鋼管探傷中電氣控制及監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉品瀟 馬 健

(南陽(yáng)理工學(xué)院1，河南 南陽(yáng) 473004;山東省科學(xué)院激光研究所2,山東 濟(jì)南 250103)

鋼管探傷中電氣控制及監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉品瀟1馬 健2

(南陽(yáng)理工學(xué)院1，河南 南陽(yáng) 473004;山東省科學(xué)院激光研究所2,山東 濟(jì)南 250103)

為實(shí)現(xiàn)鋼管渦流探傷的自動(dòng)控制和生產(chǎn)線的遠(yuǎn)程監(jiān)控，設(shè)計(jì)了電氣控制系統(tǒng)和人機(jī)交互界面。分析了鋼管渦流檢測(cè)工藝流程，使用西門子PLC采集接近開關(guān)等數(shù)字量并進(jìn)行邏輯運(yùn)算；通過電磁閥控制氣缸的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)鋼管上料、檢測(cè)、下料及分選的自動(dòng)化；人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)用戶登錄、在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、報(bào)警及報(bào)表生成等功能。通過生產(chǎn)實(shí)踐可知，電氣控制及監(jiān)控系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，操作簡(jiǎn)單，具有較高的檢測(cè)效率。該系統(tǒng)可為其他在線監(jiān)控系統(tǒng)與人機(jī)界面的設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

鋼管渦流探傷 自動(dòng)控制 PLC 監(jiān)控系統(tǒng) 人機(jī)界面

0 引言

渦流探傷在無縫鋼管在線檢測(cè)中占據(jù)著重要的地位。山東省科學(xué)院激光研究所生產(chǎn)的渦流探傷設(shè)備具有設(shè)計(jì)合理、經(jīng)久耐用以及探測(cè)鋼管直徑范圍廣泛的特點(diǎn)，已經(jīng)成功應(yīng)用于寶鋼、包鋼、攀成鋼等多家鋼鐵公司[1]。渦流探傷設(shè)備的機(jī)械部分通常包括上料機(jī)構(gòu)、探傷主機(jī)、下料及分選機(jī)構(gòu)。為了提高該設(shè)備的自動(dòng)化水平，需要設(shè)計(jì)相配套的電氣控制系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，對(duì)電氣控制系統(tǒng)的要求如下：①安全可靠，能夠穩(wěn)定運(yùn)行；②操作維護(hù)簡(jiǎn)單，僅需少量按鈕就能夠?qū)崿F(xiàn)控制功能；③具有手動(dòng)與自動(dòng)兩種操作模式，手動(dòng)模式主要用于設(shè)備的調(diào)試階段，而自動(dòng)模式則應(yīng)用于常規(guī)下的生產(chǎn)檢測(cè)過程中，以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高檢測(cè)效率；④磁飽和設(shè)備及探頭高度能夠調(diào)整，以便適應(yīng)不同型號(hào)鋼管的渦流探傷。

為了便于人機(jī)交互，設(shè)計(jì)人機(jī)界面視渦流檢測(cè)流水線上各數(shù)字量的狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)下載至PLC中的存儲(chǔ)區(qū)域；同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)報(bào)警、數(shù)據(jù)記錄及分析、報(bào)表打印等功能。西門子PLC的人機(jī)界面可以利用西門子提供的Prodave軟件包中的庫(kù)函數(shù)進(jìn)行自行開發(fā)[2]，但需要開發(fā)人員熟練掌握通信協(xié)議和庫(kù)函數(shù)。借助組態(tài)王[3]、WinCC或WinCC Flexible組態(tài)軟件,開發(fā)人員可在較短時(shí)間內(nèi)上手，并開發(fā)出功能完善的人機(jī)界面[4]。因此，本文使用WinCC Flexible進(jìn)行觸摸屏的組態(tài)。

