基于VC平臺的厚壁無縫鋼管超聲波探傷系統的軟件設計

起雪梅，張敬東

（攀枝花學院交通與汽車工程學院，攀枝花 617000）

熱等靜壓（簡稱HIP）是一種集高溫、高壓于一體的工藝生產技術，加熱溫度通常為1 000～2 000 ℃，通過以密閉容器中的高壓惰性氣體或氮氣為傳壓介質，工作壓力可達200 MPa［1］。等靜壓裝備被廣泛應用于航空航天、核工業(yè)、兵器、電子、冶金建材、陶瓷、耐火材料、磁性材料、醫(yī)藥食品等行業(yè)。熱等靜壓機中高壓無縫鋼管是整個系統中最薄弱的環(huán)節(jié)，因此對于無縫鋼管的質量要求也就顯得尤為重要，也就突出了鋼管缺陷檢測的重要性［2，14］。

超聲檢測相比其他無損檢測方法具有以下優(yōu)點［3－5］：能夠對金屬、非金屬、復合材料等物體進行無損檢測；穿透力強，可檢出工件內部較大厚度范圍內的缺陷；靈敏度高，可檢出工件內尺寸很小的缺陷；準確的缺陷定位能力；低廉、高速、輕便、易用，對人與環(huán)境無害等。目前國內對無縫鋼管進行超聲波探傷大都是按照GB／T 5777—1996《無縫鋼管超聲波探傷檢驗方法》來執(zhí)行的，但此標準只適用于壁厚與外徑之比t／D小于0.2 的薄壁管探傷［5］。本項目中所采用φ12mm×4mm、φ20mm×6mm、φ38 mm×12 mm、φ50 mm×12 mm 四種不同規(guī)格的無縫鋼管的壁厚外徑比t／D大于0.2，均系厚壁管。對于t／D大于0.2的厚壁管探傷，只能選擇合適的檢測參數，使其既能滿足純橫波探傷的需要，又能滿足內壁探傷的要求。

筆者在研究厚壁無縫鋼管的超聲波探傷原理的基礎上，結合探傷的實際需求和基于PC 平臺的VC編程軟件，設計了一種基于VC 平臺的厚壁無縫鋼管超聲波探傷軟件系統，并在現場環(huán)境下對整個軟件系統進行了調試，結果表明軟件系統滿足了探傷性能指標要求。

1 厚壁管材探傷原理

無縫鋼管的超聲波探傷目的是發(fā)現鋼管中存在的各種缺陷，避免這些缺陷帶來的安全隱患。一般來講，無縫鋼管中存在的缺陷大多數是與管材軸線平行（稱之為縱向缺陷），因此超聲波可以沿管材外圓的周向掃入并以橫波探傷為主，但同時在無縫鋼管中也可能存在與管材軸線垂直方向的缺陷（稱之為橫向缺陷或是周向缺陷）［6］。對于t／D大于0.2的厚壁無縫鋼管，無法實現純橫波內壁探傷，但可以通過選擇合適的檢測參數，然后用折射縱波檢測管外壁缺陷，折射橫波檢測管內壁缺陷，也能達到較好的檢測效果。

超聲波在液－鋼界面發(fā)生折射，折射后的波型即有橫波也有縱波，折射橫波無法打到鋼管的內壁，只能在鋼管的外壁反射。而折射縱波打到外壁上時，超聲波就會在外壁上產生波型轉換，產生反射橫波，反射橫波可以射到厚壁管的內壁［7］。因此，可以利用波型轉換后的反射橫波進行鋼管內壁的缺陷探傷，厚壁管縱向缺陷的超聲波檢測原理如圖1所示。圖中T 為始波，S1為界面波，F內為內壁缺陷波，F外為外壁缺陷波，S2為界面波。

