任顯新

（山東勝利鋼管有限公司， 山東 淄博255082）

0 前 言

我國螺旋埋弧焊管預(yù)精焊裝備處于國際先進(jìn)水平[1]。 預(yù)精焊螺旋埋弧焊管生產(chǎn)工藝與 “一步法” 生產(chǎn)工藝相比有不同之處， 在一定程度上提高了螺旋焊縫質(zhì)量。 “一步法” 生產(chǎn)中成型和埋弧焊接過程同時(shí)進(jìn)行， 一步完成[2]； 預(yù)精焊工藝技術(shù) （也稱 “兩步法”） 是先對(duì)焊管內(nèi)壁焊縫進(jìn)行預(yù)焊， 之后采用精焊工藝完成焊管的焊接，是目前世界上生產(chǎn)螺旋埋弧焊管先進(jìn)的制管工藝技術(shù)[3-4]。 在“兩步法” 生產(chǎn)過程中， 焊管內(nèi)壁清掃（也稱內(nèi)清掃） 工序是不可缺少的， 此道工序直接影響后續(xù)精焊螺旋焊縫的質(zhì)量。 內(nèi)清掃是通過液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)刷頭對(duì)平臺(tái)上預(yù)焊焊管進(jìn)行內(nèi)壁清掃， 清理預(yù)焊縫周邊的飛濺物、 氧化皮及鐵銹等雜物， 同時(shí)刷頭裝置附近的吸風(fēng)管隨著刷頭伸臂的移動(dòng)對(duì)其內(nèi)壁打磨的金屬粉塵進(jìn)行回收。 原來的內(nèi)清掃吸塵系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中存在部分粉塵會(huì)從焊管另一端排放到生產(chǎn)車間的現(xiàn)象， 污染周圍環(huán)境。 因此， 提出對(duì)原吸塵系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)， 在焊管另一端增加袋式吸塵器裝置， 包括吸塵小車、 吸塵風(fēng)機(jī)、 濾芯裝置等， 組成新的關(guān)聯(lián)的內(nèi)清掃吸塵系統(tǒng)， 將塵氣中的顆粒物分離出來， 并加以收集、 回收[5]。 大多數(shù)吸塵設(shè)備都會(huì)選用袋式除塵技術(shù)或電除塵技術(shù)， 目前袋式除塵技術(shù)的應(yīng)用已逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位[6-7]。 袋式吸塵器屬高效吸塵器， 除塵效率一般＞99%[8]。

設(shè)計(jì)的內(nèi)清掃吸塵系統(tǒng)， 在焊管兩端分別設(shè)有主吸風(fēng)管和輔吸風(fēng)口， 同時(shí)對(duì)管內(nèi)金屬粉塵等進(jìn)行回收， 達(dá)到了管內(nèi)粉塵向生產(chǎn)車間零排放的目的。

1 吸塵裝置安裝方案的確定

根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)工藝情況， 可以將吸塵裝置安裝在內(nèi)清掃工序或內(nèi)清掃工序的下一道工序。 本研究選擇安裝在內(nèi)清掃工序位置， 組合式吸塵系統(tǒng)具體3D 安裝布置如圖1 所示。

圖1 組合式吸塵系統(tǒng)3D 安裝布置示意圖

安裝方案有兩種， 根據(jù)現(xiàn)場已有裝置的布置情況及吸塵后能達(dá)到的效果， 方案一為工序后布置方案， 此方案優(yōu)點(diǎn)是將新裝置安裝在指定的位置后， 可以獨(dú)立吸塵， 不需要考慮與內(nèi)清掃刷頭清掃時(shí)的配合問題， 可直接根據(jù)廠家提供的原控制程序完成手動(dòng)與自動(dòng)吸塵。 該方案雖然能吸收管內(nèi)及焊縫周邊殘留的粉塵， 但未解決清掃過程中粉塵從焊管一端排放到車間的問題。 方案二是在焊管另一端安裝吸塵裝置（見圖1）， 優(yōu)點(diǎn)是在內(nèi)清掃刷頭清理焊管內(nèi)壁的同時(shí)， 可以在焊管另一端由輔吸風(fēng)口的吸塵小車回收室對(duì)粉塵集中回收處理。但在該工序?qū)崿F(xiàn)管端粉塵處理時(shí)需要和內(nèi)清掃刷頭及焊管旋轉(zhuǎn)等進(jìn)行配合， 則必須對(duì)原控制程序進(jìn)行分析并改進(jìn)， 使組合式吸塵系統(tǒng)滿足現(xiàn)場的總體要求， 同時(shí)達(dá)到內(nèi)清掃工序原有的工作要求。

