1 引言
主要用于石油管路鋪設(shè)的φ1100mm大口徑鋼管由板材經(jīng)焊接后，其它輔助工藝與設(shè)備包括管內(nèi)清渣機(jī)用于管內(nèi)焊接后殘留的焊渣的清理；鋼管內(nèi)壁除塵機(jī)、外焊清渣機(jī)等。本系統(tǒng)是最后一道工序，主要是對鋼管的總重量的測量以及長度的測量，并形成數(shù)據(jù)存貯起來。
2 原理設(shè)計(jì)
2.1 工藝概述
測量系統(tǒng)首先由橫移車將鋼管放到輸送輥道，然后由檢測開關(guān)發(fā)出鋼管到位信號傳送給本系統(tǒng)，由稱重裝置進(jìn)行重量檢測，稱重裝置位于鋼管的底部，由液壓油缸頂起稱重裝置，這樣鋼管的重量完全由稱重裝置來承擔(dān)，左、右兩側(cè)各安裝一個(gè)稱重傳感器，通過rs232串行口與工控機(jī)通訊，將重量值傳給上位機(jī)。稱重完成后測量長度小車分別由兩側(cè)起始點(diǎn)同時(shí)啟動(dòng)且相向而行，當(dāng)快接近鋼管端面時(shí)(由接近開關(guān)發(fā)信號)小車減速運(yùn)行，當(dāng)行至鋼管端面時(shí)，小車停止運(yùn)行，同時(shí)將鋼管長度計(jì)算出來傳至上位機(jī)。
2.2 系統(tǒng)組成
控制系統(tǒng)由接近開關(guān)采集現(xiàn)場信號送入西門子plc s7-216內(nèi)，完成邏輯關(guān)系的運(yùn)算，其結(jié)果輸出到安川sgdm-04ada驅(qū)動(dòng)控制器，由sgmah-04a電機(jī)經(jīng)齒輪、齒條傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)測量小車，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由兩套組成，分別位于鋼管的兩側(cè)，工作時(shí)小車相向而行。液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)稱重裝置，plc和稱重裝置分別與上位機(jī)組成串行通訊，上位機(jī)軟件采用visual basic編制，通過編制的畫面發(fā)出指令并時(shí)實(shí)顯示鋼管重量及測量長度。系統(tǒng)硬件由西門子plc 6es7216-2bd22-0xb0，通訊模塊6es7277-0aa22-0xba，擴(kuò)展模塊6es7223-1hf22-0xa0組成。
2.3工作方式
控制系統(tǒng)具有手動(dòng)/半自動(dòng)/自動(dòng)三種工作方式。手動(dòng)工作方式下，可以分別對測量小車、稱重裝置進(jìn)行單獨(dú)調(diào)整；半自動(dòng)工作方式可以對鋼管進(jìn)行單循環(huán)測量，即按啟動(dòng)則開始稱重與測量，結(jié)束后等待下一啟動(dòng)指令；自動(dòng)工作方式則對鋼管連續(xù)測量，直到按下自動(dòng)停止按鈕，方可停止。
3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
3.1 傳感器通訊編程
稱重傳感器采用的是美國zemic公司bm8h-5t，它通過信號分配器gm-jx-v與深圳市杰曼科技有限公司稱重管理器gm8803a連接，gm8803a最終與上位機(jī)進(jìn)行rs232串通訊，其通訊協(xié)議尊循使用說明書中規(guī)定波率為9600kbty，奇偶校驗(yàn)位為奇校驗(yàn)，數(shù)據(jù)位為8位，站地址為2，停止位為1。按此規(guī)定用vb編寫上位機(jī)部分通訊協(xié)議程序如下：
dim rcvlenth
dim rcv() as bbte 定義模塊級變量
private lub form-load() 定義接收字符的動(dòng)態(tài)數(shù)組
with mscomml
comport=2 選擇串口2
settings=”9600,n,8,1” 9600kbit/s, 奇校驗(yàn)，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位
injputmode = cominputmodebinary 以二進(jìn)制格格式讀取接收緩沖區(qū)
rthershold=1 接收的字符數(shù)大于等于1就會(huì)產(chǎn)生接收事件
inputlen=0 讀接收緩沖區(qū)內(nèi)容
outbuffercount =0 清空發(fā)送緩沖區(qū)
