徐 馳，徐達(dá)力，馬賓鋒，樊 萍，黃維勇，汪恩輝

（1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.西安電力電子技術(shù)研究所，陜西 西安 710077）

隨著石油工業(yè)的迅猛發(fā)展，油井開采環(huán)境日益惡劣，油田用戶對(duì)各類油井管的質(zhì)量提出了更高要求［1］。分析研究油井管的失效、損毀原因，主要是由油井管在加工過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷引起的［2］。鋼管制造廠家加強(qiáng)對(duì)鋼管的在線檢測(cè)尤為重要，無(wú)損探傷和水壓試驗(yàn)是鋼管檢測(cè)的必要手段。超聲波探傷作為無(wú)損探傷的主要代表，因其具有方便、快捷、檢測(cè)可靠等優(yōu)勢(shì)，成為鋼管檢測(cè)生產(chǎn)線上必不可缺的探傷方式［3-5］。

目前能生產(chǎn)超聲波探傷設(shè)備的廠家主要分布在美國(guó)及歐洲地區(qū)少數(shù)國(guó)家，而我國(guó)則處于設(shè)計(jì)研發(fā)初期。2007年，江蘇常寶鋼管股份有限公司（簡(jiǎn)稱常寶）為了適應(yīng)產(chǎn)品的海外訂貨量及質(zhì)量要求，需引進(jìn)德國(guó)GE公司生產(chǎn)的超聲波探傷設(shè)備。考慮到建設(shè)投資成本，常寶提出了只引進(jìn)超聲波探傷機(jī)主機(jī)，探傷所需要的鋼管頭尾對(duì)接和對(duì)接之后的同步運(yùn)動(dòng)設(shè)備及電氣控制系統(tǒng)采用國(guó)產(chǎn)成套。在經(jīng)過(guò)多次方案交流與論證后，由中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司設(shè)計(jì)超聲波探傷線鋼管頭尾精準(zhǔn)對(duì)接電氣控制系統(tǒng)。

1 頭尾精準(zhǔn)對(duì)接問(wèn)題的提出

超聲波在水中的衰減很小，探傷過(guò)程中需要被檢測(cè)物體外表浸潤(rùn)在水中或是有水膜覆蓋，且在浸潤(rùn)中鋼管內(nèi)部不能進(jìn)水。單根鋼管探傷時(shí)，兩端需要封堵，防止水進(jìn)入鋼管內(nèi)；批量、高效、連續(xù)地探傷鋼管時(shí)，要求鋼管頭尾對(duì)接，避免水進(jìn)入鋼管內(nèi)，并且在對(duì)接過(guò)程中不能產(chǎn)生沖擊，以免影響探傷效果。因此，需研發(fā)鋼管對(duì)接運(yùn)輸機(jī)構(gòu)，并在電氣系統(tǒng)上有效地控制對(duì)接過(guò)程，保證平穩(wěn)對(duì)接，且對(duì)接之后的鋼管要同步運(yùn)動(dòng)，滿足探傷速度要求。

本文重點(diǎn)介紹超聲波探傷線鋼管對(duì)接電氣控制系統(tǒng)的硬件和軟件。硬件主要由PLC控制器、交流變頻傳動(dòng)、接近開關(guān)、光電開關(guān)等元件組成；軟件由西門子STEP7編制［6-13］。整個(gè)系統(tǒng)控制鋼管頭部在一定范圍內(nèi)精準(zhǔn)且無(wú)撞擊地追上前一根鋼管的尾部，并跟隨運(yùn)動(dòng)；對(duì)于較長(zhǎng)的輸送輥道，設(shè)置有縮短鋼管頭尾距離的粗追擊，減小精準(zhǔn)追擊的距離。該系統(tǒng)用于鋼管超聲波探傷線的輔助設(shè)備，保證鋼管在超聲波探傷時(shí)頭尾相接，實(shí)現(xiàn)鋼管的批量、連續(xù)探傷。

2 對(duì)接過(guò)程的理論分析

研發(fā)的目的是為超聲波探傷機(jī)提供一套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能完善、控制可靠、能滿足不同直徑及長(zhǎng)度鋼管的頭尾精準(zhǔn)且無(wú)撞擊追擊跟隨控制系統(tǒng)。