通過對(duì)上述方案的分析比較， 選擇方案二，此方案雖然在安裝前后需要對(duì)吸塵裝置控制程序及各個(gè)傳感器安裝位置進(jìn)行改進(jìn)， 在實(shí)施過程中有一定的困難， 但是一旦調(diào)試成功， 不僅能夠解決清理內(nèi)清掃刷頭剩余的粉塵， 同時(shí)也可以將粉塵集中回收處理。

根據(jù)圖1 所示的安裝布置示意圖， 內(nèi)清掃組合式吸塵系統(tǒng)工作流程是將預(yù)焊焊管經(jīng)傳輸輥道送到指定的工序臺(tái)架， 再由運(yùn)管車將預(yù)焊焊管移動(dòng)到內(nèi)清掃工位臺(tái)架， 此時(shí)運(yùn)管車的升降器把預(yù)焊焊管降到指定旋轉(zhuǎn)托輥上， 預(yù)焊管右端傳感器發(fā)出數(shù)字信號(hào)指令給PLC 控制器， 控制吸塵小車由初始位置運(yùn)行到管端， 相應(yīng)傳感器發(fā)出指令給PLC控制器， 控制吸塵小車停在管端。 管端伸進(jìn)吸塵小車內(nèi)部長度可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置， 在控制程序改進(jìn)與分析中進(jìn)行解析。 預(yù)焊焊管降到指定旋轉(zhuǎn)托輥后就可以啟動(dòng)內(nèi)清掃裝置自動(dòng)按鍵完成整個(gè)內(nèi)壁的清掃工作， 根據(jù)內(nèi)清掃實(shí)際工作時(shí)間， 吸塵小車自動(dòng)退回到初始位置， 等待下一根預(yù)焊焊管。

2 吸塵裝置構(gòu)成及系統(tǒng)分析

2.1 吸塵系統(tǒng)概述

根據(jù)對(duì)安裝方案進(jìn)行分析與選擇， 最終將移動(dòng)小車安裝在內(nèi)清掃工序臺(tái)架右側(cè)， 具體內(nèi)清掃組合式吸塵系統(tǒng)3D 安裝布置如圖1 所示。 內(nèi)清掃工序崗位左端安裝德國進(jìn)口內(nèi)清掃系統(tǒng)， 右端新安裝一套吸塵裝置。 安裝吸塵裝置的目的是清除焊管焊后管內(nèi)表面產(chǎn)生的氧化鐵等雜物[9-10]， 通過關(guān)聯(lián)各功能組成新的內(nèi)清掃吸塵系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)同步焊管內(nèi)壁刷頭清掃， 完成焊管內(nèi)氧化物等清理工作。

組合后的吸塵回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是自動(dòng)焊接過程中與內(nèi)清掃的無縫隙配合， 不能降低原來的內(nèi)清掃裝置的工作效率。 否則在正常預(yù)焊速度9 m/min 時(shí)會(huì)造成內(nèi)清掃工序前預(yù)焊焊管堆積，嚴(yán)重影響整個(gè)主機(jī)的生產(chǎn)效率。

2.2 吸塵裝置的構(gòu)成

吸塵裝置主要是由小車、 吸塵風(fēng)機(jī)、 濾芯處理裝置、 PLC 控制器、 觸摸屏及變頻器等組成。小車主體上安裝吸塵室， 由普通異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車整體前進(jìn)與后退。 小車主要作用是將清掃的粉塵由吸塵室進(jìn)行收集， 將懸浮金屬粉塵等通過風(fēng)道被吸到濾芯處理裝置內(nèi)進(jìn)行集中處理。 吸塵風(fēng)機(jī)負(fù)責(zé)將風(fēng)道的空氣抽出去， 這樣小車吸塵室內(nèi)會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓， 可以將懸浮顆粒送到濾芯處理中心。 吸塵風(fēng)機(jī)分為兩個(gè)檔位， 當(dāng)內(nèi)清掃停止工作時(shí)， 風(fēng)機(jī)以較低頻率進(jìn)行低速旋轉(zhuǎn)； 當(dāng)進(jìn)行管壁清掃時(shí)， 風(fēng)機(jī)根據(jù)設(shè)定的高頻率值進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)， 達(dá)到回收粉塵的效果。 濾芯處理裝置負(fù)責(zé)將吸附過來的粉塵進(jìn)行收集處理， 防止直接排放到車間外， 造成車間外環(huán)境二次污染。 PLC 控制器為整個(gè)吸塵裝置工作的控制中心， 負(fù)責(zé)對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行控制， 達(dá)到各運(yùn)動(dòng)部件有條不紊的進(jìn)行工作， 完成指定的吸塵工作任務(wù)。 基于PLC 控制系統(tǒng)減小了傳統(tǒng)的繼電-接觸控制系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)， 減少了硬件和控制線路， 極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性[11-12]。 觸摸屏是手動(dòng)控制或參數(shù)設(shè)定的人機(jī)接口， 包括對(duì)風(fēng)機(jī)頻率參數(shù)、 壓差參數(shù)及工作時(shí)間參數(shù)等設(shè)定。

