超聲波探傷線鋼管對接電氣控制系統的研制

徐 馳，徐達力，馬賓鋒，樊 萍，黃維勇，汪恩輝

（1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.西安電力電子技術研究所，陜西 西安 710077）

隨著石油工業的迅猛發展，油井開采環境日益惡劣，油田用戶對各類油井管的質量提出了更高要求［1］。分析研究油井管的失效、損毀原因，主要是由油井管在加工過程中產生的缺陷引起的［2］。鋼管制造廠家加強對鋼管的在線檢測尤為重要，無損探傷和水壓試驗是鋼管檢測的必要手段。超聲波探傷作為無損探傷的主要代表，因其具有方便、快捷、檢測可靠等優勢，成為鋼管檢測生產線上必不可缺的探傷方式［3-5］。

目前能生產超聲波探傷設備的廠家主要分布在美國及歐洲地區少數國家，而我國則處于設計研發初期。2007年，江蘇常寶鋼管股份有限公司（簡稱常寶）為了適應產品的海外訂貨量及質量要求，需引進德國GE公司生產的超聲波探傷設備。考慮到建設投資成本，常寶提出了只引進超聲波探傷機主機，探傷所需要的鋼管頭尾對接和對接之后的同步運動設備及電氣控制系統采用國產成套。在經過多次方案交流與論證后，由中國重型機械研究院股份公司設計超聲波探傷線鋼管頭尾精準對接電氣控制系統。

1 頭尾精準對接問題的提出

超聲波在水中的衰減很小，探傷過程中需要被檢測物體外表浸潤在水中或是有水膜覆蓋，且在浸潤中鋼管內部不能進水。單根鋼管探傷時，兩端需要封堵，防止水進入鋼管內；批量、高效、連續地探傷鋼管時，要求鋼管頭尾對接，避免水進入鋼管內，并且在對接過程中不能產生沖擊，以免影響探傷效果。因此，需研發鋼管對接運輸機構，并在電氣系統上有效地控制對接過程，保證平穩對接，且對接之后的鋼管要同步運動，滿足探傷速度要求。

本文重點介紹超聲波探傷線鋼管對接電氣控制系統的硬件和軟件。硬件主要由PLC控制器、交流變頻傳動、接近開關、光電開關等元件組成；軟件由西門子STEP7編制［6-13］。整個系統控制鋼管頭部在一定范圍內精準且無撞擊地追上前一根鋼管的尾部，并跟隨運動；對于較長的輸送輥道，設置有縮短鋼管頭尾距離的粗追擊，減小精準追擊的距離。該系統用于鋼管超聲波探傷線的輔助設備，保證鋼管在超聲波探傷時頭尾相接，實現鋼管的批量、連續探傷。

2 對接過程的理論分析

研發的目的是為超聲波探傷機提供一套結構簡單、功能完善、控制可靠、能滿足不同直徑及長度鋼管的頭尾精準且無撞擊追擊跟隨控制系統。

從運動學角度描述：追擊過程為兩根鋼管作前后運動，后一根鋼管快速追擊前一根鋼管，在靠近前一根鋼管的尾部時，無沖擊地與前一根鋼管的尾部對接，并與其同步以探傷速度運行。可以歸結為兩個物體的追擊問題，即第一個物體向前勻速直線運行，第二個物體在相距一定距離內，以較快的速度在一定的時間內追上第一個物體［14］。假設第一個物體的行進速度為v1，第二個物體的行進速度為v2（v2∧v1），經過sc的距離，需要追擊時間tx，由sc=（v2-v1）×tx推導出公式：

式中k——兩個物體行進速度的比值，k=v2/v1；

t1——第一個物體尾部通過參考點至第二個物體頭部到達參考點時所需的時間（t1=sc/v1），s。

如果把k設成一個定值，可以通過t1求得追擊時間tx，這樣就把看似變化不斷、測量困難的追擊問題轉換成一個時間的問題。只需設置一個測量點，用1個計時器就可解決問題，這也是本設計的最大特點。鋼管追擊運動過程如圖1所示。

圖1 鋼管追擊運動過程示意

實際中，追擊必須在鋼管尾部進入夾送輥前完成。如果k值過小，在有限的追擊距離內不能完成對接；如果k值過大，變頻器速度上限值達不到要求。因此，k值的取值范圍應為1≤k≤追擊輥最大線速度/v1；另外，k值還要受到追擊距離的限制。