2 系統組成

圖1 厚壁管縱向缺陷的超聲波探傷原理圖

筆者設計的小徑厚壁鋼管超聲波自動探傷系統包括超聲檢測系統、基于PLC 電氣控制系統、機械傳動系統和軟件系統。系統總體設計框架是基于PC平臺，四通道超聲波板卡PR401、超聲波時序控制濾波板卡TCF6401B 及A／D 數據采集卡通過ISA 總線與上位機進行通信，上位機可以控制伺服電機與聲光報警的運行狀態(tài)，伺服電機帶動整個傳動系統，實現鋼管的勻速螺旋前進，探頭可以實現全面動態(tài)掃描［8－11］。探傷系統的結構如圖2所示。

圖2 無縫鋼管超聲自動探傷系統結構示意圖

厚壁無縫鋼管超聲波自動探傷系統實物圖如圖3所示，從圖中可看出該系統主要包括工控機、超聲波發(fā)射接收卡、數據采集卡、PLC 控制系統和機械傳動系統等。

圖3 厚壁無縫鋼管超聲波自動探傷系統實物圖

2.1 系統軟件總體結構

系統采用分層與模塊化方法設計了厚壁無縫鋼管超聲波缺陷檢測模塊，使用面向對象的方法設計了該模塊結構，提高了代碼的重用度、可擴展性與可移植性。系統是基于Windows 2000系統開發(fā)的，并采用Visual C＋＋6.0集成開發(fā)環(huán)境作為開發(fā)平臺；Visual C＋＋6.0既可以提供豐富的可視化編程方法、也提供直接對系統底層操作的API函數。應用軟件層位于系統最頂層，是通過調用Windows 2000的系統函數進行訪問與控制其他硬件設備的［12－14］。軟件系統設計的總體框架和軟件工作流程如圖4，5所示。

圖4 軟件系統設計的總體框架

圖5 軟件工作流程圖

2.2 回波采集模塊

在工業(yè)控制過程中，為了實現軟件系統的實時數據采集，提高數據采集的頻率，應該在不占用大量CPU 的情況下盡可能地提高定時器的精度。軟件系統的數據采集模塊是保證定時器的定時精度和對數據采集卡等硬件I／O 接口地址數據的實時讀寫操作。

為了實現數據的實時采集，提高軟件系統的定時器精度，系統采用多媒體定時器timeSetEvent（）函數，timeSetEvent（）函數工作原理圖如圖6所示，該函數定時精度為ms級。它采用的是避開Windows的消息隊列、設置定時回調函數的方法，是win32API函數庫的高精度計時的底層函數。多媒體定時器的實時數據采集精度可達到1ms，可以滿足超聲波回波實時數據采集系統的定時要求。

圖6 timeSetEvent（）函數工作原理圖

2.3 預處理模塊

預處理模塊的工作任務主要是連接超聲波板卡、數據采集卡與PLC，通過Windows底層函數對硬件的寄存器進行讀寫操作，硬件接收到數據后便做出相應的初始化設置。預處理模塊的信號濾波單元，主要是帶通濾波。超聲波探傷現場的干擾因素都可能會給探傷系統帶來雜波信號，這些都將影響到探傷結果。在數據采集的板卡上設計濾波電路，可以實現信號高通、低通等濾波處理功能。

預處理模塊還包括檢波／射檢、增益、主增益、波形顯示范圍、高壓值、PLC 等的一些初始化工作，主要功能如圖7所示。

2.4 回波顯示模塊

該模塊主要是將采集的回波數據以波形圖的形式顯示在軟件界面中，為了實現回波數據的實時顯示并且不產生閃爍的現象，系統采用“雙緩存”機制來實現探傷波形的繪制。這種方法可以避免閃爍效果，提高繪圖速度，改善繪圖效果，雙緩沖機制的繪圖原理如圖8所示。

圖7 預處理模塊主要功能

圖8 雙緩沖機制的繪圖原理

雙緩沖機制是在VC＋＋環(huán)境下實現該原理的，采用MFC 中的畫筆CPen類對象，實現在DC上完成繪制線條，再使用CBitmap類對象創(chuàng)建一個位圖對象，并初始化位圖句柄，將位圖選擇到已經創(chuàng)建好的一個屏幕兼容的內存DC，最后將在內存中繪制好的波形拷貝到picture box對象，從而實現了回波數據的實時顯示。

