圖書分類號：密級：電動式鋼管自動測長機構的設計摘要鋼管是一種用途廣泛的工業金屬材料，也是國民經濟發展的一個重要支柱。本文根據國內外鋼管生產線上精整區測長系統的研究開發現狀，以測長的硬件設計及控制系統和軟件系統作為設計研究的主要工作：本文敘述了鋼管的工藝生產流程及API國際標準；說明了國內測長系統的開發現狀及存在的問題并闡述了開發測長系統的必要性；陳述了課題的來源和論文的主要工作和意義。提出了系統設計的設計要求；根據系統的整體組成結構，進行了測長系統的設計，包括系統組成和工作過程以及設計時應注意的問題；最后給出了控制系統和軟件系統的總體設計方案及主要硬件的參數，簡述了PLC編程的方式S7400的特點性，提出了PLC程序的測試策略。提出了上位機軟件的測試策略和監控系統的特點。提出了PLC的IDEF0表示；著重介紹了PLC程序的模塊化設計以及各個工位的程序流程、程序功能塊的劃分以及與上位機通訊的基本原理和時序圖，介紹了上位機監控系統的功能模塊的設計；陳述了上位機通訊方案的設計，而且在機械關鍵部分進行了計算和校核。最后總結了測長控制系統和軟件系統開發過程所做的工作，并對系統的改進方向進行了展望。關鍵詞：鋼管；測長；PLC；電機；編碼器；光電傳感器ABSTRACTSteeltubeiswidelyusedasasortofmetallicmaterialinindustryandhasalsocontributedmuchtothenationaleconomicdevelopment.Inthispaper,onthebasisofthecurrentsituationofresearchonsteeltube'smeasure,weight,pinstamp,band,stencilsystembothhereandabroad,withtheaimofresearchinganddevelopingthemeasuresystemfor2ndproductlineinTianjinPipeCorporation,technologicalprocessofsteeltubeandtheinternationalstandardAPIareintroduced.ThenthecurrentsituationofresearchandproblemsonMWBPSsysteminChinaaredescribed.Andalso,thenecessitiesoftheimprovementofmeasuresystemareexplained.Finally,thesourceofthisprojectandthemaincontentsaswellasthesignificanceofthispaperarementioned.thedesignrequirementsofthissystemarepresented.Then,accordingtothesystem’sintegralstructure,theauthordepictedthedesignofrelevantmeasuresubsystem.stepsystemandetc,includingthecomponents,workingprocessofthesystemandtheprecautionswhendesigning.Finally,ThewholedesignofthecontrolsystemandsoftwarearealsopresentedAndthemajorhardwareparameters.PLCprogrammethodandthecharactersofS7400seriesareintroducedinbrief.TheteststrategyofthePLCprogramisalsoputforward.Finally,thetestingstrategyoftheup-levercomputersoftwareandthecharactersofthemonitoringcontrolsystemareputforward.TheexpressionsofPLCbyIDEF0arealsoputforward.AttentionaremainlyfocusedonthemodulardesignofPLCprogram,flowfigureofeachsubsystem,theassignmentoftheprogramfunctionblock,thecommunicationprinciplebetweenPLCandup-levercomputerandthetimingsequencediagram.Furthermore,thedesignofthefunctionmoduleblockofthemonitoringcontrolsystemofup-levercomputerisintroduced.Subsequently,thecommunicationprojectofup-levercomputerisdesigned.MainlyonthemechanicalpartofthecalculationandverificationTheworkandaccomplishmentinthereconstructionofmeasurecontrolsystemandsoftwarearesummarized,andmoreover,waystoimprovethissystemarepointedout.KeywordssteeltubemeasurePLCMotorMotorencoderPhotoelectricsensor目錄1緒論 11.1課題研究的背景 11.2鋼管自動測長系統的的分類 21.3目前國內鋼管自動測長的發展狀況及趨勢 41.3.1國內鋼管自動測長發展狀況 41.3.2鋼管自動測長的發展方向 42方案原理的設計 52.1測長系統的設計 52.1鋼管自動測長原理 52.3各部件方案選擇及說明 72.3.1傳動方案說明 72.3.2光電傳感器的選擇及說明 92.3.3光電脈沖編碼器的選擇及說明 102.3.4應用中問題分析及改進措施 112.4控制系統的方案 122.4.1PLC在工業應用中的優勢 122.4.2PLC在工業中應用優勢的系統說明 132.4.3上位機監控系統的特點 152.4.4上位機監控系統的測試策略 163部件設計及計算 173.1推鋼機構的設計 173.1.1動力傳動齒輪的設計 173.1.2動力齒輪與齒條傳動計算 203.1.3編碼器傳動齒輪的設計 213.1.4鍵的選擇與計算 223.1.5螺栓的選擇與校核計算 223.2誤差的分析 233.2.1誤差理論分析 233.2.2減小誤差的措施 253.3測長系統設計關鍵點 264控制系統 274.1PLC程序設計 274.1.1PLC軟件及編程 274.1.2S7-400編程方式 274.1.3PLC程序設計 284.1.4PLC程序的測試 354.2上位機監控系統的設計 364.2.1上位機系統監控功能模塊設計 364.2.2上位機監控系統的通訊設計 395總結與展望 405.1總結 405.2展望 40致謝 41參考文獻 42附錄 43附錄1 43附錄2 49PAGEPAGE41緒論1.1課題研究的背景鋼管廣泛地應用于機械、建筑和石化等行業，又是國防工業的重要材料，用于制造槍管、炮筒以及其他武器。