鋼管管號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

王婧，朱軍，韓冬斌，張環(huán)宇，榮勝波

(1.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，遼寧沈陽(yáng) 110016；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.寶雞鋼管遼陽(yáng)鋼管廠，遼寧遼陽(yáng) 111000)

在鋼管生產(chǎn)線中，每個(gè)工位信息的準(zhǔn)確傳遞對(duì)于鋼管質(zhì)量的跟蹤至關(guān)重要。因此，要建立電子化的質(zhì)量信息系統(tǒng)，提高質(zhì)量保障能力，實(shí)現(xiàn)整條生產(chǎn)線的自動(dòng)化。鋼管信息自動(dòng)跟蹤是保證整條生產(chǎn)線自動(dòng)化的基本條件［1］。

條形碼技術(shù)，是在鋼管表面貼條形碼或噴印管號(hào)，使用激光條形碼掃描器獲取管號(hào)。目前，條碼識(shí)別技術(shù)已在焊管行業(yè)的帶卷跟蹤上得到實(shí)際應(yīng)用，應(yīng)用在鋼管跟蹤上還有很多技術(shù)問(wèn)題亟待解決［2］。由于鋼管生產(chǎn)車(chē)間光照不均、鋼管位置存在偏差以及在生產(chǎn)流程中鋼管翻轉(zhuǎn)等原因，鋼管管號(hào)識(shí)別是鋼管跟蹤的難題之一。目前焊管生產(chǎn)企業(yè)鋼管信息跟蹤多采取人工識(shí)別、手工輸入的方式，信息化系統(tǒng)可以把與該管號(hào)相關(guān)的信息進(jìn)行對(duì)應(yīng)收集存儲(chǔ)。實(shí)現(xiàn)管號(hào)自動(dòng)識(shí)別，是國(guó)內(nèi)焊管生產(chǎn)企業(yè)信息化建設(shè)過(guò)程中遇到的共同課題［3］。

此課題屬于寶雞鋼管遼陽(yáng)鋼管廠大口徑螺旋焊管生產(chǎn)線數(shù)字化自動(dòng)控制技術(shù)研究項(xiàng)目的一部分，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況，設(shè)計(jì)了一套鋼管管號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，替代了原有的人工操作，實(shí)現(xiàn)鋼管數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、匯總和存儲(chǔ)。

1 系統(tǒng)工作原理

自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)機(jī)械裝置如圖1所示。

圖1 鋼管管號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)裝置機(jī)構(gòu)圖

在相應(yīng)工位設(shè)置掃描器定位裝置，通過(guò)相應(yīng)方向的調(diào)整，使掃描器到達(dá)設(shè)定位置，能夠保證穩(wěn)定的掃描距離。兩組電機(jī)分別實(shí)現(xiàn)水平和垂直方向的動(dòng)作，滿(mǎn)足不同管徑鋼管的條碼讀取需求。系統(tǒng)讀碼流程如圖2所示，待掃描鋼管到達(dá)指定位置，管端檢測(cè)開(kāi)關(guān)檢測(cè)到到位信號(hào)后，調(diào)整定位裝置使掃描器到達(dá)指定位置。利用安裝于輥道上的驅(qū)動(dòng)輥，使鋼管沿管軸線旋轉(zhuǎn)，在鋼管旋轉(zhuǎn)過(guò)程中掃描器讀取條碼信息至計(jì)算機(jī)。在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)如果沒(méi)有檢測(cè)到有效的識(shí)別成功信號(hào)，PLC報(bào)警。掃描完成后裝置退回初始位置，準(zhǔn)備下一根鋼管。

圖2 系統(tǒng)流程圖

掃描器定位裝置由水平伸縮和垂直升降兩部分運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。這兩個(gè)機(jī)構(gòu)均采用絲桿螺母副作為運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，每一套絲桿螺母副分別通過(guò)獨(dú)立的伺服電機(jī)帶動(dòng)絲桿傳動(dòng)，最終驅(qū)動(dòng)螺母作直線運(yùn)動(dòng)，從而使固定在螺母上的固定掃描器實(shí)現(xiàn)水平方向的前后運(yùn)動(dòng)、垂直方向的上下運(yùn)動(dòng)。

