熱鍍鋅鍋壁板檢測系統(tǒng)的研究與開發(fā)*

劉雙源，王玉增，韓婧茹，李廣亞

(濟南大學機械工程學院，濟南 250022)

0 前言

金屬熱浸鍍鋅技術一直是防止金屬在自然環(huán)境中腐蝕的最經(jīng)濟有效的方法。傳統(tǒng)的熱浸鍍鋅鋅鍋是用鋼鐵焊接而成，在熱鍍溫度下由于對熔融鋅的耐侵蝕性很差，壁板和液態(tài)鋅不斷生成鋅鐵渣，使壁板很快減薄、變形甚至穿孔，導致鋅鍋報廢和鋅液泄漏，造成大量鋅耗和能耗［1］。因而，對鋅鍋內壁腐蝕程度進行檢測尤為關鍵。

目前，對鋅鍋壁厚腐蝕程度檢測并沒有相應的專業(yè)設備，基本上是采用人工檢測的方法：一是，工人用折彎的鐵絲對鋅鍋進行鉤觸，憑借經(jīng)驗斷定鋅鍋壁厚的腐蝕程度;二是，排空鋅鍋中的鋅溶液，直觀的測量內壁腐蝕程度，決定是否更換鍍鋅鍋。顯然，人工檢測的方法，既笨拙又沒有精度可言，不僅大大增加的企業(yè)的成本，更是有鋅溶液泄露的可能，不利于安全生產(chǎn)［2］。

針對上述問題，本項目設計了一套專業(yè)用于熱鍍鋅鍋壁板的檢測系統(tǒng)，可以精確的對鋅鍋的整個壁面進行檢測，不需要再將鋅液排空。測量過程中系統(tǒng)只需將特殊材質制造的多排機械探針浸入鋅鍋中，通過測量各觸頭位移量，即可計算出鋅鍋內壁一系列點的腐蝕深度，同時測量數(shù)據(jù)通過串口通信傳輸至上位機，經(jīng)與系統(tǒng)相配的上位機程序分析處理后輸出鋅鍋內壁腐蝕后的形貌［3］，并自動標注腐蝕孔深度超過設定值的凹孔的坐標位置和深度，從而為熱鍍鋅生產(chǎn)線是否需要進行鋅鍋修補或更換提供依據(jù)。

1 檢測系統(tǒng)體系結構

1.1 系統(tǒng)框架

基于串口通訊的熱鍍鋅鍋壁板檢測系統(tǒng)主要由五部分構成，分別是：X向系統(tǒng)、Y向系統(tǒng)、Z向系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。其中，X向系統(tǒng)、Y向系統(tǒng)、Z向系統(tǒng)主要負責控制設備運動，控制系統(tǒng)主要負責接受數(shù)據(jù)和發(fā)送指令，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要負責處理檢測到的腐蝕數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的功能模塊如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能模塊圖

1.2 系統(tǒng)控制流程

系統(tǒng)開始工作之前，設備需要初始定位，X向系統(tǒng)移動到測量起點，Y向系統(tǒng)移動到最上方，Z向系統(tǒng)使探桿處于抬起位置。然后上位機通過串口通信發(fā)送控制指令給PLC，PLC根據(jù)接收到的指令分別控制X、Y向系統(tǒng)運動，使探桿到達指定位置后，做Z向運動，使探桿壓下，然后由探桿相連的直線位移傳感器檢測出探針點的壁板腐蝕深度，經(jīng)由PLC附帶的AD轉換模塊，將位移數(shù)值存儲PLC相應的寄存器中，再通過串口通訊將數(shù)據(jù)傳遞到上位機的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理，最終生成鋅鍋內壁腐蝕曲面形貌圖，輸出腐蝕情況分析報告，并存儲到數(shù)據(jù)庫［4］。其中行程開關起著保護控制系統(tǒng)的作用：行程開關處于常開狀態(tài)，一旦X、Y、Z向移動超過量程，行程開關閉合，PLC接收到傳來的信號，立即停止X、Y、Z向運動，從而保護整個設備。整個控制流程如圖2所示。

圖2 控制流程圖

1.3 系統(tǒng)控制流程

系統(tǒng)具體測量流程如圖3所示。

圖3 測量流程圖

2 檢測系統(tǒng)的實現(xiàn)

基于串口通訊的熱鍍鋅鍋壁板檢測系統(tǒng)的程序是在Win7操作系統(tǒng)下開發(fā)完成，上位機C++程序采用Microsoft Visual Studio 2010 編寫［5-6］，PLC 程序使用WPLSoft軟件編寫［7-8］。