鋼管的生產工藝種類繁多，生產過程非常復雜，生產設備也很龐大。按照工藝流程，管坯進入車間后按照工藝要求鋸成定尺長度，然后依次經過環形爐加熱、三輥穿孔機穿孔、連軋機軋鋼、定徑機定徑。加工成的鋼管需要減徑的再加熱后送至減徑機上減徑。從定徑或減徑機軋出的成品管，送至鏈式冷床上冷卻，冷卻后鋸成定尺長度的鋼管（有的需要熱處理)輸送到斜輥式矯直機上矯直，矯直后依次經過超聲波探傷，水壓機試驗，隨后進行其他各項精整工序。精整后的成品管經過感應加熱爐后進行涂油打捆入庫。鋼管測長是對成品鋼管進行長度根據一定的標準把鋼管定義為好管或壞管。隨著我國加入WTO，國內市場和國際市場的接軌，鋼管市場同樣面臨一系列的問題。國內鋼管進入國際市場，必須遵守國際的相關標準。比如無縫鋼管要遵守國際標準APISPEC5CT（見表1-1所示）。過去，大部分的鋼管廠家采用人工的方式進行測量。人工測定鋼管的長度，這種做法沿用了很長一段時間，部分廠家目前仍在使用。很明顯，這些方法存在測量精度低、勞動強度大、生產效率低等缺點。表1－1APISPEC5CT標準摘錄GB/T8162尺寸偏差外徑項目允許偏差管體D≤101.60mm±0.79mmD≥114.30mm±0.5%接箍±1%重量壁厚-12.50%單根6.50%3.50%車載量-1.75%長度項目范圍1范圍2范圍3油管6.10-7.32m8.53-9.75m—套管4.88-7.62m7.62-10.36m10.36-14.63m從上個世紀90年代開始，國內一些大型的鋼鐵公司的產品為了參與國際競爭，耗巨資引進國外的整條流水線。這些進口的設備測量精度高、生產效率高、勞動強度低、字跡統一規范。但是進口設備成本高、要求工人素質高、維護成本也高。落后的傳統方法與高成本的進口設備都難適應國內的市場需求。因此，開發研制同類產品已經迫在眉睫。1.2鋼管自動測長系統的的分類長度是鋼管的主要規格指標之一，是成品鋼管貿易結算的主要依據，每根鋼管的實際長度是噴標信息的重要組成部分。鋼管測長方法歸納起來有兩種方案：1．電荷耦合器件（CCD）鋼管測長方案[6]目前鞍鋼無縫鋼管廠熱軋二車間生產線的測長系統即采用此方案。該測長方案包括精測和粗測兩部分。圖1－2和圖1－3為系統的示意圖。粗測部分由若干光源（激光器）和光電傳感器組成。每一點光源和光電檢測器組成一條測試線，各條測試線之間相互平行，且距離相對固定，每相鄰的測試線之間的最大距離小于CCD器件精測的測量范圍。當鋼管的前端經過測試線時，光電檢測系統發出信號，將相應的I／0信號送到單片機中。精測CCD為攝像機，具有2048曝光像敏單元。為提高測量精度和可靠性，采用透光法進行CCD成像測量，即光源和CCD器件分別置于生產流水線的兩側。精測光源的光線一部分可以通過透鏡投射到CCD器件上，另一部分則被鋼管擋住，光線無法到達CCD器件上，如圖1-3所示。在精測過程中，鋼管在不同位置時，CCD器件上的亮區長度也不相同。當鋼管在生產流水線上向前運動時，如果其前端與粗測部分中某一條測試線重合。而型鋼又在精測范圍內，此時，即可進行型鋼的測長。單片機在這瞬間同時進行粗測和精測。單片機檢測型鋼與哪一根測試線相遇，求出粗測的長度。整個型鋼由圖1-2可以看出，整個鋼管的長度為：L=+＋式（1.1）式中，L為鋼管總長，為精測長度，為某一固定軌道上精測的起點到第一個測試線之間的距離，為第一條測試線到鋼管在運動過程中到達的那一條的測試線之間的距離。系統巧妙的將精測和粗測結合起來，實現對物體的長度測量。精度可以達到±1cm。圖1-3CCD精測圖圖1-3CCD精測圖圖1-2CCD測長原理圖此方案具有系統硬件簡單、速度快、可擴展性好等優點，但是也存在著對測量環境要求高，設備安裝調試不方便，維護困難等缺點，對于周圍溫差大、光線不強、灰塵大的場合測量精度會受到很大影響。2．數控鋼管推動測長系統數控鋼管推動測長系統”主要用于成品鋼管的精確測長，在推動過程中實現動態測量，并為噴印作好定位對齊準備。本系統由機械推動、數字控制及精密測量三部分組成，主要性能指標為：①鋼管測長范圍：3.90～12.70m；②測長精度：±2mm；③圖1-4測長原理圖鋼管送到測長工位，PLC檢測到1＃、2＃光電開關變為高電平后，產生“鋼管到位”信號，并通過單片機系統通知上位機。上位機根據其它系統的情況和邏輯控制要求產生“允許推動測量”信號傳輸給PLC。PLC得到“允許推動測量”信號后，確認有鋼管且系統一切正常，便控制變頻器驅動電機正轉，推動鋼管向前移動。當鋼管端面m(與推頭接觸的鋼管端面)與1＃光電開關對齊的瞬間，1＃光電開關狀態發生跳變，此時PLC立即發出復位信號給單片機系統，單片機系統將光柵數顯表置于復位狀態，當鋼管端面m與2＃光電開關對齊的瞬間，PLC立即向單片機系統發出“測量開始”信號，單片機系統瞬間取消光柵數顯表的復位狀態，光柵數顯表開始正常計量，PLC同時根據此瞬間3＃～14＃光電開關的狀態得出“光電開關狀態編碼”，并以4位BCD碼的形式鎖存輸出給單片機系統，單片機系統根據此編碼查表得到An值。當鋼管另一端面n和下一個光電開關對齊的瞬間，PLC向單片機系統發出“測量結束”信號，單片機系統立即鎖定并采樣光柵數顯表的測量值a。推動繼續，當終點接近開關動作時，電機停止（每次推動的距離相同，即起點接近開關到終點接近開關）。約1秒鐘后，PLC控制電機反轉將推頭退回，當起點接近開關動作時電機反轉停止，推頭立即停下來。同時，PLC向單片機系統發出“推動測量結束”信號，單片機系統得到此信號后再告訴上位機。至此，完成一個測量周期。則鋼管的長度為：L=An-a+δ式（1.2）式中δ為系統誤差，計量檢定后從單片機系統鍵盤上鍵入。