系統(tǒng)具有自動(dòng)和手動(dòng)兩種操作模式。自動(dòng)模式下，各伺服電機(jī)和掃描器的動(dòng)作都是按照程序流程由PLC進(jìn)行全自動(dòng)控制，不需要人的參與。而手動(dòng)模式主要用于系統(tǒng)調(diào)試及突發(fā)情況的處理，通過(guò)按鈕操作臺(tái)和人機(jī)操作觸摸屏按鈕可實(shí)現(xiàn)各動(dòng)作部件的單步控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的鋼管管號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)包括上位機(jī)、PLC、固定掃描器、伺服控制器、伺服電機(jī)、位控模塊、限位開(kāi)關(guān)、傳感器、各種通信模塊和自制電控柜等。控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

PLC配置以太網(wǎng)通信模塊CP243-1，與上位機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器采用RJ45網(wǎng)線連接到交換機(jī)，建立以太網(wǎng)。PLC適時(shí)地給出數(shù)字量輸出激活掃描器，完成條碼信息的讀取。

圖3 控制系統(tǒng)框圖

上位機(jī)采用性能穩(wěn)定的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，通過(guò)交換機(jī)建立以太網(wǎng)，與PLC通信，將鋼管信息傳輸?shù)絇LC，計(jì)算得到不同方向伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，用于控制掃描定位裝置移動(dòng)過(guò)程。根據(jù)系統(tǒng)過(guò)程監(jiān)控、信息采集、模式選擇等各方面要求，設(shè)計(jì)了一套加載于上位機(jī)的人機(jī)界面程序，通過(guò)上位機(jī)就可以簡(jiǎn)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(mén)子S7-200 CPU 224XP，集成14個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)，9個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)。其中數(shù)字量輸入點(diǎn)與4個(gè)帶燈按鈕、4個(gè)限位開(kāi)關(guān)、3個(gè)2位選擇開(kāi)關(guān)相連接。帶燈按鈕用于控制水平方向、垂直方向的掃描定位機(jī)構(gòu)啟動(dòng)，同時(shí)按鈕燈顯示系統(tǒng)部分狀態(tài)。選擇開(kāi)關(guān)用于選擇系統(tǒng)操作模式，控制掃描器在水平方向伸出退回、垂直方向上升下降，完成掃描器定位過(guò)程。數(shù)字量輸出點(diǎn)與伺服控制器狀態(tài)點(diǎn)相連，通過(guò)指示燈顯示系統(tǒng)伺服狀態(tài);與掃描器狀態(tài)點(diǎn)相連，指示掃描器報(bào)警。PLC各數(shù)字量輸入輸出點(diǎn)功能和地址分配如表1所示［5］。PLC通過(guò)RS485總線與伺服控制器通信，根據(jù)上位機(jī)得到的鋼管管徑等信息給出相應(yīng)指令，控制掃描器定位過(guò)程。固定式條碼掃描器采用Leuze BCL 21，該掃描器可對(duì)運(yùn)動(dòng)速度最高達(dá)254 cm/s的條形碼進(jìn)行全方向解碼，適用于對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)中的鋼管進(jìn)行條碼識(shí)別;掃描距離最遠(yuǎn)可達(dá)450 mm，可適應(yīng)不同管徑產(chǎn)品的掃描;可對(duì)條碼類(lèi)型和條碼質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)，通過(guò)掃描器軟件BCLconfig對(duì)成功讀取條碼、未成功讀取條碼、檢測(cè)到壞碼的情況進(jìn)行輸出信號(hào)的配置。

表1 PLC數(shù)字量輸入輸出點(diǎn)功能和地址對(duì)應(yīng)關(guān)系表

伺服控制器采用路斯特ServoC產(chǎn)品，可通過(guò)驅(qū)動(dòng)電纜連接到配套的伺服電機(jī)，具有操作簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。兩組伺服系統(tǒng)分別配置在水平方向和垂直方向，每個(gè)軸上均設(shè)置了兩個(gè)限位開(kāi)關(guān)，將信號(hào)線連接到伺服控制器相應(yīng)輸入點(diǎn)，結(jié)合伺服控制器軟件DRIVEMANAGER，選擇相應(yīng)模式，以限制各軸運(yùn)動(dòng)范圍。在設(shè)置限位開(kāi)關(guān)的同時(shí)，在軸一側(cè)放置零位開(kāi)關(guān)，檢測(cè)掃描定位機(jī)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(yùn)動(dòng)造成的撞擊。整套電氣設(shè)備與機(jī)械機(jī)構(gòu)相結(jié)合，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同工況完成管號(hào)自動(dòng)識(shí)別過(guò)程。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(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(jī)界面程序。

