海上輸油管道切割裝置控制系統(tǒng)設計

劉 楊，王宏宇，鄭才武，楊文凱，昝韶華，馬哲冬，牛建輝

(北華航天工業(yè)學院，河北 廊坊 065000)

隨著社會的不斷發(fā)展，人們對石油資源的利用不斷增加。淺海區(qū)的石油資源已經(jīng)不能滿足人們的需求，因此對深海區(qū)石油資源的開發(fā)和利用已經(jīng)成為世界上大多數(shù)國家的發(fā)展趨勢。隨著海上石油平臺的大量建設與運行，對于石油管道的使用數(shù)量不斷增加。由于使用環(huán)境、人為因素等原因，石油管道損壞的形式多樣，更換一個新的管道不僅耗時而且需要大量的成本，因此，對管道進行維修成為首要的選擇。

常用的輸油管道切割方法有冷切割技術、等離子切割技術、氧乙炔火焰等切割技術[1]，這幾種切割方法雖然可以對不同材質(zhì)的管道進行應用，但其具有一定的局限性，如在深海區(qū)域作業(yè)不能很好地滿足切割條件和要求。

為了解決人工切割存在的切割效率低和切割環(huán)境等問題，我們研制的海上輸油管道切割裝置設備能夠實現(xiàn)在深海區(qū)域對管道進行自動切割，該設備基于PLC控制器與觸摸屏進行通信，通過人機界面實現(xiàn)遠程控制海上輸油管道的智能切割，這將在很大程度上提高切割效率和切割質(zhì)量。因此，對海上石油管道切割裝置控制系統(tǒng)的研究對于促進我國石油工業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟增長具有較大意義。

1 輸油管道切割裝置系統(tǒng)構成和工作原理

1.1 輸油管道切割裝置系統(tǒng)構成

對于目前管道切割方法及使用環(huán)境的研究，海上輸油管道切割裝置的硬件結構，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

系統(tǒng)主要由觸摸屏、PLC控制器、伺服電機驅動器、行程開關和氣動閥5部分組成。

1.1.1 觸摸屏。在系統(tǒng)中實現(xiàn)與PLC控制器的通信，從而控制伺服電機和電磁閥。選用歐姆龍NB5Q-TW01B型的觸摸屏，通過設定電機正反轉、報警顯示、轉速設定、水刀位置設定，以便通過遠程操作對海上輸油管道切割裝置進行遠程控制。

1.1.2 PLC控制器。選用Omron公司NX1P2-9024DT型號的PLC。作為管道切割裝置的核心控制器，通過接收觸摸屏通信的指令和行程開關發(fā)送來的電信號，從而控制伺服電機帶動水刀進行切割的轉速。實時監(jiān)控切割裝置和夾緊裝置的位置信息，將輸出的控制信號發(fā)送給氣動閥，使氣動閥完成管道的夾緊放松和水刀的進退[2]。

1.1.3 伺服驅動器。通過與PLC共同構成伺服驅動系統(tǒng)，對水刀的位置、轉速、啟停和旋轉進行控制。

1.1.4 行程開關。選用Omron公司D4V-8104SZ型號的行程開關，主要對水刀的位置進行判定，當水刀碰到行程開關時，將產(chǎn)生的機械信號轉換為電信號發(fā)送給PLC進而控制水刀進行切割工作。

1.1.5 氣動閥。通過壓縮空氣的方式進行驅動從而帶動曲臂做90°旋轉，以達到閥門自動啟閉的目的。它主要由調(diào)節(jié)螺栓、執(zhí)行機構箱體、曲臂、氣缸體、氣缸軸、活塞、連桿、萬向軸等部分組成。

1.2 輸油管道切割裝置的工作原理

海上輸油管道切割裝置的基本工作原理：①將切割裝置放置在管道待切割位置，通過兩個氣動閥控制夾緊臂來夾緊管道。②控制水刀的氣動閥開始工作，將水刀逆時針運動直到觸碰到第一個行程開關，行程開關將產(chǎn)生的機械運動轉換為電信號傳給PLC，PLC收到電信號后控制氣動閥從而使水刀進行順時針運動開始切割輸油管道。當水刀觸碰到第二個行程開關時，PLC收到信號后停止伺服電機的旋轉和水刀的運行。切割完成后氣動閥控制松開管道和水刀的退出。

1.3 輸油管道切割裝置設計的技術要求

依據(jù)管道切割裝置的工作環(huán)境和被加工的對象，對海上輸油管道切割裝置的設計提出了幾個技術要求[3]。①設計的輸油管道切割裝置能夠在100m的深海區(qū)域進行作業(yè)。②在水質(zhì)渾濁的區(qū)域能夠準確無誤的定位到待切割管道位置，具有良好的防水、防腐、耐高壓等功能。③通過觸摸屏發(fā)送指令完成管道夾緊、水刀進退、伺服電機正反轉等功能，實現(xiàn)對管道切割的自動化。④具有自動檢測報警功能，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時系統(tǒng)停止一切切割操作，報警燈變亮提示用戶進行故障修復。⑤能夠實現(xiàn)對于單層或者雙層的管道進行切割。

2 系統(tǒng)的軟件設計與輸油管道切割裝置控制系統(tǒng)的設計

2.1 PLC控制系統(tǒng)設計

管道切割裝置的PLC控制系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 管道切割裝置的PLC控制系統(tǒng)

圖2為PLC控制系統(tǒng)圖，用戶通過觸摸屏設定相應的參數(shù)值，PLC收到命令后控制對應操作的繼電器開關閉合從而使繼電器得電，進而控制伺服電機的運轉、管道的夾持和水刀的進退。

2.2 系統(tǒng)程序流程

海上輸油管道切割裝置控制系統(tǒng)的程序流程圖，如圖3所示，主要完成管道的夾持、水刀的送入、對水刀位置進行監(jiān)測、切割、水刀停止與退出和放松管道等任務。

圖3 輸油管道切割裝置程序流程

2.2.1 管道夾緊。管道切割系統(tǒng)上電運行后首先進行自動檢測模式，如果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障則報警燈亮，修復故障后重新上電。若無故障，按下觸摸屏進臂按鈕控制氣控閥1和2對管道進行夾緊。

2.2.2 水刀的送入。按下觸摸屏上進刀按鈕，氣動閥5開始控制水刀進入工作位置。此時通過觸摸屏或者電位器其中一種方式來輸入電機速度，伺服電機逆向旋轉帶動水刀逆時針運動。當水刀回退至觸碰到第一個行程開關，PLC收到信號后控制伺服電機正向旋轉帶動水刀進行順時針運動開始切割輸油管道。

2.2.3 水刀的退出。當水刀觸碰至第二個行程開關后，PLC收到信號控制氣動閥6工作使水刀停止運行并退出。

2.2.4 放松管道。當水刀退出后，按下觸摸屏退臂按鈕控制氣動閥3和4放松管道并通過PLC控制伺服電機停止運行，整個切割過程結束。

2.3 海上輸油管道切割裝置程序

海上輸油管道切割裝置通過PLC編程實現(xiàn)自動切割管道的目的，輸油管道切割裝置系統(tǒng)程序設計，如圖4所示。

圖4 輸油管道切割裝置系統(tǒng)程序設計

3 結束語

PLC控制器與觸摸屏組成海上輸油管道切割裝置的核心，實現(xiàn)了在深海區(qū)域對輸油管道進行自動化切割。該設備具有可靠性好，切割效率快、切割質(zhì)量高和安全等特點，促進了石油工業(yè)的發(fā)展。