基于PLC的大口徑油氣管材彎管機電液控制系統(tǒng)

劉文學(xué)，趙少鵬，王磊剛

LIU Wen-xue, ZHAO Shao-peng, WANG Lei-gang

（河北科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，石家莊 050018）

0 引言

大口徑油氣管材彎管機是在大型長距離的油氣輸送管線工程中用于改變管線方向的一種機械設(shè)備，可以實現(xiàn)野外現(xiàn)場彎管作業(yè)。隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，在日常工作生活中需大量使用油氣資源，對于油氣開采之后的運輸就成為了開采后的又一大重要工程。我國地域遼闊，地形地貌復(fù)雜，油氣輸送管線的鋪設(shè)需根據(jù)地形的基本走勢來決定，管線施工中時常用到大口徑彎管機[1]。

目前的彎管設(shè)備彎管作業(yè)時需要不少于三位工人同時在場協(xié)助彎管作業(yè)，并且彎折管材時每個步驟都由工人手動操作完成，在每次的彎折過程中，工人都需要停下設(shè)備標記鋼管的彎折位置，并且鋼管每次彎折的角度是通過人工測量的數(shù)據(jù)換算而來，這些操作流程都加重了工人的工作量并增加了彎管成品的誤差率[2]。針對目前大口徑油氣管材彎管機自動化程度低的現(xiàn)狀，通過分析機器的工作原理結(jié)合PLC控制技術(shù)，設(shè)計了大口徑彎管機的電液控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了彎管過程的自動化。

1 彎管機的主要技術(shù)參數(shù)及工作原理

1.1 技術(shù)參數(shù)及系統(tǒng)組成

大口徑油氣管材彎管機的最大適用鋼管直徑為1422mm，鋼管壁厚為38mm，鋼管長度為12000mm，鋼管最大彎折角度是1 0.5°，單次彎折角度只有0.2°～0.5°，每次彎折的位置間隔為300mm，單次彎折角度之和為鋼管的最終彎折角度[3]。

彎管機的系統(tǒng)主要由機架總成、管材彎折系統(tǒng)、電液控制系統(tǒng)組成。機架總成主要由側(cè)板、連接板、加強軸組成；管材彎折系統(tǒng)主要由楔塊、上胎、下胎、內(nèi)胎、夾具、卷揚機構(gòu)、支撐導(dǎo)輪等組成。其中內(nèi)胎由爬行裝置和張緊裝置組成，卷揚機構(gòu)由卷揚機、液壓馬達、減速箱、鋼絲繩組成[4]，上胎和下胎為半圓形基座；電液控制系統(tǒng)主要由液壓動力站、液壓工作站、可編程控制器、傳感器和觸摸屏等組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 彎管機總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理及彎管過程

彎管機的工作原理是通過可編程控制器接收和處理各傳感器的數(shù)據(jù)并發(fā)出相應(yīng)的指令，控制液壓系統(tǒng)各閥體電磁鐵的通斷，實現(xiàn)設(shè)備對鋼管的移動、固定和彎折等動作[5]，其彎管原理示意圖如圖2所示。

彎管過程可分為四個部分：送管→定位→彎管→ 復(fù)位。

1）送管：工人將待彎的鋼材由吊管機從夾具一端放入彎管機中，內(nèi)胎同時鉆入鋼管內(nèi)，鋼管放置到合適的位置后開始彎管，通過卷揚機拉動鋼管向夾具一端移動，移動達到300mm后停止送管完成。

圖2 彎管原理示意圖

2）定位：定位是彎管前的準備過程，防止鋼管發(fā)生移動。內(nèi)胎在鋼管內(nèi)向主油缸一端行走，移動至上胎正下方。然后內(nèi)胎張緊裝置支撐住鋼管內(nèi)壁（防止彎折時鋼管出現(xiàn)憋管現(xiàn)象），完成張緊后。楔塊缸水平向外伸出舉升鋼管高度，夾具夾緊鋼管的一端（防止鋼管發(fā)生自身的旋轉(zhuǎn)）定位完成[6]。

3）彎管：提升缸帶動下胎的左端向上運動，提升管材高度，使鋼管上沿緊貼上胎面。主油缸舉升下胎右端，使鋼管的右端升起。由夾具和上胎起支點的作用，主油缸施加彎矩，使鋼管發(fā)生塑性變形，鋼管被彎折出一定角度，彎管完成[7]。

4）復(fù)位：彎管結(jié)束后，各個液壓缸按逆向順序依次回復(fù)原位，開始重復(fù)之前動作，上述操作循環(huán)進行，直至鋼管達到總彎折角度要求。

2 電液控制系統(tǒng)工作原理

2.1 彎管機的液壓控制系統(tǒng)

大口徑油氣管材彎管機液壓系統(tǒng)中油缸均為雙作用式油缸，液壓馬達為徑向球塞式液壓馬達[8]。按液壓系統(tǒng)功能可分為卷揚機及內(nèi)胎行走回路；內(nèi)胎缸、夾緊缸及楔塊缸回路；主油缸及提升缸回路，其液壓控制回路如圖3所示。