3.1 S7-200程序

PLC作為核心控制單元，接收來(lái)自上位機(jī)、控制臺(tái)按鈕、限位開(kāi)關(guān)等控制及狀態(tài)信號(hào)，并控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)及設(shè)備狀態(tài)。PLC程序用STEP7-MicroWIN編寫(xiě)，包括主程序、上位機(jī)通信子程序、掃描器通信子程序、各伺服軸運(yùn)動(dòng)控制子程序、故障子程序［6］。與上位機(jī)通信，讀取定位裝置位置信息，并向上傳輸伺服控制器狀態(tài)、伺服電機(jī)位置等信息。與掃描器通信，激活或取消激活掃描器，接收掃描成功條碼信息。與伺服控制器通信，控制驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)。若伺服控制器出現(xiàn)故障警報(bào)應(yīng)及時(shí)采取措施，并將故障代碼傳輸?shù)缴衔粰C(jī)人機(jī)界面顯示。

3.2 伺服控制器程序

伺服程序由DRIVEMANAGER軟件編寫(xiě)，語(yǔ)句少而靈活，有一套自己的指令規(guī)約［7］。兩臺(tái)伺服控制器分別控制水平方向、垂直方向電機(jī)動(dòng)作，掃描器定位過(guò)程中兩個(gè)方向動(dòng)作如下:

水平方向:驅(qū)動(dòng)移動(dòng)定位裝置的前進(jìn)和后退。設(shè)備上電后，若定位裝置不在零點(diǎn)位，則回零操作;若在零電位且待掃描鋼管已就位，驅(qū)動(dòng)定位裝置向前勻速運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)到管端信號(hào)后慢速前進(jìn)，一定距離后停止，驅(qū)動(dòng)輥帶動(dòng)鋼管開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，掃描器同時(shí)開(kāi)始掃描。掃描成功后快速返回零點(diǎn)，防止鋼管運(yùn)動(dòng)時(shí)撞擊到掃描機(jī)構(gòu)。

垂直方向:驅(qū)動(dòng)掃描器的上升和下降。在水平方向前進(jìn)過(guò)程中掃描器慢速上升到給定位置，該位置信息由PLC根據(jù)不同管徑計(jì)算得出，結(jié)束掃描后返回零點(diǎn)。

為了準(zhǔn)確定位，兩個(gè)方向的動(dòng)作必須同時(shí)協(xié)調(diào)進(jìn)行，若單獨(dú)對(duì)每個(gè)方向進(jìn)行程序編寫(xiě)，不僅語(yǔ)句麻煩而且容易造成通信紊亂。因此將每個(gè)方向的動(dòng)作分解為多個(gè)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(duì)同一指令存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行賦值，就可以實(shí)現(xiàn)不同方向電機(jī)的不同動(dòng)作［8］。其程序結(jié)構(gòu)如下所示:

H030即伺服指令存儲(chǔ)區(qū)，H031，H032，……，H03?中提前賦不同值，如從H031開(kāi)始依次賦1，2，…，n，則當(dāng)H030=H031=1時(shí)，執(zhí)行步驟1，當(dāng)值為2即H030=H032=2時(shí)，執(zhí)行步驟2，依次類(lèi)推，而且每個(gè)步驟能重復(fù)調(diào)用，便于多次作業(yè)。

3.3 人機(jī)界面程序

人機(jī)界面程序用C#語(yǔ)言編寫(xiě)，由多個(gè)畫(huà)面組成，可分為參數(shù)設(shè)定及顯示界面、工作過(guò)程監(jiān)控、設(shè)備運(yùn)行界面三類(lèi)。

參數(shù)設(shè)定及顯示界面，包括掃描器位置參數(shù)設(shè)定及下載、各伺服電機(jī)的速度參數(shù)設(shè)定及下載、S7-200通信參數(shù)設(shè)定與連接。

工作過(guò)程監(jiān)控界面，包括系統(tǒng)的啟動(dòng)停止、操作模式的選擇、報(bào)警信息等，顯示PLC、掃描器、伺服控制器等設(shè)備工作狀態(tài)，對(duì)各軸電機(jī)的動(dòng)作進(jìn)行模擬同步顯示，與各設(shè)備通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)通信，更新數(shù)據(jù)和顯示數(shù)據(jù)。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，根據(jù)故障代碼彈出相應(yīng)的報(bào)警畫(huà)面。

