直縫焊管自動(dòng)超聲探傷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周平

(江西工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院， 江西 新余 338000)

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直縫焊管自動(dòng)超聲探傷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周平

(江西工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院， 江西 新余 338000)

摘要：針對(duì)直縫焊管生產(chǎn)中傳統(tǒng)應(yīng)用手工探傷效率低、故障率高等問題，利用超聲無損探傷精度高、速度快的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建以可編程控制器(PLC)為核心的直縫焊管自動(dòng)超聲探傷系統(tǒng).提出該系統(tǒng)的工藝參數(shù)和系統(tǒng)機(jī)械構(gòu)成，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的PLC控制硬件、PLC程序流程及PLC控制程序.系統(tǒng)的操作監(jiān)控硬件選用臺(tái)達(dá)觸摸屏，給出基于Windows系統(tǒng)觸摸屏編程軟件設(shè)計(jì)的人機(jī)操作監(jiān)控畫面.運(yùn)行結(jié)果顯示:該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠.

關(guān)鍵詞：直縫焊管； 超聲探傷； 可編程控制器; 觸摸屏

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1　System structure diagram

直縫焊管JCOE成形過程包含板邊預(yù)彎、管坯JCO成形和管坯機(jī)械擴(kuò)徑3個(gè)主要成形工序[1-6].為保障焊管生產(chǎn)質(zhì)量，加工工序中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)是對(duì)焊管進(jìn)行無損檢測.傳統(tǒng)焊管檢測采用操作人員現(xiàn)場手持式探傷儀檢測方式，效率低，精度差，故障率較高.超聲波無損檢測因其檢測精度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[7].本文應(yīng)用可編程控制器(PLC)作為控制核心，將超聲無損檢測技術(shù)應(yīng)用于直縫焊管生產(chǎn)中，設(shè)計(jì)直縫焊管自動(dòng)超聲探傷系統(tǒng).

1系統(tǒng)原理

直縫焊管自動(dòng)探傷工藝流程如下：上料→進(jìn)料→壓料→探傷→打標(biāo)→松料→出料分選.根據(jù)工藝流程設(shè)計(jì)的系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖，如圖1所示.

圖2　系統(tǒng)控制硬件結(jié)構(gòu)Fig.2　Control system hardware structure

2系統(tǒng)控制硬件設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)控制硬件組成

系統(tǒng)控制硬件結(jié)構(gòu),如圖2所示.直縫焊管自動(dòng)超聲探傷系統(tǒng)控制采用西門子S7-200(CPU226)型PLC為控制核心，擴(kuò)展1個(gè)32輸入/32輸出EM223模塊、2個(gè)16 輸入EM221數(shù)字量模塊和1個(gè)EM231模擬量輸入模塊完成系統(tǒng)控制[11-12].焊管運(yùn)輸小車采用西門子VF1型變頻器調(diào)速，系統(tǒng)操作監(jiān)控采用臺(tái)達(dá)觸摸屏.

2.2PLC硬件信號(hào)分配

根據(jù)焊管自動(dòng)超聲探傷系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)要求，對(duì)PLC的I/O口進(jìn)行信號(hào)分配，設(shè)計(jì)的PLC輸入信號(hào)和輸出信號(hào)接線圖,分別如圖3,4所示.

圖3　PLC主模塊輸入信號(hào)接線圖Fig.3　PLC main module input signal wiring diagram

圖4　PLC主模塊輸出信號(hào)接線圖Fig.4　PLC main module output signal wiring diagram

圖5　系統(tǒng)PLC主程序流程Fig.5　Main program flow chart of PLC system

3系統(tǒng)PLC軟件設(shè)計(jì)

3.1PLC控制流程

PLC程序采用西門子PLC編程軟件STEP 7- Micro/WIN V4.0 SP8編制.程序編程為結(jié)構(gòu)化編程模式[13-16]，分為主程序、運(yùn)管小車速度子程序、手動(dòng)子程序、自動(dòng)子程序、自動(dòng)復(fù)位子程序、手動(dòng)復(fù)位子程序、系統(tǒng)總停子程序、運(yùn)管小車編碼器脈沖高速計(jì)數(shù)子程序等,有自動(dòng)、手動(dòng)、單動(dòng)控制功能.PLC主程序流程,如圖5所示.

3.2PLC程序?qū)崿F(xiàn)

根據(jù)直縫焊管超聲探傷工藝及控制流程，編寫PLC控制程序，相應(yīng)的控制子程序如圖6所示.

(a) 運(yùn)管小車速度　　　　(b) 小車行走距離計(jì)算　　　　　　　　(c) 超聲探頭自動(dòng)下降　　　　　圖6　系統(tǒng)控制PLC子程序Fig.6　PLC subroutine of system control

運(yùn)管小車速度控制子程序(圖6(a))中,VD300寄存器中數(shù)據(jù)單位為小車每分鐘圈數(shù)，VD320寄存器中數(shù)據(jù)單位為m·min-1，電流頻率為60 Hz時(shí)，小車最大速度為10 m·min-1.