該測長系統已經應用在成都無縫鋼管總廠的周軋分廠合金工段。具有精度高、測長周期短、系統可靠性好等優點。但是在振動大的場合，會影響小車運動的平穩性，使得測量的誤差偏大。同時若現場大型動力設備多，電磁干擾嚴重，也會增加系統的不穩定性。由以上分析可知，國內研制的測長系統在一定意義上已經比較成熟，只要在現有的基礎上加以改進，即可設計出高精度、高效率的測長系統。1.3目前國內鋼管自動測長的發展狀況及趨勢1.3.1國內鋼管自動測長發展狀況本文在對鋼管自動測長系統的功能和要達到的性能指標進行研究的基礎上。測長系統填補了國內鋼管生產線的空白，其檢測精度和標識效果達到了世界同類產品的先進水平，順利通過了省級鑒定。解決了以前依靠國外進口的困境，在很大程度上降低了成本。本論文主要做了以下工作：（1）對國內外產品的開發現狀進行了研究，論證了測長系統開發的必要性，并進行了方案研究和論證。（2）對測長系統進行了總體方案設計，具體包括：各個工位的硬件組成、工作原理和具體設計方案，確定了控制系統和軟件的功能等。（3）控制系統設計。對測長系統的控制系統進行了詳細設計，主要包括系統電氣組成、PLC硬件設計。（4）PLC程序的設計及調試。根據測長系統的功能要求，針對PLC系統的硬件特點，對PLC程序進行了模塊化設計。根據各個工位功能的不同和所需的交流信號，對各個工位PLC程序的流程、控制信號和數據信號、以及PLC與上位機通訊時序進行了詳細設計。完成了現場調試，解決了現場中出現的問題。（5）上位機監控系統的設計及調試。采用面向對象的思想進行了上位機監控程序的設計，具體包括各個功能塊的設計、控制界面的設計和數據庫的設計。在現場進行了調試，按照要求完成各種不同報表的實現。1.3.2鋼管自動測長的發展方向測長系統發展還不完善，需要進一步的進行優化設計。下一步的工作主要有：（1）測長系統的應用面還比較窄，僅能應用在鋼管生產行業，下一步應以測長系統為基礎，研制適用于鋼坯、鋼板等生產的同類設備，以實現產品的系列化。（2）測長系統中，有許多關鍵部件是國外進口的，如光電傳感器、編碼器等。而且成本高，所以系統部件的國產化工作有待進行。2方案原理的設計2.1測長系統的設計測長的系統構成如圖2-1所示，由圖可以看出系統組成如下：圖2-1系統結構（1）V滾輪用來放置鋼管，滾輪采用樹脂。樹脂起到兩方面作用：一是用來保護鋼管的表面在被推動的過程中不被臺架劃傷；另一方面是用來減小鋼管與臺架之間的摩擦數，減小兩者之間的摩擦力，增強鋼管在被推動時運動的平穩性。（2）電動機的選擇主要由所需的推鋼機構的所需功率決定。系統選用普通三相異步電動機。而加上電機抱閘，這樣推桿能立即停止運動。（3）光電傳感器在垂直于鋼管軸向的方向上等距布置24對光電傳感器。系統采用對射式的光電傳感器，由發射管和接收管組成，負責檢測鋼管的位置，若鋼管從一對傳感器的發射管與接收管的中間穿過，傳感器就會發出一個電平信號給PLC。（4）齒輪、齒條，光電脈沖編碼器齒條的連接在電動機的齒輪上，與齒條嚙合的齒輪通過聯軸器與脈沖編碼器相連。當電動機推動鋼管時帶動齒條運動，同時齒條帶動齒輪轉動，而齒輪的轉動帶動脈沖編碼器轉動，最電動機推桿的沿鋼管軸向運動的距離反映為脈沖編碼器轉過的角度。2.1鋼管自動測長原理測長系統通過脈沖編碼器與光電傳感器配合計數的形式測長。測長原理如下：當光電傳感器檢測到工位上有鋼管時，這時操作上位機經PLC啟動測長工位的電動機，這時電機得到信號啟動通過齒輪與齒條之間的轉換從而使推桿向前運動，在這過程中光電脈沖編碼器通過齒輪與齒條傳動計數。當電動機轉動帶動齒條從而帶動編碼器也跟著旋轉并計數。24對光電管中被鋼管擋住的狀態為1，沒有被擋住的狀態為0。在推動過程中編碼器開始計數，如有光電管的狀態從0變為1，PLC計數模塊就清零，編碼器就重新開始計數，然后重新計數。當滾輪碰到左限位開關的瞬間，測長工作完成，此時PLC記錄當前編碼器的數值和每組光電管的狀態并保持。設PLC所保持的編碼器計數值相對應的鋼管長度為L，每組測長盒第一個光電管距零位基準的距離都為定值，當光電盒安裝完成后，這6個值就確定了。值得注意的是，在測長過程中，鋼管尾部至少要經過一對光電管，即編碼器計數值需要清過零以后，所測的長度才是正確的。如果在測長過程中編碼器計數值沒有清過零，那么所測長度值是無效的，應重新測量以此類推，當電動機滾輪觸發行程末端開關時，編碼器就停止計數，然后電動機返回，測長過程結束如圖2-1。PLC將鋼管的最終狀態和編碼器的數值傳送給上位機，最終由上位機計算出鋼管的長度。最終一個管子的長度為：L＝＋式（2.1）其中，是推桿推到底時鋼管頭部與尾部最后經過的那對光電傳感器的距離，是編碼器的數值×脈沖當量，如式2-2所示：＝N×式(2.2)式中，N為高速計數模塊的絕對計數值，即正向計數值減去負向計數值后的結果；則是脈沖編碼器的脈沖當量。測長系統在設計時為了達到規定的測長精度進行合理的設計，需要注意以下幾個問題：1）光電傳感器的響應速度的快慢很大程度上影響測量的精度，若選用繼電器方式的輸出接口其響應時間為十幾個毫秒，而晶體管方式的接口其響應時間只要幾個毫秒甚至更小，但是注意晶體管方式的輸出接口要和與之相連的PLC的輸入匹配。2）齒輪齒條的設計、加工、安裝的誤差都會引起脈沖編碼器脈沖信號與電動機傳動到推桿實際移動距離之間不一致，從而增大系統誤差。脈沖編碼器的分辨率也會影響系統的精度，分辨率越高，精度越高。因此要保證齒輪齒條的設計、加工、安裝精度，選擇高分辨率的編碼器。本系統齒輪齒條的制造精度為6級精度，編碼器選擇2000線的。3）到位傳感器負責檢測鋼管到位，然后把鋼管到位信號傳給PLC，PLC在接到鋼管到位信號后才開始測長。PLC負責采集到位信號、接受脈沖編碼器信號，控制電動機和推桿的運動，并把檢測結果送到上位機。為了保證測長的精度要求PLC的輸入點的響應時間小，指令運行快。4）合理設計以電動機為動力源的推動機構和傳感器的數目。電動機的轉數和齒輪之間的轉動比所帶動的推桿的距離必須比傳感器的安裝距離大，這樣才能保證在鋼管移動過程中至少有一對傳感器能觸發。傳感器之間的安裝距離不能太大，否則會增加齒輪傳動的設計制造難度，使得推動行程太長，降低工作效率。如果太小，就會增加了傳感器的數目，增加生產成本。因此要協調好推桿的行程與光電傳感器數目之間的關系。本系統測長推桿的行程為460mm，光電傳感器之間的距離為450mm。2.3各部件方案選擇及說明2.3.1傳動方案說明電動機選擇及說明電動機的功率．應根據生產機械所需要的功率來選擇，盡量使電動機在額定負載下運行。選擇時應注意以下兩點：

