海上輸油管道切割裝置控制系統(tǒng)設(shè)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(xué)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(shè)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(jìn)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(shù)、等離子切割技術(shù)、氧乙炔火焰等切割技術(shù)[1]，這幾種切割方法雖然可以對不同材質(zhì)的管道進(jìn)行應(yīng)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(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)在深海區(qū)域?qū)艿肋M(jìn)行自動切割，該設(shè)備基于PLC控制器與觸摸屏進(jìn)行通信，通過人機界面實現(xiàn)遠(yuǎn)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(jìn)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(gòu)成和工作原理

1.1 輸油管道切割裝置系統(tǒng)構(gòu)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(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)主要由觸摸屏、PLC控制器、伺服電機驅(qū)動器、行程開關(guān)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(shè)定電機正反轉(zhuǎn)、報警顯示、轉(zhuǎn)速設(shè)定、水刀位置設(shè)定，以便通過遠(yuǎn)程操作對海上輸油管道切割裝置進(jìn)行遠(yuǎn)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(guān)發(fā)送來的電信號，從而控制伺服電機帶動水刀進(jìn)行切割的轉(zhuǎn)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(jìn)退[2]。

1.1.3 伺服驅(qū)動器。通過與PLC共同構(gòu)成伺服驅(qū)動系統(tǒng)，對水刀的位置、轉(zhuǎn)速、啟停和旋轉(zhuǎn)進(jìn)行控制。

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

1.1.5 氣動閥。通過壓縮空氣的方式進(jìn)行驅(qū)動從而帶動曲臂做90°旋轉(zhuǎn)，以達(dá)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(gòu)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(guān)，行程開關(guān)將產(chǎn)生的機械運動轉(zhuǎn)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(jìn)行順時針運動開始切割輸油管道。當(dāng)水刀觸碰到第二個行程開關(guān)時，PLC收到信號后停止伺服電機的旋轉(zhuǎn)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(shè)計的技術(shù)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(shè)計提出了幾個技術(shù)要求[3]。①設(shè)計的輸油管道切割裝置能夠在100m的深海區(qū)域進(jìn)行作業(yè)。②在水質(zhì)渾濁的區(qū)域能夠準(zhǔn)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(jìn)退、伺服電機正反轉(zhuǎn)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(dāng)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(jìn)行故障修復(fù)。⑤能夠?qū)崿F(xiàn)對于單層或者雙層的管道進(jìn)行切割。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計與輸油管道切割裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)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(shè)定相應(yīng)的參數(shù)值，PLC收到命令后控制對應(yīng)操作的繼電器開關(guān)閉合從而使繼電器得電，進(jìn)而控制伺服電機的運轉(zhuǎn)、管道的夾持和水刀的進(jìn)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(jìn)行監(jiān)測、切割、水刀停止與退出和放松管道等任務(wù)。

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(jìn)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(fù)故障后重新上電。若無故障，按下觸摸屏進(jìn)臂按鈕控制氣控閥1和2對管道進(jìn)行夾緊。

2.2.2 水刀的送入。按下觸摸屏上進(jìn)刀按鈕，氣動閥5開始控制水刀進(jìn)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(zhuǎn)帶動水刀逆時針運動。當(dāng)水刀回退至觸碰到第一個行程開關(guān)，PLC收到信號后控制伺服電機正向旋轉(zhuǎn)帶動水刀進(jìn)行順時針運動開始切割輸油管道。

2.2.3 水刀的退出。當(dāng)水刀觸碰至第二個行程開關(guān)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(dāng)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(jié)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(shè)計，如圖4所示。

圖4 輸油管道切割裝置系統(tǒng)程序設(shè)計

3 結(jié)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?qū)斢凸艿肋M(jìn)行自動化切割。該設(shè)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(jìn)了石油工業(yè)的發(fā)展。