1 鋼管渦流探傷設(shè)備的工作流程

熱軋無縫鋼管經(jīng)過穿孔、定徑、矯直、精整后到達(dá)渦流探傷工位。首先，鋼管被吊裝至上料臺(tái)架，由上料爪撥至輥道上，當(dāng)輥道電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，鋼管向主機(jī)方向前進(jìn)。其次，到達(dá)磁飽和裝置中，鋼管被磁化[5]，以降低磁導(dǎo)率波動(dòng)引起的噪聲。隨后穿過安裝于磁飽和裝置中的探頭進(jìn)行渦流探傷。另外，為了降低剩磁對(duì)后續(xù)焊接加工的影響，后續(xù)還需對(duì)鋼管進(jìn)行直流退磁和交流退磁[6]。鋼管有傷時(shí)，渦流儀器發(fā)出報(bào)警并將傷信號(hào)送至PLC。當(dāng)有傷鋼管行進(jìn)至下料接近開關(guān)位置處時(shí)，分選氣缸首先工作，頂起分選臂，其次下料氣缸頂起下料爪，將鋼管撥入廢料槽中；否則鋼管無傷時(shí)，分選氣缸不工作，鋼管由下料爪撥下輥道后沿著未抬起的分選臂直接落入正品槽。當(dāng)所檢鋼管型號(hào)變化時(shí)，可以通過升降電機(jī)來調(diào)節(jié)磁飽和裝置及探頭的高度，以適應(yīng)鋼管中心高度的變化。

渦流探傷設(shè)備的電氣控制由PLC進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。如前所述，鋼管渦流探傷流程中的上料、下料及分選動(dòng)作的控制分為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式。手動(dòng)模式下，由操作員利用按鈕實(shí)現(xiàn)上述動(dòng)作；自動(dòng)模式下，則由電氣系統(tǒng)根據(jù)渦流儀器信號(hào)、接近開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行自行判斷來完成各動(dòng)作。此外，為了便于檢測(cè)狀態(tài)的查看和遠(yuǎn)程控制，在觸摸屏中編寫了人機(jī)交互界面。

2 電氣控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及PLC編程

根據(jù)鋼管渦流探傷的需求，在電氣原理圖的基礎(chǔ)上，采用渦流式傳感器、西門子PLC、繼電器、接觸器、編碼器和升降電機(jī)、輥道傳送電機(jī)、電磁閥及氣缸搭建整個(gè)電氣控制系統(tǒng)，圖 1為硬件連接原理圖。PLC型號(hào)為313C-2DP，集成有16點(diǎn) DI輸入和16點(diǎn)DO輸出，最多可以連接3路24 V增量型編碼器。為了增加

輸入輸出的模塊點(diǎn)數(shù)，采用DP從站模塊ET200S進(jìn)行擴(kuò)展。PLC的輸入模塊連接接近開關(guān)、行程開關(guān)、編碼器及按鈕。其中編碼器與升降電機(jī)的輸出軸聯(lián)接在一起；輸出模塊直接連接控制元件(繼電器、接觸器)和執(zhí)行元件(電磁閥)，后端的繼電器和接觸器又和報(bào)警電鈴、指示燈以及電機(jī)進(jìn)行連接。此外，PLC具有2個(gè)DP主站/從站接口，通過Profibus總線連接西門子觸摸屏MP277。相應(yīng)地，在組態(tài)時(shí)PLC作為主站，MP277作為從站。