從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度描述：追擊過(guò)程為兩根鋼管作前后運(yùn)動(dòng)，后一根鋼管快速追擊前一根鋼管，在靠近前一根鋼管的尾部時(shí)，無(wú)沖擊地與前一根鋼管的尾部對(duì)接，并與其同步以探傷速度運(yùn)行?？梢詺w結(jié)為兩個(gè)物體的追擊問(wèn)題，即第一個(gè)物體向前勻速直線運(yùn)行，第二個(gè)物體在相距一定距離內(nèi)，以較快的速度在一定的時(shí)間內(nèi)追上第一個(gè)物體［14］。假設(shè)第一個(gè)物體的行進(jìn)速度為v1，第二個(gè)物體的行進(jìn)速度為v2（v2∧v1），經(jīng)過(guò)sc的距離，需要追擊時(shí)間tx，由sc=（v2-v1）×tx推導(dǎo)出公式：

式中k——兩個(gè)物體行進(jìn)速度的比值，k=v2/v1；

t1——第一個(gè)物體尾部通過(guò)參考點(diǎn)至第二個(gè)物體頭部到達(dá)參考點(diǎn)時(shí)所需的時(shí)間（t1=sc/v1），s。

如果把k設(shè)成一個(gè)定值，可以通過(guò)t1求得追擊時(shí)間tx，這樣就把看似變化不斷、測(cè)量困難的追擊問(wèn)題轉(zhuǎn)換成一個(gè)時(shí)間的問(wèn)題。只需設(shè)置一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，用1個(gè)計(jì)時(shí)器就可解決問(wèn)題，這也是本設(shè)計(jì)的最大特點(diǎn)。鋼管追擊運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖1所示。

圖1 鋼管追擊運(yùn)動(dòng)過(guò)程示意

實(shí)際中，追擊必須在鋼管尾部進(jìn)入夾送輥前完成。如果k值過(guò)小，在有限的追擊距離內(nèi)不能完成對(duì)接；如果k值過(guò)大，變頻器速度上限值達(dá)不到要求。因此，k值的取值范圍應(yīng)為1≤k≤追擊輥?zhàn)畲缶€速度/v1；另外，k值還要受到追擊距離的限制。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 硬 件

通過(guò)理論分析得出：為了使后一根鋼管在直線運(yùn)動(dòng)中追趕上前一根鋼管并跟隨運(yùn)動(dòng)，就得設(shè)計(jì)跟隨輥道和追擊輥道。本次設(shè)計(jì)了1個(gè)跟隨輥道、2個(gè)追擊輥道及1個(gè)受料輥道，輥道的數(shù)量根據(jù)工藝要求增減。要求輥道能變速，所以采用變頻器來(lái)控制輥道電機(jī)，確保進(jìn)入跟隨區(qū)的鋼管跟隨運(yùn)動(dòng)，跟隨區(qū)外的鋼管追擊運(yùn)動(dòng)。

在對(duì)接區(qū)域前設(shè)置第一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)SQ1，測(cè)量前一根鋼管尾部離開至后一根鋼管頭部到達(dá)的時(shí)間t1，采用對(duì)射式光電開關(guān)檢測(cè)鋼管頭尾，通過(guò)式（1）計(jì)算出追擊時(shí)間tx，同時(shí)控制前一根鋼管以跟隨速度運(yùn)行，控制后一根鋼管以追擊速度運(yùn)行tx時(shí)間后，使后一根鋼管也以跟隨速度運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)兩根鋼管頭尾精確無(wú)撞擊對(duì)接跟隨運(yùn)動(dòng)。

在第一追擊輥道之前設(shè)置第二個(gè)檢測(cè)點(diǎn)SQ2，在第二追擊輥道之前設(shè)置第三個(gè)檢測(cè)點(diǎn)SQ3，當(dāng)前一根鋼管的尾部通過(guò)了SQ2接近開關(guān)，后一根鋼管的頭部還沒有到達(dá)SQ3接近開關(guān)，則后一根鋼管以追擊速度運(yùn)行；當(dāng)前一根鋼管的尾部通過(guò)了SQ2接近開關(guān)，后一根鋼管的頭部通過(guò)了SQ3接近開關(guān)，則前后鋼管以跟隨速度運(yùn)行；設(shè)計(jì)2個(gè)追擊輥道是為了實(shí)現(xiàn)輥道較長(zhǎng)時(shí)縮短鋼管頭尾距離的粗追擊，采用接近開關(guān)檢測(cè)鋼管頭尾。接近開關(guān)的數(shù)量與追擊輥道的數(shù)量、長(zhǎng)度有關(guān)；如果有n個(gè)追擊輥道，則接近開關(guān)數(shù)量為（n-2）個(gè)。