圖3 液壓控制回路圖

1）卷揚機及內(nèi)胎行走回路：用于鋼管在彎管機中左右移動和內(nèi)胎在鋼管內(nèi)左右行走。電磁鐵YA4、YA14通電，卷揚機液壓馬達正轉(zhuǎn)，裝置可拉動鋼管向左移動，電磁鐵YA5、YA14通電，卷揚機液壓馬達反轉(zhuǎn)，裝置可拉動鋼管向右移動。電磁鐵YA2、YA14通電，內(nèi)胎液壓馬達正轉(zhuǎn)，內(nèi)胎可向左行走，電磁鐵YA3、YA14通電，內(nèi)胎液壓馬達反轉(zhuǎn)，內(nèi)胎可向右行走。

在卷揚機及內(nèi)胎行走回路中，采用電磁溢流閥組成卸荷回路，啟動泵站發(fā)動機時，電磁鐵YA1通電，液壓泵卸載[9]，可減少能量損耗，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，起到調(diào)壓、卸荷平穩(wěn)起動的作用[10]。另外回路均采用疊加式單向節(jié)流閥，可以雙向調(diào)節(jié)液壓缸的流量，正向流動時起單向閥作用，反向流動時起節(jié)流閥作用。

2）內(nèi)胎缸、夾緊缸及楔塊缸回路：用于在彎管過程中對鋼管內(nèi)壁的支撐、鋼管一端的夾緊和松開、鋼管的抬升和下放。通過控制三位四通換向閥21、22、23的電磁鐵通斷，實現(xiàn)張緊裝置、夾具和楔塊的伸縮[11]。由于楔塊缸需要有足夠長時間的水平向外的推力，所以楔塊缸回路的換向閥改用“Y”型機能的三維四通換向閥， 同時加一個液控單向閥18的鎖緊回路來進行保壓，減少壓力損失，提高設(shè)備在彎管過程中的可靠性[12]。

3）主油缸及提升缸回路：用于使鋼管外壁緊貼上胎面并對鋼管另一端施加彎矩，使鋼管產(chǎn)生塑性變 形[13]。電磁鐵YA13、YA14通電，液壓油進入提升缸有桿腔，提升缸收縮。當提升缸有桿腔壓力大于順序閥6的調(diào)定壓力值后，液壓油打開順序閥6進入主油缸無桿腔，主油缸伸出。電磁鐵YA12、YA14通電，液壓油進入提升缸無桿腔和主油缸有桿腔，經(jīng)單向閥流回油箱，提升缸伸出，主油缸同時收縮回位。

主油缸及提升缸回路中工作順序要求對鋼管先提升再彎折并且保證有一定的提升力和彎矩，所以在回路中，提升缸和主油缸之間串聯(lián)一個單向順序閥。在提升缸液壓油壓力不足以打開順序閥之前完成鋼管的提升動作，隨著鋼管與上胎面貼緊，壓力足以打開順序閥后，主油缸開始舉升，由夾具和上胎起支點的作用，主油缸施加彎矩達到彎管的角度要求[14]。

2.2 彎管機的電氣控制系統(tǒng)

如圖4所示為PLC控制框架圖，操作員可以通過觸摸屏顯示面板實時的觀察各個油缸的壓力值、單次彎折角度值、管道總的彎折角度值等數(shù)據(jù)并可以通過數(shù)據(jù)設(shè)置窗口隨時修改參數(shù)，實現(xiàn)了人機直接對話的要求。電氣控制系統(tǒng)以PLC為核心，工作模式分為自動和手動模式兩種。在自動模式下，操作員將油氣管道放置在彎管機的適當位置后，彎管機開始自動彎管作業(yè)，手動模式常用于設(shè)備的維修或養(yǎng)護中[15]。

1）硬件設(shè)計

PLC I/O地址分配如表1所示，由PLC和觸摸屏處理傳感器采集的數(shù)據(jù)，再控制各個電磁換向閥實現(xiàn)液壓執(zhí)行元件的動作。該控制系統(tǒng)硬件采用臺達DVP-SV2可編程控制器外加擴展模塊組成，擴展模塊由一個數(shù)字量模塊、兩個模擬量模塊和一個串行通訊模塊組成。包括18個輸入點，13個輸出點[17]。其中檢測彎管角度值的傳感器與串行通訊模塊相連實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸；檢測單次送管300mm的米輪傳感器與PLC的脈沖高速計數(shù)口相連；激光測距和壓力傳感器等與兩個模擬量模塊相連并將各項數(shù)據(jù)實時顯示在觸摸屏上[16]。

2）軟件設(shè)計

PLC程序采用梯形圖編寫，通過對彎管機工作任務(wù)和工作順序的分析，該控制系統(tǒng)采用步進式的順序控制方式，即上一步的要求動作完成后，達到下一步動作的開始條件，則觸發(fā)并開始下一步。控制流程圖如圖5所示，系統(tǒng)開始后，選擇自動模式便進入自動彎管流程[17]。

