鈦用超聲波探傷分選系統的研究與應用

陳 媛

(寶鈦集團有限公司， 陜西 寶雞 721014)

鈦用超聲波探傷分選系統的研究與應用

陳 媛

(寶鈦集團有限公司， 陜西 寶雞 721014)

針對目前國內鈦行業管材超聲波探傷系統缺乏全自動分選裝置的現狀，設計一套鈦用超聲波探傷分選系統。系統采用InTouch組態軟件搭建人機智能界面，通過工業以太網與現場PLC進行數據傳輸，實現分選系統的自動運行和監控。根據現場生產狀況證實，此套系統性能穩定、運行可靠、擴展性好，實現了鈦管超聲波探傷的全自動分選控制。

全自動； PROFIBUS-DP； 主站/從站

0 引言

超聲波自動化系統對無縫鈦管探傷的技術始于二十多年前。到目前為止，國內的管材自動化超聲探傷設備多數需要探傷人員在現場臨視探傷設備并參與管材導入、導出，缺乏上位機的實時監視控制，既消耗了人力物力，而且在探傷結果上增加了若干不穩定的人為因素，影響生產效率和產品質量。為了解決此類問題，研制出鈦用超聲波探傷分選系統，它滿足用戶需求實現自動分選。

1 系統總述

根據控制層的工控機向設備層PLC發送的指令，下達到現場傳動系統控制和氣動系統動作，滿足了對鈦管自動進出超聲檢測設備及螺旋運動方向、速度的一系列控制要求。為防止突然斷電對系統造成影響，還采用不間斷電源對工控機和PLC供電，保證數據傳輸、存儲的可靠性，在一定時間內維持正常工作，保護負載軟、硬件不受損壞。

1.1 機械部分組成

本項目的機械部分如圖1所示：

圖1 系統機械部分組成框圖

1.2 電氣部分組成

電氣部分主要包括：交流電機、變頻器、工控機、PLC、傳感器、電磁閥、按鈕、各種電氣控制元件等。系統電氣組成框圖如圖2所示。

圖2 系統電氣組成框圖

工控機：實現與主站PLC的數據交換。操作人員根據相應的管理權限，使用人工交互界面對現場設備運行狀態進行監控、操作和維護，并能滿足系統升級擴展的需要。

主站PLC：通過工業以太網接收工控機下達的執行命令，對現場執行元件進行控制；采集現場數據上傳工控機；主叫從站建立通信。

從站PLC：建立通信后應答主站，執行主站下達的控制命令，主要實現前輥道送料、后輥道分撥料及其他附屬功能。

變頻器：控制前后輥道電機的運行和保護。

1.3 控制原理

全自動分選控制系統由通信控制、PLC控制和現場機械動作控制構成。其中工控機與PLC的通信完成了氣缸、電機和現場檢測元件動作的切換；PLC控制電機傳動、氣動裝置的啟停；氣缸和電機配合動作完成了機械動作的控制。系統需要調試和檢修時，可轉換成手動模式，進行各項測試。

1.4 系統工作過程

正常情況下，系統采用自動模式控制。管材經端頭取毛刺后整批放入進料臺架。合上自動開關，系統正常啟動后，由接近開關1控制上料偏心輪升將，每次只頂起一支鈦管翻入過渡臺架，沿過渡臺架斜面滾入到進料滾道上。進入輥道后，上料架的撥料桿回縮。鈦管在進入探傷主機的運行過程中，接近開關2檢測到后，下壓裝置氣缸動作，讓壓輪壓著檢測管平穩運行傳送至探傷主機入口端。當探傷完畢后，將前后兩根檢測管的頭、尾進行快速分離。此刻，上位機向PLC發出檢測結果信號。待已檢管棒材尾部到達撥料位置，接近開關3確認后，PLC根據得到的分選指令，向正、廢品撥料裝置氣缸發出指令動作,將鈦管自動分選撥入輥道左右兩側。PLC接收到已撥管棒材正確撥入的確認信號后，再次向撥料氣動氣缸發出回位指令，撥料裝置倒回原初始位置，等待進行下一輪的分離撥料動作。

在系統運行過程中，根據用戶現場需求，有三種工作模式可供選擇：

自動模式——只需在手觸操作模板輸入管材型號和探傷等級，輥道傳送部分就可自動調整傳送方向、速度及控制要求進行跟隨，無需進行操作。

樣管模式——每一批次的檢測管在探傷前，都要先進行樣管檢測，目的是為了調整機械平穩度、同心度及探傷參數的準確度。在此模式下，本系統只進行傳輸不分檢，無需進行操作。

手動模式——此模式下，本系統的控制與探傷主機的控制完全分離，便于進行系統維護工作。

2 關鍵技術

2.1 數字化集成技術

本系統運用了制造領域的數字化，它的硬件搭建集成了制造技術，用戶監控界面運用了計算機應用技術，整套控制系統使用了網絡技術，所以是集制造技術、計算機技術、網絡技術的交叉、融和與應用的結果。

本系統的網絡結構是由七個站點構成，通過PROFIBUS-DP總線進行串行連接，構成總線型拓撲結構。如圖3所示。

在使用Step7軟件進行網絡組態時，需要給每個I/O從站分配一個地址，并找到相應現場I/O設備的描述文件(GSD文件)進行定義，這樣就可以完成組態工作。本網絡中的通信是指主站S7- 300 PLC與各個從站之間Profibus通信。只要保證每個網絡站點地址設置正確，主站、從站硬件通信線連接無誤，變頻器內部參數的優化設置，就能進行正常通信。

