焊管內清掃吸塵系統改進設計與應用

任顯新

（山東勝利鋼管有限公司， 山東 淄博255082）

0 前 言

我國螺旋埋弧焊管預精焊裝備處于國際先進水平[1]。 預精焊螺旋埋弧焊管生產工藝與 “一步法” 生產工藝相比有不同之處， 在一定程度上提高了螺旋焊縫質量。 “一步法” 生產中成型和埋弧焊接過程同時進行， 一步完成[2]； 預精焊工藝技術 （也稱 “兩步法”） 是先對焊管內壁焊縫進行預焊， 之后采用精焊工藝完成焊管的焊接，是目前世界上生產螺旋埋弧焊管先進的制管工藝技術[3-4]。 在“兩步法” 生產過程中， 焊管內壁清掃（也稱內清掃） 工序是不可缺少的， 此道工序直接影響后續精焊螺旋焊縫的質量。 內清掃是通過液壓馬達驅動刷頭對平臺上預焊焊管進行內壁清掃， 清理預焊縫周邊的飛濺物、 氧化皮及鐵銹等雜物， 同時刷頭裝置附近的吸風管隨著刷頭伸臂的移動對其內壁打磨的金屬粉塵進行回收。 原來的內清掃吸塵系統在實際應用中存在部分粉塵會從焊管另一端排放到生產車間的現象， 污染周圍環境。 因此， 提出對原吸塵系統進行改進， 在焊管另一端增加袋式吸塵器裝置， 包括吸塵小車、 吸塵風機、 濾芯裝置等， 組成新的關聯的內清掃吸塵系統， 將塵氣中的顆粒物分離出來， 并加以收集、 回收[5]。 大多數吸塵設備都會選用袋式除塵技術或電除塵技術， 目前袋式除塵技術的應用已逐漸占據主導地位[6-7]。 袋式吸塵器屬高效吸塵器， 除塵效率一般＞99%[8]。

設計的內清掃吸塵系統， 在焊管兩端分別設有主吸風管和輔吸風口， 同時對管內金屬粉塵等進行回收， 達到了管內粉塵向生產車間零排放的目的。

1 吸塵裝置安裝方案的確定

根據現場生產工藝情況， 可以將吸塵裝置安裝在內清掃工序或內清掃工序的下一道工序。 本研究選擇安裝在內清掃工序位置， 組合式吸塵系統具體3D 安裝布置如圖1 所示。

圖1 組合式吸塵系統3D 安裝布置示意圖

安裝方案有兩種， 根據現場已有裝置的布置情況及吸塵后能達到的效果， 方案一為工序后布置方案， 此方案優點是將新裝置安裝在指定的位置后， 可以獨立吸塵， 不需要考慮與內清掃刷頭清掃時的配合問題， 可直接根據廠家提供的原控制程序完成手動與自動吸塵。 該方案雖然能吸收管內及焊縫周邊殘留的粉塵， 但未解決清掃過程中粉塵從焊管一端排放到車間的問題。 方案二是在焊管另一端安裝吸塵裝置（見圖1）， 優點是在內清掃刷頭清理焊管內壁的同時， 可以在焊管另一端由輔吸風口的吸塵小車回收室對粉塵集中回收處理。但在該工序實現管端粉塵處理時需要和內清掃刷頭及焊管旋轉等進行配合， 則必須對原控制程序進行分析并改進， 使組合式吸塵系統滿足現場的總體要求， 同時達到內清掃工序原有的工作要求。

通過對上述方案的分析比較， 選擇方案二，此方案雖然在安裝前后需要對吸塵裝置控制程序及各個傳感器安裝位置進行改進， 在實施過程中有一定的困難， 但是一旦調試成功， 不僅能夠解決清理內清掃刷頭剩余的粉塵， 同時也可以將粉塵集中回收處理。

根據圖1 所示的安裝布置示意圖， 內清掃組合式吸塵系統工作流程是將預焊焊管經傳輸輥道送到指定的工序臺架， 再由運管車將預焊焊管移動到內清掃工位臺架， 此時運管車的升降器把預焊焊管降到指定旋轉托輥上， 預焊管右端傳感器發出數字信號指令給PLC 控制器， 控制吸塵小車由初始位置運行到管端， 相應傳感器發出指令給PLC控制器， 控制吸塵小車停在管端。 管端伸進吸塵小車內部長度可根據現場實際情況進行設置， 在控制程序改進與分析中進行解析。 預焊焊管降到指定旋轉托輥后就可以啟動內清掃裝置自動按鍵完成整個內壁的清掃工作， 根據內清掃實際工作時間， 吸塵小車自動退回到初始位置， 等待下一根預焊焊管。