(1)如果電動機功率選得過小．就會出現“小馬拉大車”現象，造成電動機長期過載．使其絕緣因發熱而損壞．甚至電動機被燒毀。

(2)如果電動機功率選得過大就會出現“大馬拉小車”現象．其輸出機械功率不能得到充分利用，功率因數和效率都不高，不但對用戶和電網不利。而且還會造成電能浪費。

要正確選擇電動機的功率，必須經過以下計算或比較：

(1)對于恒定負載連續工作方式，如果知道負載的功率(即生產機械軸上的功率)(kw)．可按下式計算所需電動機的功率P(kw)：P=/式中為生產機械的效率；為電動機的效率。即傳動效率。按上式求出的功率，不一定與產品功率相同。因此．所選電動機的額定功率應等于或稍大于計算所得的功率。

例：某生產機械的功率為3．95kw．機械效率為70％、如果選用效率為0．8的電動機，試求該電動機的功率應為多少kw?

解:P=P1/n1n2=3.95/0.70.8=7.1kw由于沒有7.1kw這—規格．所以選用7．5kw的電動機。

(2)短時工作定額的電動機．與功率相同的連續工作定額的電動機相比．最大轉矩大，重量小，價格低。因此，在條件許可時，應盡量選用短時工作定額的電動機。

(3)對于斷續工作定額的電動機，其功率的選擇、要根據負載持續率的大小，選用專門用于斷續運行方式的電動機。負載持續串％的計算公式為：％＝tg/(+)×100％式(2.3)式中為工作時間，為停止時間min；十為工作周期時間min。