2.5 缺陷診斷模塊

在缺陷診斷功能模塊中，閘門范圍內的回波幅度是否超過閘門高度幅值是診斷缺陷的標準。缺陷診斷原理是：首先獲得閘門范圍內的回波最大值，回波最大值與閘門高度值比較，若回波最大值大于閘門高度值則說明鋼管存在缺陷，若回波最大值小于閘門高度值則說明鋼管不存在缺陷。

由WaveGate1Max（Channel）函數獲得所有通道的閘門范圍內的回波最大值，并保存在數組iGateMaxHighChannel中，計算出每個通道的閘門高度bChannel，將回波最大值與閘門高度進行比較，若回波高度大于閘門高度則判樣管有傷，系統保存缺陷數據，發(fā)出報警信號指令。

2.6 PLC控制模塊

PLC控制模塊在整個探傷軟件系統中擔當執(zhí)行者的角色，所有的機械運動操作都是通過PLC控制模塊發(fā)出的指令來實現控制的，接收到PLC發(fā)出的指令信號后利用STEP 7 MicroWIN32PLC編程軟件通過CP5611 將系統的PLC程序下載到下位機上，PLC 主程序包括四個部分：初始化程序、系統主程序、缺陷處理程序、數據交換程序。初始化程序主要是讀取待測管徑，通過管徑可以計算鋼管的水平運動速度，從而計算出噴標打點的延時時間。

2.7 報告生成模塊

在自動探傷過程中，系統發(fā)現缺陷波后會自動報警，并將缺陷數據添加至探傷報告數據庫，保存缺陷波形圖，最后自動生成探傷報告文件。報告生成的流程圖如圖9所示。

圖9 報告生成的流程圖

3 軟件系統功能測試

對厚壁無縫鋼管超聲波探傷系統的功能進行測試，探傷系統的主界面、報告管理系統和缺陷波管理系統功能測試結果如圖10～12所示。其中探傷報告管理系統采用Access作為數據庫，用VC＋＋編寫程序代碼，它與探傷主系統是分開獨立的系統。探傷主系統將無縫鋼管的探傷數據儲存到Access數據庫中，報告管理系統和缺陷管理系統對該數據庫中的數據進行調用，從而實現數據的統一管理。

圖10 探傷系統及管理系統的主界面

圖11 探傷報告管理系統

為測試探傷系統的性能，選用規(guī)格為φ20mm×6mm 的樣管進行現場調試與探傷，通道1 為縱向缺陷檢測通道，其通道1的閘門高度為60%；通道2為橫向缺陷檢測通道，其閘門高度為80%；探傷結果如圖13所示。

圖12 缺陷波管理系統界面

圖13 厚壁無縫鋼管探傷結果

因為縱向缺陷檢測通道的閘門高度為60%，橫向缺陷檢測通道的閘門高度為80%，當波的高度高于閘門高度時，即可判斷其缺陷的位置和程度。從探傷結果看出，無縫鋼管的內壁縱向和外壁縱向缺陷回波高度分別為100%和86%，都已超過了縱向缺陷波檢測的閘門高度60%；無縫鋼管的內壁橫向和外壁橫向缺陷回波高度分別為100%和92%，也都超過了橫向缺陷波檢測的閘門高度為80%。周向靈敏度差小于等于4dB，信噪比大于等于8dB。故系統的水平性誤差、垂直性誤差、電噪聲電平都符合系統設計時的性能指標。

4 結論

設計了與探傷系統配套的軟件系統，實現探傷軟件的實時采集、濾波處理、回波顯示、缺陷診斷、報告生成等功能，并通過對φ20mm×6mm 的樣管進行現場調試與探傷，得出該軟件系統可以滿足企業(yè)要求。其中探傷報告管理系統的設計，解決了傳統的便攜式超聲波探傷儀存在的缺點，可以實現生成單根鋼管的報告，也可以生成一批鋼管的探傷報告，從而有益于探傷報告的有效管理。缺陷波管理系統的設計，不光可以方便工作人員管理探傷報告中的缺陷波形，同時也方便操作人員根據缺陷波形判斷缺陷類型。

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