儀器之間通過以太網(wǎng)讀寫數(shù)據(jù)。通信軟件主要分為通信模塊、PLC讀寫模塊、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〕進行通信。Socket的兩個程序通過一個雙向的通信連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，其中每個連接的一端稱為一個Socket。至少一對端口號〔Socket〕進行連接通訊，確保軟件讀取分析儀器信息的準確、穩(wěn)定和高

11、效。采用編程接口的方法〔API〕，對TCP/IP電文進行封裝，TCP/IP提供系統(tǒng)軟件所用的接口;采用HTTP進行封裝或者顯示數(shù)據(jù)的具體形式;Socket負責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信。系統(tǒng)采用最優(yōu)化的通信技術(shù)，通過高效而可靠的存儲方式來提高Socket傳輸?shù)臏蚀_性、穩(wěn)定性。主要表達在，系統(tǒng)通過隊列的方式來存儲接收到的完整電文，解決Socket通信過程中產(chǎn)生的拆包、粘包問題造成的通訊不穩(wěn)定和通訊中斷問題。 2〕PLC讀寫模塊 通過配置的西門子S7-300PLC進行數(shù)據(jù)通訊的動態(tài)連接，庫Prodave6.0來對PLC進行讀寫操作。 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Prodave寫入PLC。 接收Command_Server命令電文分析結(jié)果，通過Prodave寫入PLC。 通過Prodave讀取PLC信息，分析結(jié)果，根據(jù)儀器狀態(tài)給Command_Server自動發(fā)送指令電文。 電文通訊采用Socket通訊，長連接形式。利用分鋼儀分析儀器xml文件特征標記來判斷電文結(jié)束，而不是采用接收字節(jié)為零ReceivedBytes=0來判斷電文結(jié)束。 將產(chǎn)線上的手動分鋼作業(yè)改造為自動分鋼后，可大大減少作業(yè)人員的眼部疲勞、降低勞動強度，同時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 工程設(shè)計與實踐[J].?冶金自動化?，2021年，第03期：48-51 方法[J].?鋼管?，2021年，第03期：59-61