2.3 小車與刷頭工作過程分析

內(nèi)清掃組合吸塵系統(tǒng)的關(guān)鍵在于小車與刷頭和鋼管就位， 根據(jù)工序工作情況進(jìn)行合理配合，方可使內(nèi)清掃與吸塵同時(shí)執(zhí)行。 這一系列完整的自動(dòng)內(nèi)清掃吸塵過程， 包括鋼管旋轉(zhuǎn)、 大臂小車運(yùn)行、 主吸風(fēng)系統(tǒng)啟動(dòng)、 輔吸風(fēng)系統(tǒng)啟動(dòng)、 吸塵小車運(yùn)行、 刷頭旋轉(zhuǎn)、 吸塵裝置返回到初始位置等。

吸塵小車自動(dòng)啟動(dòng)到小車返回到初始位置所用的時(shí)間， 要大于鋼管就位后到刷頭最終離開管端的時(shí)間， 這樣右端吸塵裝置自始至終能夠?qū)軆?nèi)粉塵進(jìn)行回收處理。 刷頭裝置會(huì)在預(yù)焊焊管右端伸出15 cm 長度， 所以， 管端伸進(jìn)小車吸塵室位置要選擇合適， 合理安置限位開關(guān)位置， 避免吸塵室與刷頭碰撞， 并在合適的位置安裝極限防撞開關(guān)， 保證設(shè)備安全， 小車與刷頭工作流程如圖2 所示。

圖2 小車與刷頭工作流程

2.4 控制程序分析與改進(jìn)

吸塵裝置是一種獨(dú)立的控制過程， 不能直接與內(nèi)清掃系統(tǒng)融合為一個(gè)組合式吸塵系統(tǒng)， 需要改進(jìn)， 安裝相應(yīng)傳感器后， 可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)口內(nèi)清掃系統(tǒng)與吸塵裝置相互配合， 形成組合式吸塵系統(tǒng)， 完成對(duì)預(yù)焊管內(nèi)壁飛濺物等金屬粉塵進(jìn)行兩端除塵處理。

首先， 當(dāng)預(yù)焊管就位后， 對(duì)小車自動(dòng)啟動(dòng)前進(jìn)控制加以改進(jìn)， 由傳感器感應(yīng)到管體后向PLC發(fā)送一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)， 在相應(yīng)的程序段位置添加相應(yīng)數(shù)量的常開位存儲(chǔ)器， 這樣， 傳感器檢測到管體后常開觸點(diǎn)閉合， 由相應(yīng)邏輯控制關(guān)系對(duì)吸塵小車前進(jìn)進(jìn)行控制， 使得能完成后續(xù)一系列的順序控制。 其次， 小車返回時(shí)間由預(yù)焊焊管就位到內(nèi)清掃刷頭離開管端所用的時(shí)間來確定， 根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行情況在觸摸屏上設(shè)置為222 s。 由于觸摸屏?xí)r間的設(shè)定范圍僅為60 s， 滿足不了目前組合吸塵系統(tǒng)的要求， 根據(jù)程序分析， 需要對(duì)定時(shí)器進(jìn)行時(shí)間范圍上的更改， 用來滿足現(xiàn)場的要求。 最后， 小車返回至初始位置， 在預(yù)焊管起升過程中， 預(yù)焊管離開就位傳感器的檢測范圍后，由于機(jī)械及液壓問題以及鋼管的自重等因素， 管體會(huì)有向下頓挫， 并返回到傳感器的檢測范圍。這樣， 傳感器再次檢測到管體后把錯(cuò)誤指令信號(hào)傳送給PLC 控制器， 吸塵裝置誤認(rèn)為新的鋼管，吸塵小車會(huì)再一次向管端方向運(yùn)行。 如果操作不及時(shí)， 會(huì)使吸塵小車回收室與管端發(fā)生接觸， 引起設(shè)備間碰撞。