圖2 超聲波探傷線鋼管對(duì)接電氣控制系統(tǒng)的硬件配置示意

超聲波探傷線鋼管對(duì)接電氣控制系統(tǒng)的硬件配置如圖2所示。為了跟隨超聲波探傷的速度，控制系統(tǒng)設(shè)置了1個(gè)模擬量輸入模塊，用于讀取超聲波探傷速度值；為實(shí)現(xiàn)計(jì)算、控制及顯示，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有可編程控制的CPU、人機(jī)界面HMI，并建立了整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接［15-21］。

把關(guān)于距離的問(wèn)題轉(zhuǎn)換成關(guān)于時(shí)間的問(wèn)題，是該方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵；把理論分析得出的結(jié)論，用PLC編制成應(yīng)用軟件，是該設(shè)計(jì)成功應(yīng)用的難點(diǎn)。在追擊時(shí)，兩根鋼管的相對(duì)距離是隨時(shí)間變化且不確定的，更換生產(chǎn)規(guī)格后，會(huì)引發(fā)設(shè)備各參數(shù)的變化，如果要檢測(cè)其相對(duì)距離，檢測(cè)設(shè)備繁多，投資成本較高，并且實(shí)現(xiàn)較困難。根據(jù)式（1）將關(guān)于距離的問(wèn)題轉(zhuǎn)換成關(guān)于時(shí)間的問(wèn)題，假設(shè)v2、v1不變，即k值一定，只需測(cè)得t1就能計(jì)算出追擊時(shí)間tx，而t1可以由測(cè)量點(diǎn)SQ1的光電開關(guān)測(cè)得。在實(shí)際編程過(guò)程中還將理論分析的結(jié)果進(jìn)一步簡(jiǎn)化，使程序運(yùn)行更為方便可靠。把tx輸入計(jì)時(shí)器，當(dāng)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)結(jié)束，就認(rèn)為后一根鋼管頭部追上了前一根鋼管的尾部，此時(shí)調(diào)整后一根鋼管的速度為v1，從而實(shí)現(xiàn)兩根鋼管頭尾無(wú)撞擊對(duì)接并跟隨運(yùn)動(dòng)的功能。

將距離的檢測(cè)和控制轉(zhuǎn)換成時(shí)間的測(cè)量和控制，使得控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易行，只需要少數(shù)檢測(cè)開關(guān)，同時(shí)利用PLC的計(jì)算和計(jì)時(shí)功能，實(shí)現(xiàn)探傷機(jī)要求的無(wú)撞擊精準(zhǔn)跟蹤。

3.2 軟 件

軟件編制的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，就是如何把計(jì)時(shí)器的數(shù)值轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)計(jì)算的數(shù)值，并且結(jié)合檢測(cè)開關(guān)信號(hào)，準(zhǔn)確、及時(shí)地完成控制過(guò)程。超聲波探傷線鋼管對(duì)接電氣控制系統(tǒng)的程序框圖如圖3所示。

圖3 超聲波探傷線鋼管對(duì)接電氣控制系統(tǒng)的程序框圖

4 系統(tǒng)的特點(diǎn)

超聲波探傷線鋼管對(duì)接電氣控制系統(tǒng)將不易檢測(cè)的動(dòng)態(tài)距離問(wèn)題轉(zhuǎn)換成時(shí)間問(wèn)題，使用常規(guī)的PLC進(jìn)行編程，充分開發(fā)PLC的計(jì)算功能、計(jì)時(shí)功能，使復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化；而且在調(diào)整主機(jī)生產(chǎn)速度及更換生產(chǎn)規(guī)格后，不需要調(diào)整設(shè)備參數(shù)，系統(tǒng)通過(guò)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了隨動(dòng)跟蹤。

5 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)的超聲波探傷線鋼管頭尾精準(zhǔn)對(duì)接電氣控制系統(tǒng)已于2007年12月17日在常寶探傷生產(chǎn)線上成功應(yīng)用，該研究成果已獲國(guó)家發(fā)明專利（專利號(hào)：200810150555.9）。該電氣控制系統(tǒng)投入生產(chǎn)以來(lái)，運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠、經(jīng)濟(jì)效益顯著，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)還有相關(guān)石油鋼管生產(chǎn)企業(yè)采用了該電氣控制系統(tǒng)。實(shí)踐證明：超聲波探傷線鋼管頭尾精準(zhǔn)對(duì)接電氣控制系統(tǒng)的開發(fā)是成功的，具有很好的推廣價(jià)值；系統(tǒng)采用的創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念值得同行參考。

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