小車行走距離計(jì)算PLC控制程序(圖6(b))中，將編碼器脈沖高速計(jì)數(shù)器HSC0當(dāng)前值轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)，計(jì)數(shù)脈沖數(shù)乘以VD500寄存器中的脈沖當(dāng)量;然后,取整數(shù)轉(zhuǎn)存VD508寄存器，VD508存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)即為小車行走的距離.

(a) 參數(shù)設(shè)置畫面

超聲探頭自動(dòng)下降控制PLC程序(圖6(c))中，小車當(dāng)前行走距離VD508寄存器的數(shù)據(jù)和第一到第七組超聲探頭探管區(qū)域設(shè)定值寄存器VD0～VD24中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，達(dá)到設(shè)定值時(shí)，探頭下降.程序中，PLC內(nèi)部寄存器M16.0～M16.6為選擇探頭下降的中間繼電器，寄存器M22.0～M22.6對(duì)應(yīng)第一組到第七組探頭下降氣缸電磁閥PLC控制輸出Q0.4，Q0.6，Q1.0，Q1.2，Q1.4，Q1.6，Q2.0.

4系統(tǒng)操作監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

直縫焊管自動(dòng)超聲探傷系統(tǒng)操作監(jiān)控硬件采用臺(tái)達(dá)公司的DOP-B系列觸摸屏，應(yīng)用基于Windows系統(tǒng)編程軟件Screen Edit設(shè)計(jì)觸摸屏操作監(jiān)控界面[17-20].觸摸屏顯示畫面由系統(tǒng)主畫面、監(jiān)控報(bào)警畫面、參數(shù)設(shè)置畫面等組成.設(shè)計(jì)的部分觸摸屏操作監(jiān)控畫面,如圖7所示.

(b) 主畫面　　　　　　　　　　　　　　　　　(c) 監(jiān)控報(bào)警畫面圖7　系統(tǒng)操作監(jiān)控界面的顯示畫面Fig.7　Display screen of the system operation monitoring interface

5結(jié)論

1) 針對(duì)直縫焊管傳統(tǒng)人工探傷效率低、精度差等缺點(diǎn)，構(gòu)建以西門子PLC為控制核心的直縫焊管自動(dòng)超聲探傷系統(tǒng).應(yīng)用西門子S7-200PLC的高速計(jì)數(shù)與比較功能實(shí)現(xiàn)超聲探頭的自動(dòng)下降和運(yùn)管小車定位控制，檢測速度快，精確度較高.系統(tǒng)調(diào)試中高速計(jì)數(shù)脈沖當(dāng)量的選定與超聲探頭安裝位置、小車的速度、 編碼器的參數(shù)相關(guān).

2) 觸摸屏具有人機(jī)交互、 靈活的優(yōu)點(diǎn)，減少了操作臺(tái)上的開關(guān)數(shù)量，使操作更加人性化.通過觸摸屏可實(shí)時(shí)顯示自動(dòng)超聲探傷系統(tǒng)參數(shù)，修改系統(tǒng)參數(shù)便捷，系統(tǒng)柔性較好.設(shè)計(jì)的觸摸屏監(jiān)控畫面具有超聲波傷波、失波等報(bào)警功能，確保了直縫焊管檢測中的安全，避免了人工操作錯(cuò)誤和生產(chǎn)故障的產(chǎn)生.

3) 自動(dòng)超聲探傷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案簡潔，系統(tǒng)控制硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，配合操作監(jiān)控觸摸屏，使工作效率得到提高，系統(tǒng)具有控制穩(wěn)定、可靠高的特點(diǎn)，具有良好的實(shí)際應(yīng)用性.

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(責(zé)任編輯： 黃曉楠 英文審校： 楊建紅)

Design of Automatic Ultrasonic Inspection System of Longitudinal Welded Pipe

ZHOU Ping

(Jiangxi College of Engineering, School of Mechanical and Electrical Engineering， Xinyu 338000, China)

Abstract：Aiming at the problem of low manual detection efficiency and high failure rate in traditional longitudinal welded pipe production, using the advantages of high accuracy, high speed of ultrasonic nondestructive testing, taking the programmable controller (PLC) as the core, a set of automatic ultrasonic inspection system of the longitudinal welded pipe is designed. The paper summarizes the longitudinal-seam welded pipe automatic ultrasonic inspection system. The process parameters and the mechanical structure of the system are put forward, and the PLC control hardware, program flow and control procedures of the system are designed accordingly. A touch screen is chosen for system operation monitoring, and the man-machine operation monitoring picture based on the touch screen programming software design of the Windows system is given.

Keywords：longitudinal welded pipe; ultrasonic inspection; programmable logic controller； touch screen

中圖分類號(hào)：TH 39; TG 115.285

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基金項(xiàng)目：江西省教育廳科技項(xiàng)目(GJJ14815)

通信作者：周平(1970-)，男，副教授，主要從事自動(dòng)化和機(jī)電技術(shù)的研究.E-mail:2865181276@qq.com.

收稿日期：2015-12-22

doi:10.11830/ISSN.1000-5013.2016.02.0145

文章編號(hào)：1000-5013(2016)02-0145-04