此外．也可用類比法來選擇電動機的功率。所謂類比法。就是與類似生產機械所用電動機的功率進行對比。具體做法是：了解本單位或附近其他單位的類似生產機械使用多大功率的電動機，然后選用相近功率的電動機進行試車。試車的目的是驗證所選電動機與生產機械是否匹配。驗證的方法是：使電動機帶動生產機械運轉，用鉗形電流表測量電動機的工作電流，將測得的電流與該電動機銘牌上標出的額定電流進行對比。如果電功機的實際工作電流與銘脾上標出的額定電流上下相差不大．則表明所選電動機的功率合適。如果電動機的實際工作電流比銘牌上標出的額定電流低70％左右．則表明電動機的功率選得過大(即“大馬拉小車”應調換功率較小的電動機。如果測得的電動機工作電流比銘牌上標出的額定電流大40％以上．則表明電動機的功率選得過小(即"小馬拉大車")，應調換功率較大的電動機.表2-1表2-1功率因數負載情況空載1/4負載1/2負載3/4負載滿載功率因數70.850.89效率0.710.780.850.880.895在測長系統中推鋼機構中各種的數據和要求：鋼管直徑：48-246mm鋼管長L:L=6-15m鋼管重M:M=20kg鋼管移動速度V：V=0.2m/s過管的速度278根/小時V型架的摩擦系數則推動鋼管的力為F：F=MG=1000×10×0.1=1000N則可得輸出功率P：P1=FV=1000×0.2=200W滾動軸承效率：0.98齒輪與齒條傳動效率：0.8齒輪與齒輪之間的效率:0.95擺線針輪減少機電效率：0.9綜上可得：電動機的功率要滿足P2=502W則電動機可以通過查表得選為Y802-4.Y802-4技術參數額定功率/KW轉速R/MIN最大靜轉矩轉子轉動慣量重量/KG0.7513902.20.002118電動機在安裝時應考慮到震對機構帶來的影響，所以我們把電動機與推鋼機構隔離。我們采用矩鋼對電動機進行支撐，這樣能夠保證電動機不影響編碼器的工作。減速器的選擇及說明在推鋼機構中要滿足推桿的速度，則在電動機與推桿之間存在很大的傳動比，這靠簡單的減少是不能達到的，所以我們考慮到有很大的減少比的行星齒輪減速機和擺線針輪減少機，它們有很大的傳動比，完全能夠滿足我們的要求。我們初選減速機為：XWY3-43-0.75(擺線針輪減速機)減速機的輸出扭矩為：電動機：=9550=5.2式(2.4)電動機傳遞到減速機輸出：==201式(2.5)而通過計算得推鋼機構在推動鋼管時所克服的最大工作轉矩：=199.416Nmm，所以我們算出電動機最終輸出的扭矩大于現場工作時推動鋼管的真實最大扭矩，所以即選定電動機和減速機都符合要求。電機的抱閘制動三相異步電動機從切除電源到完全停止旋轉，由于慣性的原因，總需要一段時間。但實際工作中，機械在運行過程中都要求安全和準確定位、以及為了提高測量精度，都需要電動機能迅速停車，所以要求對電動機進行制動控制。在本系統中我們采用彈簧抱閘示意圖如2-2。圖2-2彈簧抱閘示意圖1-電磁鐵；2-制動瓦；3-彈簧；4制動輪當電磁鐵1得電時，制動瓦2被吸起與制動輪4脫離，與制動輪相連的電動機可自由轉動。當電磁鐵失電時，在彈簧3的作用下，制動瓦壓緊制動輪使電動機無法轉動。這時可以防止電機由于慣性而繼續轉動，導致鋼管測長完成后繼續向前攢動。2.3.2光電傳感器的選擇及說明電傳感器可以按以下4種方式分類1、檢測形態2、構成3、輸出4、光源檢測形態的分類A．透過型①投光部和受光部一體化②投受光部多數排列型③交叉光束掃描方式B．鏡面反射型C．反射型①擴散反射型②狹視界反射型③限定反射型④距離設定式限定反射型⑤色標檢測型構成的分類A．電源內藏型B．放大器內藏型C．放大器分離型D．光纖型輸出分類A．NPN輸出B．PNP輸出C．直流兩線式輸出D．模擬電壓、模擬電流輸出E．繼電器輸出光源分類A．紅外線B．紅色光C．綠色光D．3色光（紅綠藍）。光電傳感器的檢測模式分為如下幾類：對射式、反射板式、偏振反射板式、直反式、寬光束式、聚焦式、定區域式和可調區域式。我們在鋼管自動測長系統中的光電傳感器在垂直于鋼管軸向的方向上等距布置24對光電傳感器。系統采用對射式的光電傳感器，由發射管和接收管組成，負責檢測鋼管的位置，若鋼管從一對傳感器的發射管與接收管的中間穿過，傳感器就會發出一個電平信號給PLC。光電傳感器選用KT-700N(SICKOP．TEX)，主要技術參數為：最大檢測距離為7m；最小可檢測的物體為Φ7mm；供電電源為DC10V～30V；最快反應時間為0.7ms。光電傳感器成對使用，分別安裝在V型輥道的兩邊。在垂直于鋼管軸向的方向上等距布置24對光電傳感器，在安裝時我們才用兩端支撐，支撐才用外購件。測裝置本身是由電子元器件構成，它對安裝環境有一定的技術要求，特別是在較惡劣環境下使用，要采取相應的保護措施，以使光電檢測裝置工作在其產品要求的技術條件下，才能發揮裝置的技術性能。否則光電檢測裝置的使用壽命及其工作的可靠性都將受到不同程度的影響。使用的傳感器盒要能夠符合現場工作的要求還有考慮到特殊情感下的事件，例如：進行修理時要承受一定的載荷，這就要求它要有良好的強度和韌性。所以在設計傳感器時我們采用鋁合金進行成模拉伸。2.3.3光電脈沖編碼器的選擇及說明電脈沖編碼器是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。這是目前應用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，經發光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，其原理示意圖如圖2-2所示；通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數就能反映當前電動機的轉速。此外，為判斷旋轉方向，碼盤還可提供相位相差90o的兩路脈沖信號。根據檢測原理，編碼器可分為光學式、磁式、感應式和電容式。根據其刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式三種。圖2-2編碼器組成增量式編碼器是直接利用光電轉換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90o，從而可方便地判斷出旋轉方向，而Z相為每轉一個脈沖，用于基準點定位。它的優點是原理構造簡單，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長距離傳輸。其缺點是無法輸出軸轉動的絕對位置信息。絕對編碼器是直接輸出數字量的傳感器，在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區相間組成，相鄰碼道的扇區數目是雙倍關系，碼盤上的碼道數就是它的二進制數碼的位數，在碼盤的一側是光源，另一側對應每一碼道有一光敏元件；當碼盤處于不同位置時，各光敏元件根據受光照與否轉換出相應的電平信號，形成二進制數。這種編碼器的特點是不要計數器，在轉軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應的數字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對于一個具有N位二進制分辨率的編碼器，其碼盤必須有N條碼道。目前國內已有16位的絕對編碼器產品。絕對式編碼器是利用自然二進制或循環二進制方式進行光電轉換的。絕對式編碼器與增量式編碼器不同之處在于圓盤上透光、不透光的線條圖形，絕對編碼器可有若干編碼，根據讀出碼盤上的編碼，檢測絕對位置。編碼的設計可采用二進制碼、循環碼、二進制補碼等。它的特點是：可以直接讀出角度坐標的絕對值；沒有累積誤差；電源切除后位置信息不會丟失。但是分辨率是由二進制的位數來決定的，也就是說精度取決于位數，目前有10位、14位等多種。