設(shè)備運(yùn)行界面，指在一個(gè)畫(huà)面上通過(guò)控件調(diào)用掃描器、伺服控制器和PLC運(yùn)行界面。調(diào)用掃描器運(yùn)行界面，可以設(shè)置條碼類(lèi)型、顯示條碼識(shí)別狀態(tài)，顯示與條碼相關(guān)聯(lián)的工位信息、鋼管質(zhì)量參數(shù)等，將當(dāng)前工位相關(guān)信息和質(zhì)量參數(shù)與條碼進(jìn)行綁定，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的更新。在長(zhǎng)時(shí)間無(wú)操作時(shí)關(guān)閉掃描器。調(diào)用伺服控制器程序運(yùn)行界面，完成編寫(xiě)伺服程序、控制伺服動(dòng)作等操作。調(diào)用PLC運(yùn)行界面，顯示PLC的連接狀態(tài)。

4 通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)

文中系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)由兩部分構(gòu)成，上位機(jī)和PLC通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接，PLC和伺服控制器、掃描器通過(guò)RS485接口連接。PLC與伺服控制器進(jìn)行基于LustBus的RS232通信，作為控制端可以對(duì)ServoC驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行讀參數(shù)和寫(xiě)參數(shù)操作。PLC與掃描器間的通信選擇自由口通信方式，一次讀寫(xiě)操作的步驟包括:PLC發(fā)出寫(xiě)命令，掃描器收到后作出“準(zhǔn)備好接收”的響應(yīng);PLC收到此響應(yīng)則連續(xù)發(fā)出數(shù)據(jù)塊，若掃描器完成讀響應(yīng)，則回應(yīng)PLC“接收正確”的信號(hào)，相反若在規(guī)定的空閑內(nèi)沒(méi)收到數(shù)據(jù)塊，則回應(yīng)PLC“接收錯(cuò)誤”的信號(hào)。這樣收發(fā)2次數(shù)據(jù)，完成一次數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。程序通過(guò)使用接收中斷、傳送中斷、發(fā)送指令 (XMT)和接收指令 (RCV)控制通信端口操作［9］。

S7-200 PLC在自由口模式下，通信協(xié)議完全受通信代碼的控制，通信參數(shù)需要根據(jù)與其進(jìn)行通信的設(shè)備的通信格式進(jìn)行設(shè)定。利用Leuze掃描調(diào)試軟件檢測(cè)BCL 21的通信參數(shù)設(shè)置，通信的數(shù)據(jù)位為7，停止位1，偶校驗(yàn)，波特率可以自由設(shè)定。BCL21與PLC利用ASCII碼進(jìn)行通信，其ASCII碼消息命令格式如下［10］:

＜STX＞ ＜ 命令 ＞ ＜命令參數(shù) ＞ ＜CR＞ ＜LF＞其中:STX為報(bào)文前綴，CR、LF為報(bào)文后綴。報(bào)文中ASCII碼最終轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制進(jìn)行發(fā)送。為了保證通信成功率，在進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)需要先對(duì)參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將報(bào)文每一位轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的ASCII碼，交換報(bào)文結(jié)束通信后，再將ASCII碼轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)。PLC與掃描器通信讀寫(xiě)參數(shù)中斷程序流程如圖4所示。

圖4 PLC與掃描器讀寫(xiě)參數(shù)中斷流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合條形碼技術(shù)，設(shè)計(jì)了鋼管管號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)信息的自動(dòng)采集、綁定、匯總和存儲(chǔ)提供了可靠的技術(shù)手段。該系統(tǒng)采用PLC控制伺服控制器，驅(qū)動(dòng)兩部伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了精確的定位控制，能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)掃描與定位之間的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)電氣設(shè)備與機(jī)械結(jié)構(gòu)分別完成后，經(jīng)過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)一個(gè)多月的組裝調(diào)試，目前運(yùn)行良好，不影響整個(gè)生產(chǎn)線上的鋼管運(yùn)動(dòng)，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。通過(guò)識(shí)別管號(hào)對(duì)每根鋼管生產(chǎn)的全程進(jìn)行了精確跟蹤，可以及時(shí)了解鋼管的生產(chǎn)信息、缺陷狀態(tài)及修復(fù)情況，為企業(yè)決策管理層提供詳實(shí)準(zhǔn)確的決策依據(jù)。

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