3 控制系統的設計

3.1 硬 件

通過理論分析得出：為了使后一根鋼管在直線運動中追趕上前一根鋼管并跟隨運動，就得設計跟隨輥道和追擊輥道。本次設計了1個跟隨輥道、2個追擊輥道及1個受料輥道，輥道的數量根據工藝要求增減。要求輥道能變速，所以采用變頻器來控制輥道電機，確保進入跟隨區的鋼管跟隨運動，跟隨區外的鋼管追擊運動。

在對接區域前設置第一個檢測點SQ1，測量前一根鋼管尾部離開至后一根鋼管頭部到達的時間t1，采用對射式光電開關檢測鋼管頭尾，通過式（1）計算出追擊時間tx，同時控制前一根鋼管以跟隨速度運行，控制后一根鋼管以追擊速度運行tx時間后，使后一根鋼管也以跟隨速度運行，實現兩根鋼管頭尾精確無撞擊對接跟隨運動。

在第一追擊輥道之前設置第二個檢測點SQ2，在第二追擊輥道之前設置第三個檢測點SQ3，當前一根鋼管的尾部通過了SQ2接近開關，后一根鋼管的頭部還沒有到達SQ3接近開關，則后一根鋼管以追擊速度運行；當前一根鋼管的尾部通過了SQ2接近開關，后一根鋼管的頭部通過了SQ3接近開關，則前后鋼管以跟隨速度運行；設計2個追擊輥道是為了實現輥道較長時縮短鋼管頭尾距離的粗追擊，采用接近開關檢測鋼管頭尾。接近開關的數量與追擊輥道的數量、長度有關；如果有n個追擊輥道，則接近開關數量為（n-2）個。

圖2 超聲波探傷線鋼管對接電氣控制系統的硬件配置示意

超聲波探傷線鋼管對接電氣控制系統的硬件配置如圖2所示。為了跟隨超聲波探傷的速度，控制系統設置了1個模擬量輸入模塊，用于讀取超聲波探傷速度值；為實現計算、控制及顯示，控制系統設計有可編程控制的CPU、人機界面HMI，并建立了整個系統的網絡連接［15-21］。

把關于距離的問題轉換成關于時間的問題，是該方案設計的關鍵；把理論分析得出的結論，用PLC編制成應用軟件，是該設計成功應用的難點。在追擊時，兩根鋼管的相對距離是隨時間變化且不確定的，更換生產規格后，會引發設備各參數的變化，如果要檢測其相對距離，檢測設備繁多，投資成本較高，并且實現較困難。根據式（1）將關于距離的問題轉換成關于時間的問題，假設v2、v1不變，即k值一定，只需測得t1就能計算出追擊時間tx，而t1可以由測量點SQ1的光電開關測得。在實際編程過程中還將理論分析的結果進一步簡化，使程序運行更為方便可靠。把tx輸入計時器，當計時器計時結束，就認為后一根鋼管頭部追上了前一根鋼管的尾部，此時調整后一根鋼管的速度為v1，從而實現兩根鋼管頭尾無撞擊對接并跟隨運動的功能。

將距離的檢測和控制轉換成時間的測量和控制，使得控制系統的硬件設計簡單易行，只需要少數檢測開關，同時利用PLC的計算和計時功能，實現探傷機要求的無撞擊精準跟蹤。

3.2 軟 件

軟件編制的難點和關鍵點，就是如何把計時器的數值轉換成實數計算的數值，并且結合檢測開關信號，準確、及時地完成控制過程。超聲波探傷線鋼管對接電氣控制系統的程序框圖如圖3所示。

圖3 超聲波探傷線鋼管對接電氣控制系統的程序框圖

4 系統的特點

超聲波探傷線鋼管對接電氣控制系統將不易檢測的動態距離問題轉換成時間問題，使用常規的PLC進行編程，充分開發PLC的計算功能、計時功能，使復雜問題簡單化；而且在調整主機生產速度及更換生產規格后，不需要調整設備參數，系統通過軟件設計實現了隨動跟蹤。

5 結 語

設計的超聲波探傷線鋼管頭尾精準對接電氣控制系統已于2007年12月17日在常寶探傷生產線上成功應用，該研究成果已獲國家發明專利（專利號：200810150555.9）。該電氣控制系統投入生產以來，運行穩定、安全可靠、經濟效益顯著，現在國內還有相關石油鋼管生產企業采用了該電氣控制系統。實踐證明：超聲波探傷線鋼管頭尾精準對接電氣控制系統的開發是成功的，具有很好的推廣價值；系統采用的創新設計理念值得同行參考。

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