混合式絕對值編碼器，它輸出兩組信息：一組信息用于檢測磁極位置，帶有絕對信息功能；另一組則完全同增量式編碼器的輸出信息。

在鋼管自動測長中我們選用光電脈沖編碼器為TRD—N(KoYo)，主要技術參數：供電電源為DCA．4.75V～30V；輸出轉速為2000r／n。它安裝在齒輪軸上，當電動機啟動時帶動齒輪從而帶動脈沖編碼器進行計數。由脈沖編碼器和光電管配合進行鋼管測長。2.3.4應用中問題分析及改進措施

應用中問題分析

光電檢測裝置的發射和接收裝置都安裝在生產現場，在使用中暴露出許多缺陷，其有內在因素也有外在因素，主要表現在以下幾個方面：

1）發射裝置或接受裝置因機械震動等原因而引起的移位或偏移，導致接收裝置不能可靠的接收到光信號，而不能產生電信號。

2）因光電檢測裝置安裝在生產現場，受生產現場環境因素影響導致光電檢測裝置不能可靠的工作。3)生產現場的各種電磁干擾源，對光電檢測裝置產生的干擾，導致光電檢測裝置輸出波形發生畸變失真，使系統誤動或引發生產事故。改進措施1)改變光電編碼器的安裝方式。光電編碼器不在安裝在電動機外殼上，而是在電動機的基礎上制作一固定支架來獨立安裝光電編碼器，光電編碼器軸與電動機軸中心必須處于同一水平高度，兩軸采用軟橡膠或尼龍軟管相連接，以減輕電動機沖擊負載對光電編碼器的機械沖擊。采用此方式后經測振儀檢測，其振動速度降至1.2mm/s。

2)合理選擇光電檢測裝置輸出信號傳輸介質，采用雙絞屏蔽電纜取代普通屏蔽電纜。雙絞屏蔽電纜具有兩個重要的技術特性，一是對電纜受到的電磁干擾具有較強的防護能力，因為空間電磁場在線上產生的干擾電流可以互相抵消。雙絞屏蔽電纜的另一個技術特點是互絞后兩線間距很小，兩線對干擾線路的距離基本相等，兩線對屏蔽網的分布電容也基本相同，這對抑制共模干擾效果更加明顯。