圖1 硬件連接原理圖Fig.1 Schematic diagram of hardware connections

分選動(dòng)作的PLC程序如圖2所示。

圖2 分選動(dòng)作的PLC程序Fig.2 The PLC program for sorting action

PLC編程時(shí)，首先對(duì)PLC進(jìn)行組態(tài)[7]和資源分配。使用西門子編程軟件中的符號(hào)表可以增強(qiáng)PLC程序的可讀性，同時(shí)能夠快速地修改變量地址和符號(hào)名稱。將地址I124.0～124.2分配給編碼器，使用PLC的高速計(jì)數(shù)功能獲取磁飽和設(shè)備及探頭的高度，同時(shí)需要對(duì)Count屬性進(jìn)行正確的參數(shù)配置[8]。主機(jī)與下料接近開關(guān)之間的鋼管支數(shù)、鋼管有傷時(shí)置位對(duì)象、鋼管狀態(tài)標(biāo)尺等參數(shù)，均為PLC程序中實(shí)現(xiàn)下料或分選功能的關(guān)鍵性判定依據(jù)，對(duì)應(yīng)分配的地址為MW12、MW14、MW16。建立組織塊OB100、OB40、 OB1和數(shù)據(jù)塊DB47、DB50。其中，OB100在PLC暖啟動(dòng)時(shí)僅運(yùn)行一次，可以在塊中初始化一些參數(shù)；OB40為硬件中斷組織塊，在其中編寫升降電機(jī)的停止程序；在循環(huán)組織塊OB1中編寫順序邏輯控制程序。DB47數(shù)據(jù)塊供高速計(jì)數(shù)器使用；而DB50則存儲(chǔ)一些類似磁飽和設(shè)備及探頭高度等關(guān)鍵性參數(shù)，以防止掉電后數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟失的狀況。分配地址DB50.DBD2存放最近一次高度設(shè)定值，地址DB50.DBD6存放高度當(dāng)前預(yù)設(shè)值。

自動(dòng)模式下完成分選動(dòng)作是電氣系統(tǒng)一項(xiàng)重要的功能，然而在設(shè)備檢測(cè)效率較高的情況下，主機(jī)和下料接近開關(guān)之間會(huì)存在兩根甚至多根鋼管。因此，不能簡(jiǎn)單地根據(jù)上次報(bào)警信號(hào)便立即對(duì)到達(dá)下料接近開關(guān)處的鋼管進(jìn)行分選，應(yīng)該利用鋼管狀態(tài)標(biāo)尺對(duì)當(dāng)前下料接近開關(guān)處的鋼管進(jìn)行有無缺陷狀態(tài)判斷。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：當(dāng)前的探測(cè)鋼管若有傷，則將傷信號(hào)送入PLC輸入模塊。依據(jù)鋼管支數(shù)對(duì)MW14相應(yīng)數(shù)據(jù)位置1，隨后MW14與鋼管狀態(tài)標(biāo)尺M(jìn)W16進(jìn)行求或運(yùn)算，再將鋼管有傷狀態(tài)送入MW16。MW16在輥道上每落下一根鋼管時(shí)右移1位，以保證鋼管狀態(tài)標(biāo)尺數(shù)據(jù)位與輥道上的鋼管狀態(tài)一一對(duì)應(yīng)。值得注意的是，西門子PLC的字在存儲(chǔ)器中將高8位放置后面[9]，所以當(dāng)前下料接近開關(guān)處的鋼管狀態(tài)對(duì)應(yīng)的是數(shù)據(jù)位M17.1。若該數(shù)據(jù)位為1，則執(zhí)行分選動(dòng)作。

鋼管與V形輥輪接觸，輥道高度固定不變，因此不同型號(hào)的鋼管對(duì)應(yīng)著不同的中心高度，如圖 3所示。

圖3 鋼管的中心高度計(jì)算用圖Fig.3 Chart for calculating center height of steel pipe

圖3中，兩種規(guī)格不同的鋼管相對(duì)M點(diǎn)的中心高度分別為：

(1)

(2)

則二者中心的相對(duì)高度為：

(3)

式中：φA、φB分別為A、B兩種鋼管的直徑；α為剖面上輥輪兩斜邊夾角的一半。

顯然，當(dāng)鋼管型號(hào)由A更換為B時(shí)，需要利用電控系統(tǒng)進(jìn)行磁飽和設(shè)備及渦流探頭高度的調(diào)整，以保證鋼管從二者共同的內(nèi)圓孔中正常通過。比較簡(jiǎn)便的做法是在設(shè)備調(diào)試階段，以主機(jī)的下限位開關(guān)作為高度的相對(duì)零點(diǎn)，針對(duì)每種規(guī)格的鋼管，記錄磁飽和設(shè)備及渦流探頭高度對(duì)應(yīng)的編碼值并且存入觸摸屏的配方中。于是在設(shè)備探傷工作階段，當(dāng)鋼管更換型號(hào)時(shí)，將高度配方值下載至PLC，隨后PLC根據(jù)邏輯運(yùn)算結(jié)果，控制升降電機(jī)動(dòng)作。