圖4 PLC控制框架圖

3 彎管機的彎管精度分析

PLC在大口徑油氣管材彎管機中最關(guān)鍵的應(yīng)用是提高送管和彎管的精度，解決工人在彎管過程中造成較大的加工誤差。

表1 PLC I/O地址分配

圖5 控制流程圖

3.1 送管的精度控制

在彎管機進行完一次彎管后，需要鋼管向左送管300mm，再進行下一次彎管。使用米輪傳感器可以控制送管的位移，根據(jù)米輪的位移量及輸出的脈沖數(shù)換算出米輪的脈沖當量：

其中，n為米輪輸出的脈沖數(shù)；S為米輪的位移量；d為米輪的脈沖當量，即送管的精度。米輪自轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)n為500，米輪自轉(zhuǎn)一圈的位移量S為100mm，則米輪的脈沖當量d即送管的精度為0.2mm，所以每次送管300mm只需米輪發(fā)出1500個脈沖信號，位移精度可以滿足實際加工要求[18]。

3.2 彎管角度的精度控制

每次彎管時，都是鋼管一端固定另一端起升形成彎折角，由于彎管機沒有絕對水平所以在管材的兩端分別安放一個固定端角度傳感器和起升端角度傳感器，傳感器的精度為0.01°。通過兩個角度數(shù)據(jù)相減可以實時獲取彎折總角度值，通過采集并保存每次彎折前的起升端角度與起升端實時角度相減可以獲得單次彎折的角度值，這樣既可以顯示單次彎折角又可以顯示總的彎折角實現(xiàn)了對彎管角度是實時監(jiān)控。

4 結(jié)束語

通過對大口徑油氣管道彎管機工作原理的詳細分析，加入必要的傳感器和控制器等必要器件，滿足了彎管機在彎折大口徑鋼管中的液壓系統(tǒng)的技術(shù)要求，使彎管機實現(xiàn)自動化的生產(chǎn)方式。能夠減少用工人數(shù)，簡化操作步驟，縮小現(xiàn)有的誤差范圍，提高彎管的成功率。PLC控制系統(tǒng)在彎管機中的應(yīng)用，為油氣管線鋪設(shè)工作提供了更為高效可靠的機電一體化設(shè)備。彎管機自動彎管功能的實現(xiàn)具有很大的經(jīng)濟價值和應(yīng)用價值，同時，利于大口徑油氣管道彎管機得到更加廣泛的推廣使用。

[1] 池強,劉迎來,高廣林,等.X70鋼螺旋焊縫冷彎管的質(zhì)量評價[J].理化檢驗(物理分冊),2009,04:195-198.

[2] 晏利君,楊眉,易誠,等.油氣管線用冷彎管加工工藝分析[J].熱加工工藝,2013,05:143-145+148.

[3] 劉然,王長江,張連宇.油氣管道彎管試壓技術(shù)方案研究[J].石油礦場機械,2013,05:12-15.

[4] 馬明來.CYW-1422型垂直液壓冷彎管機的研制及應(yīng)用[J].石油工程建設(shè),2008,06:75-78+111.

[5] 時焱,陳建平.WZP系列管道爬行器在長輸管道施工中的應(yīng)用[J].石油工程建設(shè),2008,06:78-80+112.

[6] 張坤義,徐艷,陳芳,等.CYW-1422型垂直液壓冷彎管機[J].石油科技論壇,2011,05:54-56+69-70.

[7] 李建英.彎管機液壓系統(tǒng)的改進設(shè)計[J].機械工程與自動化,2009,04:171-172.

[8] 張健.大型立式珩磨機液壓控制系統(tǒng)設(shè)計與研究[D].沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué),2013.

[9] 李湘閩.YWJ－2型液壓彎管機液壓系統(tǒng)與電氣控制[J].南方冶金學(xué)院學(xué)報,1994,01:27-31.

[10] 李穎,楊健,鄒炳燕,等.全液壓驅(qū)動自行式高空作業(yè)車[J].制造業(yè)自動化,2014,02:119-122.

[11] 王積偉,章宏甲,黃誼.液壓與氣壓傳動[M].2版.北京:機械工業(yè)出版社,2005.

[12] 劉軍營,李素玲,等.液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010.

[13] 陳宏波.舉升液壓系統(tǒng)數(shù)控模擬試驗臺的設(shè)計與研究[D].河北:河北科技大學(xué),2011.

[14] 譚寶成,張海東.大口徑彎管機控制系統(tǒng)建模與實現(xiàn)[J].西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2014,02:167-172.

[15] 王文紅,左繼承.PLC在液壓驅(qū)動立體彎管機中的應(yīng)用[J].液壓與氣動,2006,09:53-56.

[16] 葉金玲,葉峰.基于PLC控制的塑料注射成型機液壓系統(tǒng)的設(shè)計[J].機床與液壓,2014,02:77-81.

[17] 方秀榮,曹文勝.大口徑中頻加熱液壓彎管機的液壓技術(shù)研究[J].液壓與氣動,2010,07:46-48.

[18] 王鵬,李東濱,劉朝陽,等.基于PLC與步進電動機的全自動數(shù)控彎管機設(shè)計[J].電氣技術(shù),2010,09:51-53.