3)利用PLC軟件監控或干涉。在連鑄生產的送引錠過程要求光電測裝置產生有時序性的電信號，同時，該信號與整個過程不同階段相對應。光電檢測裝置本身是由電子元器件構成，它對安裝環境有一定的技術要求，特別是在較惡劣環境下使用，要采取相應的保護措施，以使光電檢測裝置工作在其產品要求的技術條件下，才能發揮裝置的技術性能。否則光電檢測裝置的使用壽命及其工作的可靠性都將受到不同程度的影響。結合光電檢測裝置在生產過程控制中的應用實踐，在控制系統設計中；不宜采用光電檢測裝置的信號作為重要的控制信號，以避免光電裝置突然損壞或工作不穩定（環境高溫、濕度大、機械振動、外力碰創等）引起其它設備事故。在控制系統中應用PLC程序實適進行過程控制的監控或干涉，以克服了因系統中采用光電裝置而存在的各種缺陷，是提高系統可靠性的有效途徑。2.4控制系統的方案2.4.1PLC在工業應用中的優勢PLC經過近三十年的發展，現已形成了完整的工業控制器產品系列，其功能已經發展到目前的具有接近計算機的強有力的軟硬件功能，在工業控制應用主要有以下優點：（1）由于采用了大規模集成電路和計算機技術，可靠性高、邏輯功能強，且體積比較小。在需要大量中間繼電器、時間繼電器和計數器的場合，PLC無需增加硬設備，用微處理器及存貯器的功能，就很容易地完成這些邏輯組合和計算，大大減少了復雜的接線，降低了控制成本。（2）PLC采用了軟件編制程序來完成任務，隨著要求的變更對程序地修改顯得十分方便，軟件程序下載非常方便。采用面向對象的梯形圖編程，從用戶的角度看，已經不具備編程的復雜性，編程變得較容易。（3）可在惡劣的工業環境下運行，其設計原則是高可靠性，抗干擾能力高，堅固耐用。其平均無故障時間約為5萬小時，可以經受1000v/1us矩形脈沖干擾。（4）輸入輸出端口可以和工業現場的強電信號相接，如交流220V，直流24V，并可直接驅動功率部件（一般負載電流為2A）。（5）采用模塊化結構（除小型PLC），可以使PLC擴展容易，并可實現分布式控制。如西門子S7-400系列PLC采用模塊化、無排風扇結構，可實現分布式的配置。（6）目前的PLC已經發展成為網絡化的控制系統及信息系統，如西門子的SIMATICPCS7系統，這是PLC與DCS相結合的新系統。（7）具有完善的監控和診斷功能，內部工作狀態、通信狀態、I/O點的狀態及異常狀態均有醒目的顯示，維修人員可以及時準確地發現和排除故障，大大縮短了維修時間。（8）通信功能大大增強，高級的PLC都支持現場總線和ETHERNET，因此開放性好；西門子PLC可以利用DP或FMS協議，或通過光纖電纜，連接到Profibus；或借助ISO/TCP或TCP/IP數據通信協議，接到工業以太網。（9）增加冗余容錯功能，提高可靠性。現代PLC已經能夠完成，并能做冗余或熱備，模塊也可以帶電插拔；主流PLC可以輕易的提供以太網、雙控制器、電源、IO模塊的冗余方案。目前PLC在設計中采用了最新的微處理器裝置和電子線路，在許多惡劣環境（例如電噪聲、高溫和存在機械振動）的工業應用中能可靠、安全的工作。2.4.2PLC在工業中應用優勢的系統說明PLC硬件設計必須根據測長系統的生產工藝要求、設備狀態、要完成的控制功能、所需的I/O點書等因素而定。參考上述PLC的特點和系統要完成的功能，測長系統采用SIMATICS7-400PLC。該PLC是一種中、高檔性能范圍的可編程控制器，能夠滿足現場復雜的任務要求。它具有以下幾個特點：(1)功能齊全的CPU以及種類齊全的模塊，能為其自動化任務找到最佳的解決方案；(2)實現分布式系統和擴展通訊能力很方便，組成系統靈活自如；用戶友好性強，操作簡單，免風扇設計；(3)可以利用DP或FMS協議，簡單的通過光纖電纜，連接到Profibus總線，或借助ISO/TCP或TCP/IP數據通信協議，接到工業以太網。(4)增加了冗余容錯功能。S7-400系列PLC既可作為標準PLC又可作為容錯型或安全型使用的PLC。其容錯性是通過兩個并行的中央控制器實現的，它們的CPU通過光纖連接，并通過冗余的Profibus-DP線路對冗余I/O進行控制。在錯誤發生時，將會出現一個無碰撞的傳輸控制，即未受影響的熱備設備將在中斷處繼續執行而不丟失任何信息。硬件系統的設計要求有高的抗干擾能力，其抗干擾設計主要采取三個方面的抑制措施：抑制干擾源；切斷或衰減電磁干擾的傳播途徑。系統的具體的設計如下：1、CPU模塊是整個PLC系統的核心，執行速度要快，抗干擾能力要高，并且能為工廠進一步實現網絡化提供接口，方便建立現場總線，因此選用了CPU412-2模塊。它的執行一條二進制指令僅需要0.2sm，提供256KB的RAM，帶有DP接口，能夠方便的建立PROFIBUS總線。2、采用性能優良的電源，抑制電網引入的干擾。PLC電源模塊采用西門子PS5A型號，隔離性能高。為保證電網饋點不中斷，采用在線式不間斷供電電源UPS供電，UPS具有較強的干擾隔離性能，提高供電的安全可靠性。3、測長系統的生產效率要求高，平均12秒過一根管，其中包括步進梁移動時間和各工位正常工作時間，要求PLC輸入輸出模塊的響應時間要短。根據現場傳感器的個數、電機控制點數以及為系統預留20％的輸入輸出點，選用1塊數字式輸入模塊：SM421DI32×DC24V，1塊數字式輸出模塊：SM422DO32×DC24V。主要技術參數：①輸入電源24V；②信號“0”：-3～5V，信號“1”：13～30V；③從“0”到“1”的時間為1.2～4.8ms，從“1”到“0”的時間為1.2～4.5ms。4、由前面測長系統的設計分析可知，高速計數模塊用來對脈沖編碼器輸出脈沖進行計數，由于編碼器的輸出頻率很高，所以對應的技術模塊也有要足夠的計數頻率。光電編碼器、脈沖編碼器、計數模塊的選型如下：1)光電傳感器：KT-700N（SICKOPTEX）。主要技術參數：①最大檢測距離：7m；②最小可檢測的物體：Φ7mm；③供電電源：DC10V～30V；④最大反應時間：0.7ms。2)脈沖編碼器：TRD-N（KoYo）。主要技術參數：①供電電源：DCA4.75～30V；②輸出頻率：2000rpm；③上升/下降時間：3us以下（電纜長度小于50cm時）。3)計數模塊：FM350-1。主要技術參數：①可接受單相、兩相、AB相脈沖，雙向計數，32位；②允許最高計數頻率：500KHZ。4)PLC輸入模塊:SM321Dl16XDC24V。主要技術參數:①輸入電源DC24V;②信號“0”:3-5V，信號“1”:13-30V;③從“0”到“1”的時間:1.2-4.8ms，從“l”到“0”的時間:1.2-4.sms。