2.1 上位機與PLC通信實現(xiàn)

上位機與PLC之間的串口通訊［6-7］是檢測系統(tǒng)得以實現(xiàn)的基礎，通過這種方式實現(xiàn)測量的數(shù)據(jù)實時的傳遞到上位機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中。臺達PLC所有通訊口都遵循Modbus通訊協(xié)議，出廠默認的通訊格式為“9600，7，E，1”、ASCII模式。波特率為9600，數(shù)據(jù)長度為7 位，數(shù)據(jù)校驗方式為偶校驗，結束字元長度為1位。當通訊時由上位計算機發(fā)送數(shù)據(jù)請求給PLC，PLC響應數(shù)據(jù)請求，發(fā)送或寫入相對應的數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)交互。

2.2 控制程序的實現(xiàn)

測量系統(tǒng)的控制程序的可靠性和穩(wěn)定性對整個測量過程中起著非常重要的作用?？刂瞥绦蚍譃閮蓚€部分：上位機部分和PLC部分。

其中，上位機部分的功能包括：

(1)與PLC進行通訊;

(2)控制電機步進運動;

(3)控制檢測鍍鋅鍋壁板進程;

(4)統(tǒng)計當前腐蝕程度信息;

(5)顯示當前測量鍍鋅鍋壁板仿真曲面。

PLC部分主要功能：

(1)與上位機進行通訊;

(2)發(fā)送脈沖信號給伺服控制器;

(3)接受傳感器傳來的AD信號。

上位機程序與PLC程序之間協(xié)同工作是按照“指令發(fā)送——確認執(zhí)行“的方式運行。上位機程序發(fā)送運動指令給PLC并檢測PLC是否令設備運動是否到位;PLC與上位機數(shù)據(jù)傳輸采用LRC驗證，確保數(shù)據(jù)能夠正確傳輸。另外，PLC程序編寫采用SFC步進梯形圖，能夠根據(jù)接收到的上位機不同的指令，執(zhí)行對應的步進點，進而控制電機運動，設備運行快速平穩(wěn)。

2.3 測量數(shù)據(jù)分析校準

對采集到的數(shù)據(jù)進行校準是檢測系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)。由于檢測設備采集到的原始數(shù)據(jù)點云不可避免的存在誤差，不僅僅包含設備本身精度的誤差，另外還有安裝誤差以及其他誤差，因此必須得對數(shù)據(jù)進行分析校準。

根據(jù)對大量報廢的熱鍍鋅鍋壁板的分析總結，發(fā)現(xiàn)熱鍍鋅壁板的腐蝕情況基本為點蝕腐蝕，即壁板面大部分腐蝕情況較輕，或基本上沒有腐蝕，利用這一特點，采用最小二乘的方法對測量數(shù)據(jù)點云構建了統(tǒng)一的基準面，經(jīng)過適當?shù)木仃囎儞Q，得到一張尚未腐蝕的原始壁板，被檢測壁板的所有點云數(shù)據(jù)將在此壁板上取相對值。

3 結果分析

為驗證檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性及精確度，將檢測系統(tǒng)測量長12m，深2m的熱鍍鋅鍋，測量點間距設為20mm，共測量48300個點，相鄰點的測量間隔為1.5s，全部測量時間為2小時左右。 測量過程中，測量系統(tǒng)可以根據(jù)測量點，實時的將熱鍍鋅壁板腐蝕形貌曲面重建，便于直觀的觀察測量進度和壁板的腐蝕情況，如圖4所示。此外檢測系統(tǒng)還可以動態(tài)的統(tǒng)計當前測量區(qū)域和全部區(qū)域的腐蝕深度，便于定量的得出當前壁板的剩余使用壽命，如圖5所示。

圖4 熱鍍鋅壁板腐蝕形貌圖形

圖5 腐蝕深度統(tǒng)計

從檢測系統(tǒng)運行結果中，我們可以發(fā)現(xiàn)，使用本系統(tǒng)檢測熱鍍鋅壁板腐蝕情況，可以快速精確的檢測到真實的腐蝕狀況，從而為企業(yè)合理安全安排生產(chǎn)計劃，提供有力的保障。

4 結束語

本文針對國內在熱鍍鋅檢測領域的空白，設計并實現(xiàn)了一種熱鍍鋅鍋壁板腐蝕情況的檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)基于串口通信的便捷性和實時性，和PLC控制伺服電機的準確性，達到了對熱鍍鋅壁板腐蝕情況檢測的目的。實驗證明該系統(tǒng)具有安全穩(wěn)定的功能和良好的應用前景。

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