2 吸塵裝置構成及系統分析

2.1 吸塵系統概述

根據對安裝方案進行分析與選擇， 最終將移動小車安裝在內清掃工序臺架右側， 具體內清掃組合式吸塵系統3D 安裝布置如圖1 所示。 內清掃工序崗位左端安裝德國進口內清掃系統， 右端新安裝一套吸塵裝置。 安裝吸塵裝置的目的是清除焊管焊后管內表面產生的氧化鐵等雜物[9-10]， 通過關聯各功能組成新的內清掃吸塵系統， 實現同步焊管內壁刷頭清掃， 完成焊管內氧化物等清理工作。

組合后的吸塵回收系統設計的關鍵是自動焊接過程中與內清掃的無縫隙配合， 不能降低原來的內清掃裝置的工作效率。 否則在正常預焊速度9 m/min 時會造成內清掃工序前預焊焊管堆積，嚴重影響整個主機的生產效率。

2.2 吸塵裝置的構成

吸塵裝置主要是由小車、 吸塵風機、 濾芯處理裝置、 PLC 控制器、 觸摸屏及變頻器等組成。小車主體上安裝吸塵室， 由普通異步電機驅動小車整體前進與后退。 小車主要作用是將清掃的粉塵由吸塵室進行收集， 將懸浮金屬粉塵等通過風道被吸到濾芯處理裝置內進行集中處理。 吸塵風機負責將風道的空氣抽出去， 這樣小車吸塵室內會產生負壓， 可以將懸浮顆粒送到濾芯處理中心。 吸塵風機分為兩個檔位， 當內清掃停止工作時， 風機以較低頻率進行低速旋轉； 當進行管壁清掃時， 風機根據設定的高頻率值進行高速旋轉， 達到回收粉塵的效果。 濾芯處理裝置負責將吸附過來的粉塵進行收集處理， 防止直接排放到車間外， 造成車間外環境二次污染。 PLC 控制器為整個吸塵裝置工作的控制中心， 負責對各個部件進行控制， 達到各運動部件有條不紊的進行工作， 完成指定的吸塵工作任務。 基于PLC 控制系統減小了傳統的繼電-接觸控制系統的中間環節， 減少了硬件和控制線路， 極大地提高了系統的穩定性及可靠性[11-12]。 觸摸屏是手動控制或參數設定的人機接口， 包括對風機頻率參數、 壓差參數及工作時間參數等設定。

2.3 小車與刷頭工作過程分析

內清掃組合吸塵系統的關鍵在于小車與刷頭和鋼管就位， 根據工序工作情況進行合理配合，方可使內清掃與吸塵同時執行。 這一系列完整的自動內清掃吸塵過程， 包括鋼管旋轉、 大臂小車運行、 主吸風系統啟動、 輔吸風系統啟動、 吸塵小車運行、 刷頭旋轉、 吸塵裝置返回到初始位置等。

吸塵小車自動啟動到小車返回到初始位置所用的時間， 要大于鋼管就位后到刷頭最終離開管端的時間， 這樣右端吸塵裝置自始至終能夠對管內粉塵進行回收處理。 刷頭裝置會在預焊焊管右端伸出15 cm 長度， 所以， 管端伸進小車吸塵室位置要選擇合適， 合理安置限位開關位置， 避免吸塵室與刷頭碰撞， 并在合適的位置安裝極限防撞開關， 保證設備安全， 小車與刷頭工作流程如圖2 所示。

圖2 小車與刷頭工作流程

2.4 控制程序分析與改進

吸塵裝置是一種獨立的控制過程， 不能直接與內清掃系統融合為一個組合式吸塵系統， 需要改進， 安裝相應傳感器后， 可以實現進口內清掃系統與吸塵裝置相互配合， 形成組合式吸塵系統， 完成對預焊管內壁飛濺物等金屬粉塵進行兩端除塵處理。