inbuffercornt=0 清空接收緩沖區(qū)
end with
if not mscomm1.portopen then
mscomm2.portopen=ture 打開串口2
end if
end sub
3.2 信號調(diào)理
小車行走的距離通過旋轉(zhuǎn)編碼器反饋回來的脈沖接入plc的高數(shù)計(jì)數(shù)端子，通過計(jì)數(shù)值可以知道小車行走的長度，計(jì)算精度可達(dá)0.01mm。由于項(xiàng)目所用的高數(shù)計(jì)數(shù)器是ab正交輸入方式，只需將a+、b+及公共端接入plc即可，而伺服控制器脈沖輸出為a+ a- b+ b- z+ z-，在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，plc的高數(shù)計(jì)數(shù)值不穩(wěn)定，誤差很大，感覺有干擾存在，經(jīng)分析認(rèn)為是a- b- 是干擾源，因此我們采用以上電路(如圖1所示)，用比較器將a+ a-進(jìn)行比較后經(jīng)三極管開關(guān)接入plc，問題得了解決，則即提升了電壓又抑制了干擾，取得了良好的效果：
圖1
3.3 編碼設(shè)計(jì)
伺服電機(jī)后端的旋轉(zhuǎn)編碼器的分辯率為13比特，即2048脈沖/轉(zhuǎn)，而電機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r/min，plc最大捕捉頻率為20khz，為達(dá)到匹配，將驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)pn201分頻比設(shè)定為400，即達(dá)到400脈沖/轉(zhuǎn)，為進(jìn)一步提高精度在plc中采用4倍分辨率，即為1600脈沖/轉(zhuǎn)，由此根據(jù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪、齒條轉(zhuǎn)一圈所走的距離計(jì)算出每個(gè)脈沖所走的距離，得出位移值。伺服系統(tǒng)采用多段速控制方式，p-son、n-cn、p-cl三端組合且設(shè)置以下參數(shù)：
pn000.1 設(shè)為3 設(shè)為多段速控制方式
pn201 設(shè)為400 設(shè)置倍頻
pn50c 設(shè)為8fea 41端子速度1；45端子速度2；46端子速度3
pn50a 設(shè)為2801 cn140端子輸入on;p-con無效；cn142端子禁止正轉(zhuǎn)
p n 50b 設(shè)為8843 cn143端子禁止反轉(zhuǎn)；cn144端子警報(bào)解除；p-cl\p-nl為無效；
pn50e 設(shè)為0000 對應(yīng)端子無效
pn 50f 設(shè)為0001 25、26端子為扭矩限制檢測
3.4 plc通訊編程
plc與上位機(jī)通訊方式設(shè)為自由口方式，初始化程序設(shè)置sm30為05意義為：每個(gè)字符為８位，無校驗(yàn)，波特率為19200，自由口方式。通訊協(xié)議規(guī)定為：
所有的發(fā)送數(shù)據(jù)格式為：
00h，總字節(jié)數(shù)，(數(shù)據(jù))，校驗(yàn)碼，ffh
其中總字節(jié)數(shù)是包括00h到ffh在內(nèi)的總數(shù)，占一個(gè)字節(jié)，校驗(yàn)碼是包括00h和總字節(jié)數(shù)在內(nèi)的校驗(yàn)碼之前的所有數(shù)據(jù)的異或值，占一個(gè)字節(jié)。以下只對數(shù)據(jù)位格式進(jìn)行說明。
數(shù)據(jù)位所占字節(jié)數(shù)不確定，格式如下：
a，(發(fā)送數(shù))
其中a是對數(shù)據(jù)的說明，如果是命令，則a=07h，如果是數(shù)據(jù)，則a=15h，a占一個(gè)字節(jié)。
當(dāng)a=07h時(shí)，發(fā)送數(shù)占一個(gè)字節(jié)，發(fā)送數(shù)的數(shù)據(jù)說明如下：
01h——與電腦連機(jī)
設(shè)備啟動(dòng)后，在工作過程中，每次測量前向電腦發(fā)送一次此命令，電腦發(fā)回的回復(fù)信息與plc發(fā)出的數(shù)據(jù)相同，即：
00h，06h，07h，01h，00h，ffh