采用100 Mb/s工業以太網將PLC系統互相連接，各系統的部分數據可以共享，工程師可根據需求使用數據分析軟件調取采集或處理后的數據進行統計和計算。

2.2 干擾問題

當設備投入工業應用環境運行時，系統總會受到電網、空間與周圍環境干擾，傳感器模塊將會輸出偽信號，功率驅動模塊將會輸出畸變的驅動信號，使執行機構動作失常，最終導致系統產生故障，甚至癱瘓。

根據工業現場的硬件干擾類型來看，可分為供電干擾、信號線引入干擾、變頻器等干擾。

(1) 為了防止硬件干擾，本方案通過隔離變壓器向系統供電，避免電網中存在的大量諧波源使電網中的電壓、電流產生波形畸變，從而對系統設備產生危害的干擾；

圖3 系統網絡拓撲圖

(2) 為抑制變頻器工作時產生射頻和諧波干擾，加入專用濾波器和電抗器防止變頻器產生的諧波向電網傳遞，減少變頻器對其他元件的干擾，提高功率因數，平抑波形，改善電網質量，使整套變頻調速系統能夠正常運行；

(3) PLC控制系統中采用了隔離性能優良的電源配合合理的走線，有效解決干擾問題；

(4) 良好的接地系統能抑制電磁干擾的影響。控制系統中的地線包括系統地、屏蔽地、和保護地等，屏蔽電纜連接現場元件到控制中心，并將屏蔽層一端接地，使各元件接地電位相等，抑制設備向外發出干擾。

電磁干擾的種類復雜多樣，僅做好硬件抗干擾措施是不能消除直接干擾的影響，所以在設計PLC系統控制程序和硬件組態時，還需在軟件方面編寫抗電磁干擾程序，以提高系統整體抗干擾能力。

常用的一些措施有：數字濾波和工頻整形采樣，可有效消除周期性干擾；定時矯正參考點電位，并采用動態零點，可有效防止電位漂移；采用信息冗余技術，設計軟件標志位；采用間接跳轉，設置軟件陷阱等提供軟件結構可靠性。[1]

2.3 可視化界面

Wonderware公司的InTouch軟件在全球工廠企業的使用率超過三分之一，每個國家和每個行業都可見到它的蹤影。它具有突破性的可視化能力、可操控的智能型、易于管理可擴展的行業標準、架構靈活和完全可伸縮性的特征。InTouch軟件提供了與工業自動化設備的最廣泛的連通性。

監控系統的主要任務是提供人機交互界面，實現全自動探傷系統的實時監視和控制。通過以太網實現上位機與PLC 的通信，實時讀取PLC 各狀態位的信息，作出分析判斷并發送控制命令給PLC，實現對PLC 的實時監視與自動控制。因此上位機與PLC 的通信為本監控系統的關鍵。[2]

全自動分選系統的開放平臺使用InTouch軟件搭建，通過工業以太網與PLC的通信，滿足現場各部分設備的快速響應上位工控機的揮的要求，實現了真正意義上的自動化。

2.4 兩個主站之間的數據交換

作為超聲波探傷機的配套系統，不但需要與主機的硬件系統有良好的電磁兼容性，而且需要網絡進行信息通信。DP/DP COUPLER正是一個可以連接兩個倍率可以不同的DP網絡網關設備。

SIMATIC的DP/DP COUPLER作為一種網絡耦合器，配有2個獨立的DP接口，用于連接兩個物理上相互獨立的PROFIBUS-DP網絡。DP/DP COUPLER在其兩側DP網絡中都作為從站工作，以從站的方式將一側網絡上的主站數據傳送給另一側的網絡主站，兩個方向傳送的最大數據總量是256字節，一個方向最大是240字節，數據傳輸速度最高可達12 M。[3]

3 結束語

本文所設計的鈦用超聲波探傷分選系統的硬件采用與主機電磁兼容性良好的元器件進行優化組合，模塊化的程序更易修改和升級，用戶監控界面為操作者與系統之間提供了更為直接的交互接口，使系統響應速度快、可靠性高、易維護，在運行過程中，達到與探傷機完美結合，把每一根鈦管穩定、準確的傳遞和分檢，節約成本，提高生產效率。經生產運行證實，該系統實現了鈦管超聲無損監測的全自動控制。

[1] 胡宇.PLC控制系統應用的抗干擾問題[J].科技信息，2010，(5).

[2] 陳忠華.可編程序控制器與工業自動化系統[M].北京：機械工業出版社，2006.

[3] 王德吉.西門子工業網絡通信技術[M].北京：機械工業出版社，2012.

Research and Application of Ultrasonic Inspection Sorting System in Titanium Tube

CHEN Yuan

The ultrasonic inspection sorting system is designed, according to no automatic sorting equipment is in ultrasonic inspection system in titanium tube at present. The system uses InTouch configuration software to build the man-machine intelligent interface, makes data transmission by the industrial Ethernet with PLC, realizes the automatic sorting system operation and monitoring. This set of system is stable, reliable operation and good expansibility according to field production condition, implements automatic sorting control of ultrasonic flaw detection in titanium pipe production.

automatic； PROFIBUS-DP； Master/Slave station

2015-02-10

陳 媛(1981-)，女，河南新密人，電氣工程師，大學本科，主要從事電氣自動化設計、系統集成等工作。

TF823

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1003-8884(2015)04-0038-04