由于文章篇幅有限， 只就讀取部分主要改進(jìn)控制程序進(jìn)行分析， 其他程序不進(jìn)行一一解析。主要改進(jìn)控制程序段如圖3 所示。

圖3 主要改進(jìn)控制程序段

根據(jù)部分改進(jìn)控制程序?qū)ξ鼔m小車前進(jìn)與后退、 自動(dòng)停止以及吸塵工作時(shí)間設(shè)置進(jìn)行分析。程序段27、 34 中的Q0.2、 Q0.3 分別控制吸塵小車的前進(jìn)和后退， 當(dāng)吸塵小車后退時(shí)Q0.3 會(huì)觸發(fā)啟動(dòng)延時(shí)定時(shí)器T250， 同時(shí)在程序段27 的T250 常閉觸點(diǎn)斷開， 當(dāng)后退停止時(shí)T250 會(huì)以60 s 計(jì)時(shí)， 達(dá)到1 min 后T250 常閉觸點(diǎn)恢復(fù)為閉合狀態(tài)， 此時(shí)吸塵小車才可以前進(jìn)。 這樣， 滿足鋼管起升的時(shí)間， 就可以解決誤啟動(dòng)吸塵小車運(yùn)行引起車體與管端碰撞問題。 程序段29 是在吸塵自動(dòng)控制的情況下， 當(dāng)車體傳感器檢測到管端后向PLC 輸入接口I1.1 發(fā)出信號(hào)， 延時(shí)定時(shí)器T170 會(huì)觸發(fā)， 并可通過觸摸屏對(duì)VW314 進(jìn)行設(shè)置， 代替調(diào)整車體傳感器支架。 本次調(diào)試設(shè)置為1 s， 1 s 后T170 常閉觸點(diǎn)轉(zhuǎn)為斷開狀態(tài)，此時(shí)小車自動(dòng)停止， 延時(shí)1 s 的目的是讓右側(cè)管端進(jìn)入小車吸塵室內(nèi)留有一定長度， 防止粉塵外排。 程序段38 設(shè)置整個(gè)吸塵小車工作的時(shí)間，同樣通過觸摸屏對(duì)VW326 進(jìn)行設(shè)置， 根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況設(shè)置為222 s， 完全能夠滿足現(xiàn)場內(nèi)清掃除塵時(shí)間要求。

3 安裝與程序調(diào)試

吸塵裝置機(jī)械部分整體就位， 根據(jù)現(xiàn)場安裝濾芯回收部件和電氣控制部件， 用風(fēng)管將吸塵小車回收室及濾芯裝置相連接， 并依據(jù)安裝方案將風(fēng)管引接到生產(chǎn)車間外面。 安裝小車導(dǎo)軌時(shí)， 水平度應(yīng)滿足安裝要求， 保證小車能夠在導(dǎo)軌上平穩(wěn)運(yùn)行， 嚴(yán)禁出現(xiàn)導(dǎo)軌不平導(dǎo)致小車停止后出現(xiàn)溜車現(xiàn)象。 回收室安裝在小車車體上， 保證安裝的嚴(yán)密性， 防止小車吸塵室回收金屬粉塵時(shí)向車間排放。

對(duì)全部吸塵裝置的各個(gè)機(jī)械部件安裝完畢后， 需要對(duì)各電氣元件進(jìn)行配線與接線。 包括PLC、 變頻器、 電動(dòng)機(jī)、 傳感器以及各個(gè)氣閥等的接線， 達(dá)到電能或電信號(hào)的傳遞， 完成各個(gè)執(zhí)行部件的動(dòng)作。 應(yīng)特別注意電源動(dòng)力線與控制線分開布置， 防止強(qiáng)電干擾弱電。

將改進(jìn)后的程序通過電腦與PLC 連接， 選PPI 協(xié)議與PLC 進(jìn)行通信， PPI 協(xié)議采用主從式通訊[13-14]， 連接成功后， 點(diǎn)擊下載將程序下載到PLC， 方可根據(jù)用戶編寫的程序完成相應(yīng)的功能。

對(duì)吸塵裝置程序進(jìn)行調(diào)試， 利用STEP 7-MicroWin32 進(jìn)行在線監(jiān)視， 對(duì)不符合要求的動(dòng)作指令進(jìn)行及時(shí)更改， 參數(shù)進(jìn)行及時(shí)設(shè)置， 最終達(dá)到預(yù)期的吸塵效果。

4 結(jié)束語

螺旋埋弧焊管預(yù)精焊內(nèi)清掃工序中組合式吸塵系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用， 有效地吸收了焊管兩端的粉塵， 控制了管端粉塵外排， 生產(chǎn)車間工作環(huán)境得到了很大改善。 通過采取控制程序、 時(shí)間設(shè)置及傳感器選擇等一系列技術(shù)措施， 不僅沒有降低內(nèi)清掃工作效率， 還可以滿足原來清掃焊管內(nèi)壁功能， 而且還解決了焊管另一端金屬粉塵排向生產(chǎn)車間的問題， 達(dá)到了預(yù)期的改進(jìn)目的。