相應(yīng)的PLC程序?qū)崿F(xiàn)方法具體如下。首先，比較DB50中的高度預(yù)設(shè)值DB50.DBD6和最近設(shè)定值DB50.DBD2，若當(dāng)前預(yù)設(shè)值大于最近設(shè)定值，則執(zhí)行預(yù)設(shè)值減去最近設(shè)定值的指令，求出旋轉(zhuǎn)編碼器的理論計(jì)數(shù)值并存入MD18，將MD18作為比較值寫入SFB47，同時(shí)使用MD22存儲(chǔ)編碼器計(jì)數(shù)值。其次，將SFB47中的COUNTVAL和MD22進(jìn)行清零并打開SFB功能塊的軟件門。然后升降電機(jī)執(zhí)行正轉(zhuǎn)動(dòng)作，磁飽和設(shè)備及探頭緩慢上升。當(dāng)計(jì)數(shù)值等于比較值時(shí)觸發(fā)硬件中斷，升降電機(jī)停機(jī)，說明升降電機(jī)上升動(dòng)作完成。而當(dāng)磁飽和設(shè)備及探頭需要下降時(shí)，同樣以編碼器的數(shù)值作為參考，升降電機(jī)執(zhí)行反轉(zhuǎn)動(dòng)作。若電控系統(tǒng)掉電重啟后，電氣控制系統(tǒng)還具有回位功能，則開機(jī)后自動(dòng)校準(zhǔn)磁飽和設(shè)備及探頭的高度，確保高度相對(duì)零點(diǎn)為下限位開關(guān)。

3 觸摸屏組態(tài)

本設(shè)計(jì)選用西門子觸摸屏MP277進(jìn)行組態(tài)[10]。在人機(jī)界面能夠直觀地顯示出鋼管批號(hào)、規(guī)格、材料、來料支數(shù)、合格支數(shù)、在線支數(shù)。另外，界面中還有用戶登陸和注銷按鈕，以方便數(shù)據(jù)的追溯與查詢。打印報(bào)表則是實(shí)現(xiàn)上述各元素的打印功能。鋼管規(guī)格按鈕與組態(tài)配方相關(guān)聯(lián)，該組態(tài)配方的成分為磁飽和設(shè)備及探頭的高度。為了方便操作，高度值用編碼器的計(jì)數(shù)值表示，相應(yīng)組態(tài)配方的數(shù)據(jù)記錄則為不同鋼管型號(hào)對(duì)應(yīng)的高度值。在人機(jī)界面中點(diǎn)擊鋼管規(guī)格按鈕，就會(huì)出現(xiàn)不同型號(hào)鋼管的磁飽和設(shè)備及探頭高度的配方視圖，在視圖中選擇不同的配方，隨后將數(shù)據(jù)下載至PLC的DB50.DBD6中，則完成了PLC程序中的高度預(yù)設(shè)值輸入。人機(jī)界面還組態(tài)了離散量報(bào)警，可實(shí)現(xiàn)鋼管缺陷、磁飽和設(shè)備極限位置、上料時(shí)間過長(zhǎng)及下料時(shí)間過長(zhǎng)等報(bào)警功能。

在人機(jī)界面的圖形I/O域，以動(dòng)畫的形式呈現(xiàn)當(dāng)前探傷設(shè)備上鋼管的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可以方便操作人員進(jìn)行查看。通過圖形列表實(shí)現(xiàn)鋼管運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫的具體方法為：首先，準(zhǔn)備鋼管在設(shè)備中不同位置處的圖片，建立圖形列表，并以PLC中MW22作為控制變量，MW22的值與渦流探傷設(shè)備中各處的接近開關(guān)的狀態(tài)相關(guān)。于是，鋼管運(yùn)行至某個(gè)接近開關(guān)，圖形I/O域便加載與MW22相對(duì)應(yīng)的圖片，當(dāng)MW22連續(xù)變化時(shí)，人機(jī)界面中就呈現(xiàn)出鋼管運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的動(dòng)畫。