首先， 當預焊管就位后， 對小車自動啟動前進控制加以改進， 由傳感器感應到管體后向PLC發送一個啟動信號， 在相應的程序段位置添加相應數量的常開位存儲器， 這樣， 傳感器檢測到管體后常開觸點閉合， 由相應邏輯控制關系對吸塵小車前進進行控制， 使得能完成后續一系列的順序控制。 其次， 小車返回時間由預焊焊管就位到內清掃刷頭離開管端所用的時間來確定， 根據現場實際運行情況在觸摸屏上設置為222 s。 由于觸摸屏時間的設定范圍僅為60 s， 滿足不了目前組合吸塵系統的要求， 根據程序分析， 需要對定時器進行時間范圍上的更改， 用來滿足現場的要求。 最后， 小車返回至初始位置， 在預焊管起升過程中， 預焊管離開就位傳感器的檢測范圍后，由于機械及液壓問題以及鋼管的自重等因素， 管體會有向下頓挫， 并返回到傳感器的檢測范圍。這樣， 傳感器再次檢測到管體后把錯誤指令信號傳送給PLC 控制器， 吸塵裝置誤認為新的鋼管，吸塵小車會再一次向管端方向運行。 如果操作不及時， 會使吸塵小車回收室與管端發生接觸， 引起設備間碰撞。

由于文章篇幅有限， 只就讀取部分主要改進控制程序進行分析， 其他程序不進行一一解析。主要改進控制程序段如圖3 所示。

圖3 主要改進控制程序段

根據部分改進控制程序對吸塵小車前進與后退、 自動停止以及吸塵工作時間設置進行分析。程序段27、 34 中的Q0.2、 Q0.3 分別控制吸塵小車的前進和后退， 當吸塵小車后退時Q0.3 會觸發啟動延時定時器T250， 同時在程序段27 的T250 常閉觸點斷開， 當后退停止時T250 會以60 s 計時， 達到1 min 后T250 常閉觸點恢復為閉合狀態， 此時吸塵小車才可以前進。 這樣， 滿足鋼管起升的時間， 就可以解決誤啟動吸塵小車運行引起車體與管端碰撞問題。 程序段29 是在吸塵自動控制的情況下， 當車體傳感器檢測到管端后向PLC 輸入接口I1.1 發出信號， 延時定時器T170 會觸發， 并可通過觸摸屏對VW314 進行設置， 代替調整車體傳感器支架。 本次調試設置為1 s， 1 s 后T170 常閉觸點轉為斷開狀態，此時小車自動停止， 延時1 s 的目的是讓右側管端進入小車吸塵室內留有一定長度， 防止粉塵外排。 程序段38 設置整個吸塵小車工作的時間，同樣通過觸摸屏對VW326 進行設置， 根據現場的實際情況設置為222 s， 完全能夠滿足現場內清掃除塵時間要求。

3 安裝與程序調試

吸塵裝置機械部分整體就位， 根據現場安裝濾芯回收部件和電氣控制部件， 用風管將吸塵小車回收室及濾芯裝置相連接， 并依據安裝方案將風管引接到生產車間外面。 安裝小車導軌時， 水平度應滿足安裝要求， 保證小車能夠在導軌上平穩運行， 嚴禁出現導軌不平導致小車停止后出現溜車現象。 回收室安裝在小車車體上， 保證安裝的嚴密性， 防止小車吸塵室回收金屬粉塵時向車間排放。

對全部吸塵裝置的各個機械部件安裝完畢后， 需要對各電氣元件進行配線與接線。 包括PLC、 變頻器、 電動機、 傳感器以及各個氣閥等的接線， 達到電能或電信號的傳遞， 完成各個執行部件的動作。 應特別注意電源動力線與控制線分開布置， 防止強電干擾弱電。

將改進后的程序通過電腦與PLC 連接， 選PPI 協議與PLC 進行通信， PPI 協議采用主從式通訊[13-14]， 連接成功后， 點擊下載將程序下載到PLC， 方可根據用戶編寫的程序完成相應的功能。

對吸塵裝置程序進行調試， 利用STEP 7-MicroWin32 進行在線監視， 對不符合要求的動作指令進行及時更改， 參數進行及時設置， 最終達到預期的吸塵效果。

4 結束語

螺旋埋弧焊管預精焊內清掃工序中組合式吸塵系統的實際應用， 有效地吸收了焊管兩端的粉塵， 控制了管端粉塵外排， 生產車間工作環境得到了很大改善。 通過采取控制程序、 時間設置及傳感器選擇等一系列技術措施， 不僅沒有降低內清掃工作效率， 還可以滿足原來清掃焊管內壁功能， 而且還解決了焊管另一端金屬粉塵排向生產車間的問題， 達到了預期的改進目的。