5)電機功率:0.75KW;推桿速度:142mm/s6)每對光電傳感器之間的距離:=450mm。5)、測長系統中的采用三相異步電機作為動力源。三相異步電機的調速采用擺線針輪減速機進行減速，三相異步電動機在轉動時能夠有足夠的扭矩以提供推鋼機構的要求，而速度的要求我們必須采用具有很高減速比的減速機，只有這樣才滿足要求。6、不同類型的信號分別由不同電纜傳輸，信號電纜按傳輸信號種類分層敖設，動力電源和信號的傳送分別采用不同的電纜分層敖設，減少了電磁干擾。7、控制系統接地線采用一點接地和串聯一點接地方式。信號屏蔽雙絞線的屏蔽層牢固連接并進行了絕緣處理，避免多點接地。PLC輸入輸出模塊的地與4V，5V開關電源的地相接，保證系統具有一個相同的地，避免電位差的存在，抑制共模干擾。2.4.3上位機監控系統的特點上位機監控系統的特點上位機監控系統采用面向對象的編程思想和模塊化設計，具有以下特點：（1）精度高：該系統的數據輸入來源于現場控制層PLC對各個執行元件和傳感元件的狀態進行采集和處理后的輸出。它所接受的數據精度決定于采樣信號和模數轉換模塊的精度以及處理數據的精度。（2）時間特性：上位機系統是實時監控系統，因為功能的要求，在時間上有以下特點：數據接受響應時間<400ms；畫面動態數據刷新≤1s；上位機監控系統發出指令到現場各工位的響應時間<150ms；動態保存一萬條或最近30天的事件記錄；靜態保持一年的事件記錄。（3）靈活性好：由于使用了通用的DDE（動態數據交換DynamicDataExchange）、OLE（對象鏈接和嵌入ObjectLinkingandEmebedding）、API（應用程序接口ApplicationProgramInterface）等技術，和其它商業軟件的接口有統一的外部接口方式，便于系統的二次開發。（4）可靠性高：在人機交互界面設計上充分考慮了容錯設計（如輸入提示功能的設計，參數輸入容錯的設計，對供編輯功能的模塊程序采用多級密碼控制的方法，輸出界面安全性設計等等）。通過以上措施杜絕了由于誤改造成的經濟損失，盡量降低對操作人員水平的要求，多處采用提示的方法便于用戶使用。在程序結構上對于轉移條件的審查，算法容錯的設計等方面都有充分的考慮。上位機監控系統跟PLC通過MPI協議通訊，可靠性高。（5）安全保密：由于本系統是用戶單位內部使用，在數據交換上使用專線傳送，因此在系統設計中未考慮軟硬件的加密方式，在軟件上亦僅在遠方操作時，進行操作員密碼的檢測和操作員個人登記。另外，也可以利用WINDOWS2000平臺進行安全設定。（6）可維護性好：軟件編碼標準和命名約定采用一致性約定，例如全局變量在所有程序中應該具有相同的名字并在公共的變量表中進行定義，局部模塊變量在模塊或系統說明書中有意義，但只在一段子程序中出現，這些變量的名字可以與其他的局部變量重命。系統在文檔管理、構造流程圖、輸入輸出過程、出錯處理、模塊接口以及模塊和變量的命名采用統一的編碼標準和注釋及風格，便于對程序的全面理解。2.4.4上位機監控系統的測試策略系統測試的主要目的是檢測程序是否滿足設計的要求，及時的查出程序的錯誤，以便及時改正，使系統更好的滿足用戶的要求。M測長系統上位機監控系統的測試也采用漸進性測試策略，主要目的是在失效發生后減少錯誤定位的難度，有利于發現和改正錯誤。漸進性測試必須從單元（模塊）測試開始，只有在單元測試完成以后才能進入綜合測試，綜合測試的主要目的，不是發現單元和模塊內部的錯誤，而是檢查單元和模塊之間的接口，以及檢查程序的總體結構。上位機監控系統的軟件測試采取了以下措施：1、設計人員在編寫完每個模塊后，馬上進行單元測試，例如先進行正常輸入條件的測試，通過以后，進行非正常輸入條件的測試。對于一些邊界條件的測試，設計了相應的測試案例進行測試。2、測試案例盡可能選擇能暴露程序錯誤的案例，不僅包括正常的輸入條件還要包括非正常的輸入條件。3、程序不能完全由設計人員自行測試。測試過程本質就是破壞性過程，設計人員選用白盒測試對自己程序進行測試，當程序測試完以后，就交給測試人員來進行黑盒測試。最后由用戶進行測試，直至滿足用戶的需求。3部件設計及計算3.1推鋼機構的設計3.1.1動力傳動齒輪的設計因批量較小，故齒輪用40Cr,調質處理，硬度241HB-286HB,平均取260HB。(本章計算圖與表參考文獻20)轉矩=9.55=199416=199416齒寬系數由表12.13取=1.0=1.0接觸疲極限由圖12.17C[20]=580MPa初步計算許用接觸應力[]=0.9=522MPa（式12.15[20]）Ad值由表12.16取Ad=85初步計算齒輪直徑DAd（式12.14[20]）=76.5(U=)取D=84mm初步齒寬bb=D取b=84mm校核計算圓周速度V:V=V=0.14m/s精度等級由表12.6[20]選6級精度齒數Z和模數M初取齒數Z=28M==3由表12.3取M=3則Z=D/M=21Z=28使用系數由表12.9[20]=1.75動載荷系數由圖12.9[20]=1.1齒間載荷分配系數由表12.10[20]先求=2T/D=4748N=98.9N/mm（式12.6[20]）=1.73=0.87（式12.10[20]）由此得==1.32=1.32齒間載荷分配系數由表12.11[20]=A+B=1.38載荷系數KK==3.5（式12.5[20]）彈性系數由表12.12[20]=189.9MPa節點區域系數由圖12.16[20]=2.5接觸最小安全系數由表12.44[20]=1.15總工作時間=4800h應力循環次數由表12.15[20]，估計,則指數M=8.78=（式12.13[20]）=1.3=1.3原估計循環次數正確。接觸壽命系數由圖12.18[20]=1.2許用接觸應力==632MPa（式12.11[20]）驗算=（式12.8[20]）=623MPa<計算結果表明，接觸疲勞強度較為合適，齒輪尺寸無需調整。否則，尺寸調整后還應再進行驗算確定傳動主要尺寸實際分度圓直徑d因模數取標準值時，齒數已總新確定，但并為圓整，故分度圓直徑不會改變，即=283=84mmd=84mm齒寬b=Db=84mm因齒輪與齒條嚙合，所以中心距無限大齒根彎曲疲勞強度驗算重合度系數=0.25+=0.68=0.68（式12.18[20]）齒間載荷分配系數由表12.10[20]，=1/=1.49齒向載荷分布系數b/h=84/(2.254)=19.3由圖12.14[20]=1.4載荷系數KK=