PLC程序編制和人機(jī)界面組態(tài)完成后，使用S7-PLCSIM進(jìn)行程序模擬仿真。這樣可以在程序開發(fā)早期消除錯(cuò)誤，降低開發(fā)成本，加速開發(fā)進(jìn)程，提高程序的質(zhì)量[11]。電氣控制和監(jiān)控系統(tǒng)仿真測(cè)試無誤后便可以進(jìn)行項(xiàng)目的下載及電氣控制系統(tǒng)的硬件連接，繼而進(jìn)行渦流探傷設(shè)備及電器柜的調(diào)試、安裝及使用。

4 結(jié)束語

在鋼管渦流探傷工藝分析基礎(chǔ)上，提出了電氣控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及人機(jī)界面組態(tài)的方案。重點(diǎn)描述了分選操作和主機(jī)高度調(diào)整的PLC編程實(shí)現(xiàn)，以及人機(jī)界面中動(dòng)畫的制作和磁飽和設(shè)備及探頭高度的配方組態(tài)。開發(fā)出的鋼管渦流探傷電氣控制和監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，使用方便，人機(jī)界面友好。截至目前為止，這些系統(tǒng)仍處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)中，給企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 董欣,孟令華,孫繼華,等.人機(jī)界面HMI在渦流探傷中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀表,2011(8):66-69.

[2] 馬健,韓曉華,黃緒平,等.PC上位機(jī)與S7-300系列PLC進(jìn)行通訊的研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2011(3):169-172.

[3] 劉喜梅,王康勝.污水處理廠遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表,2014,35(6):83-86.

[4] 西門子(中國(guó))有限公司.深入淺出西門子人機(jī)界面[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2009:2-4.

[5] 況雪軍.國(guó)內(nèi)無縫鋼管渦流及超聲波自動(dòng)探傷的現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].鋼管,2007,36(5):54-56.

[6] 萬本例,張路根,胡智,等.鋼管飽和磁化下渦流檢測(cè)有限元仿真研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2011,33(8):116-119.

[7] 張還.空壓機(jī)組電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表,2010,31(4):34-36.

[8] 柴瑞娟,孫承志,孫書芳,等.西門子PLC高級(jí)培訓(xùn)教程.[M].北京：人民郵電出版社,2009:40-46.

[9] 廖常初.S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005:69-72.

[10]羅庚興.高線打包機(jī)PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表,2014,35(2):31-34,39.

[11]王君輝,尹敏.仿真軟件S7-PLCSIM在磨床數(shù)控化改造中的應(yīng)用[J].軸承,2010(12):15-18.

Design of the Electrical Control and Monitoring System in Flaw Detection of Steel Pipe

In order to implement automatic control of steel pipe eddy current flaw detection and remote control of the production line, the electric control system and human machine interaction interface have been designed and the technological process of the steel pipe eddy current detection is analyzed. Siemens PLC is used for collecting discrete signals, such as proximity switches, etc., and conducting logical operation. The actions of the cylinders are controlled by solenoid valves to realize automation of steel pipe loading, detecting, unloading and sorting. The functions of user login, online real time monitoring, alarm, and report generation are implemented through man machine interface. The productive practice shows that the electric control and monitoring system is running stably, operation is easy, possesses high detection efficiency. In addition, the system can also be the reference and guidance for designing other online monitoring systems and human machine interfaces.

Steel pipe eddy current flaw detection Automatic control PLC Monitoring system HMI

劉品瀟(1973-)，男，2007年畢業(yè)于河南科技大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，講師；主要從事機(jī)電一體化技術(shù)的研究。

TP273+.1

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506008

修改稿收到日期：2015-01-09。