plc發(fā)送此命令后，如果在2秒內(nèi)不能收到回復(fù)信息，再發(fā)送一次，如果2秒內(nèi)還不能收到回復(fù)信息，則plc自動(dòng)轉(zhuǎn)為自存儲方式，把本次測量的長度順序記錄在plc內(nèi)存中，并不再發(fā)送稱重命令。如果在5秒內(nèi)收到回復(fù)信息，plc首先把內(nèi)存中的記錄發(fā)送給電腦，然后再正常工作，(即plc不再自存儲，直接把長度數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦，并在每次工作都發(fā)送稱重命令)；
02h——稱重命令
電腦發(fā)回的回復(fù)信息與plc發(fā)出的數(shù)據(jù)相同，如果發(fā)出此命令后2秒內(nèi)收不到回復(fù)信息，再 發(fā)送一次，如果2秒內(nèi)還不能收到回復(fù)信息，則放棄。
03h——通知來料
無回復(fù)信息
當(dāng)a=15h時(shí)，發(fā)送數(shù)占字節(jié)數(shù)未定，發(fā)送數(shù)的數(shù)據(jù)說明如下：
b，(bd1，bd2，bd3，…)
其中bd1，bd2，bd3，…為bcd碼，即每個(gè)字節(jié)都為0～9的數(shù)字，高位在前。
b說明如圖2所示。
圖2
回復(fù)信息：
00h，06h，15h，04h，17h，ffh
如果發(fā)出此數(shù)據(jù)后2秒內(nèi)收不到回復(fù)信息，再發(fā)送一次，如果2秒內(nèi)還不能收到回復(fù)信息，則放棄。
西門子s7-200自由口部分編碼通訊plc程序如下：
sbr1 子程序1 將接收到的字符依次放入接收緩沖區(qū)
network 1 網(wǎng)絡(luò)1
ld sm0.0
incb vb100 接收字節(jié)數(shù)加1
incd vd86 接收緩沖區(qū)指針加1
movb smb2, *vd86 將接收到的字符存入vd86指向的地址
int 0
network 1
ldb<> smb2, 0 若不是起始字符0
creti 中斷返回
network 2
ld sm0.0 movb 0, vb100 將接收字節(jié) 計(jì)數(shù)器vb100清零
movd &vb100, vd86 指針vd86指向接收緩沖區(qū)首地址vb100
call sbr1 將起始字符存入接收緩存區(qū)的vb101
atch int1, 8 接收字符中斷連到int-1
int1
network 1
ld sm0.0
call sbr1 存放接收到的報(bào)文數(shù)據(jù)區(qū)字節(jié)數(shù)
movb smb2, vb99 將報(bào)文數(shù)據(jù)區(qū)字節(jié)數(shù)存于vb99
movb vb99, vb90 校驗(yàn)碼字節(jié)vb90初始化
atch int2, 8 字符中斷事件連接以中斷程序2
int 2 接收數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)的中斷程序2
network 1
ld sm0.0
call sbr1 將收到的數(shù)據(jù)存入接收緩沖區(qū)
xorb smb2, vb90 將數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)逐字節(jié)異或，計(jì)算校驗(yàn)碼
decb vb99 數(shù)據(jù)字節(jié)計(jì)數(shù)器減１
network 2
ld sm1.0 零標(biāo)志sm1.0＝1,表示vb99＝0,接收已完成
atch int3, 8 字符中斷事件連接到中斷程序3
int 3
network 1
ldb<> vb90, smb2 如果校驗(yàn)錯(cuò)誤
atch int0, 8 重新啟動(dòng)接收
creti 中斷返回
not 報(bào)文結(jié)束且校驗(yàn) 正確
call sbr1
call sbr6
4 結(jié)束語
本項(xiàng)目采用plc與visual basic工具設(shè)計(jì)和開發(fā)了大口徑鋼管的稱重與測量系統(tǒng)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，稱重準(zhǔn)確度高，測長精度可達(dá)0.01mm，完全滿足工藝要求，使系統(tǒng)即有控制又有完整的人機(jī)界面，在使用過程受到了用戶的認(rèn)可，且受到好評。