钢管自动码垛机电气控制系统的设计

摘 要：钢管自动码垛机在有缝钢管生产线中的应用，大大减轻了工人的劳动强度，提高了生产效率。本文针对钢管自动码垛机电气控制系统设计中的一些难点进行分析解决。

关键词：有缝钢管生产线；自动码垛机；单方向精确计数

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.02.163

0 前言

有缝钢管在一直是国家基础建设中大量应用的钢材之一。然而在国内外的很多工厂中，生产钢管的机械设备的自动化程序仍然不高，很多生产环节都依靠人工来完成，这不但劳动强度高、效率低，而且具有相当的危险性，特别是在生产线的末端码垛打包的工作更是如此。自动码垛机可以实现钢管的自动码垛、输送、打包等一系列工作，从而极大的降低的工人的劳动强度并提高了生产效率。

1 设备的组成及功能描述

1.1 输送上料部分

（1）上料机构：将到达设备的钢管从辊道上移动到设备的来料收集区，由电动机驱动。（2）来料收集区：横向移动的链条用于将钢管输送到码垛部分并用于码垛过程中的存料缓冲，由电动机驱动。

1.2 码垛部分

（1）码放机构：将一定数量的钢管码放到码垛支架上，由气缸控制。（2）码垛架：存放已码放好的钢管并保持包形，可升降、可开合，由电动机控制升降，液压控制开合。

1.3 打包及后续处理部分

1.4 液压系统

2 控制系统

2.1 控制系统的主要硬件组成

控制器采用三菱Q系列PLC；HMI（人机界面）采用MCGS的15寸触摸屏；三菱A800系列变频器；PLC与HMI之间进行以太网通讯，PLC与三台变频器之间进行CC-LINK通讯，因为采用了比较先进的通讯方式，使得該控制系统具有快速和稳定特点，特别是对于制管车间这种电磁干扰严重的工业环境具有良好的稳定性。

2.2 控制的工艺要求

自动码垛打包机作为制管机组的辅助设备，应该能够适应机组生产的不同规格的产品。特别是对于圆管和方管在码垛包形上的差别，应能进行灵活调整以满足生产需求。

针对方管：方管只打矩形包装，即只需要调整包装的层数及每层的数量；针对圆管：圆管的包装形式比较灵活，一般以正六边形为主，也可包装成矩形或不规则六边形，因此需要可以灵活调整选择包形、层数和每层的数量；人机交互：调整设定简洁直观，可实时显示包装形式、码垛进度，可随时对码垛进度、数量进行人为调整以方便操作人员核对数量和进行不良品的剔除。

3 控制中的一些难点的解决

在设备的设计、调试与实际运行过程中，遇到了一些相对一般控制来说比较困难的问题，针对这些问题的解决在这里作简单描述：

3.1 包形的设置

对于方管来说在包形的设置上相对比较简单，只需要总层数（floors）和每层数量（amount）两个参数就可确定一种包形；但对于圆管来说则可能比较麻烦，因为对于六边形包的每相邻层的数量都是不同的，若要分别设置则参数数量就和层数成正比，既不易于设置也不易于参数配方的保存。针对此种情况和对包形的分析，采用了中间层根数、下层层数和上层层数三个参数来确定圆管打六边形包的包形：当中间层的数量确定后，每向上（向下）一层数量就减少一根，因此只凭此三个参数就足够确定包形和包内钢管的总数量，并能通过当前的层数来确定该层应存放的钢管数量。

通过上述算法，只需要保存三个参数就可以确定一个正六边形或不规则六边形的包形，这样大大简化了对包形的设置过程，便于工人操作；同时也减少了保存参数所需的存储空间，便于制作配方进行数据保存，使控制程序的实现更容易也更具有通用性；用于统计设置包形的钢管总根数的计数程序为HMI内部的脚本程序，用此种编程方式可以减少PLC的程序量、同时减少了HMI与PLC之间的通讯负担，有利于简化调试过程提高工作效率。

3.2 对钢管的精确计数

在实际调试运行过程中，遇到了对于来管计数不准确的问题，常常会因为发现不及时而出现一层的钢管数量不符合设定要求的情况而影响工作效率。经过分析发现导致计数不准确的原因主要为对钢管的检测不稳定。若采用光电传感器检测，初期效果较理想，但由于钢管上流下的乳化液会污染传感器的感光面，加上环境粉尘等影响会使光电传感器很快出现不能稳定检测的情况，需要定期清理维护；若采用接近传感器能解决污染问题，但又会由于检测距离不如光电传感器长，当钢管出现跳动或在计数传感器附近前后摆动的情况时会出现重复计数的现象。

为了降低设备维护的频率，我们选择了使用接近传感器来作为计数检测的传感器。针对接近传感器计数容易产生重复计数的现象，我们对计数检测的方式和方法进行了改进。通过改变传感器的安装形式和相应的检测程序，实现了稳定可靠的精确检测。具体的做法是：

（1）增加传感器数量：将原来的用一个接近传感器进行计数检测改为两个；两个传感器顺着来管方向依次安装，相距大概为所检测最大管径，这样当钢管移向码垛装置过程中会依次经过两个传感器，这样即使钢管在经过计数传感器时发生了抖动，但同一时间内不会在两个传感器的检测范围内发生。这样再通过程序上的处理就可以实现对抖动的过滤。（2）计数程序的设计：由于钢管会依次经过两个计数传感器，会依次产生两个检测信号。这样利用第一次检测信号的上升沿对一个中间位进行置位，再利用第二次检测信号的上升沿对已经置位的中间位进行复位，最后利用中间位的下降沿来做计数。利用此方法可以很好的过滤掉意外抖动导致的错误计数。

4 结束语

经过上述的改进，使自动码垛机的运行更加平稳，减少故障的发生，极大的提高了设备的作业率，提高了生产水平，减轻了工人的劳动强度。

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作者简介：张洪亮（1985-），男，本科，主要从事非标机械设备电气设计工作。