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(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)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(mǎn)足人們的需求，因此對(duì)深海區(qū)石油資源的開(kāi)發(fā)和利用已經(jīng)成為世界上大多數(shù)國(guó)家的發(fā)展趨勢(shì)。隨著海上石油平臺(tái)的大量建設(shè)與運(yùn)行，對(duì)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(gè)新的管道不僅耗時(shí)而且需要大量的成本，因此，對(duì)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(duì)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(mǎn)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(wèn)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(dòng)切割，該設(shè)備基于PLC控制器與觸摸屏進(jìn)行通信，通過(guò)人機(jī)界面實(shí)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(duì)海上石油管道切割裝置控制系統(tǒng)的研究對(duì)于促進(jìn)我國(guó)石油工業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)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(duì)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(jī)驅(qū)動(dòng)器、行程開(kāi)關(guān)和氣動(dòng)閥5部分組成。

1.1.1 觸摸屏。在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)與PLC控制器的通信，從而控制伺服電機(jī)和電磁閥。選用歐姆龍NB5Q-TW01B型的觸摸屏，通過(guò)設(shè)定電機(jī)正反轉(zhuǎn)、報(bào)警顯示、轉(zhuǎn)速設(shè)定、水刀位置設(shè)定，以便通過(guò)遠(yuǎn)程操作對(duì)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(hào)的PLC。作為管道切割裝置的核心控制器，通過(guò)接收觸摸屏通信的指令和行程開(kāi)關(guān)發(fā)送來(lái)的電信號(hào)，從而控制伺服電機(jī)帶動(dòng)水刀進(jìn)行切割的轉(zhuǎn)速。實(shí)時(shí)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(hào)發(fā)送給氣動(dòng)閥，使氣動(dòng)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(dòng)器。通過(guò)與PLC共同構(gòu)成伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)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(kāi)關(guān)。選用Omron公司D4V-8104SZ型號(hào)的行程開(kāi)關(guān)，主要對(duì)水刀的位置進(jìn)行判定，當(dāng)水刀碰到行程開(kāi)關(guān)時(shí)，將產(chǎn)生的機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)發(fā)送給PLC進(jìn)而控制水刀進(jìn)行切割工作。

1.1.5 氣動(dòng)閥。通過(guò)壓縮空氣的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)從而帶動(dòng)曲臂做90°旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到閥門(mén)自動(dòng)啟閉的目的。它主要由調(diào)節(jié)螺栓、執(zhí)行機(jī)構(gòu)箱體、曲臂、氣缸體、氣缸軸、活塞、連桿、萬(wàn)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(guò)兩個(gè)氣動(dòng)閥控制夾緊臂來(lái)夾緊管道。②控制水刀的氣動(dòng)閥開(kāi)始工作，將水刀逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)直到觸碰到第一個(gè)行程開(kāi)關(guān)，行程開(kāi)關(guān)將產(chǎn)生的機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳給PLC，PLC收到電信號(hào)后控制氣動(dòng)閥從而使水刀進(jìn)行順時(shí)針運(yùn)動(dòng)開(kāi)始切割輸油管道。當(dāng)水刀觸碰到第二個(gè)行程開(kāi)關(guān)時(shí)，PLC收到信號(hào)后停止伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)和水刀的運(yùn)行。切割完成后氣動(dòng)閥控制松開(kāi)管道和水刀的退出。

1.3 輸油管道切割裝置設(shè)計(jì)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(duì)象，對(duì)海上輸油管道切割裝置的設(shè)計(jì)提出了幾個(gè)技術(shù)要求[3]。①設(shè)計(jì)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(wú)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(guò)觸摸屏發(fā)送指令完成管道夾緊、水刀進(jìn)退、伺服電機(jī)正反轉(zhuǎn)等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道切割的自動(dòng)化。④具有自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警功能，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)停止一切切割操作，報(bào)警燈變亮提示用戶(hù)進(jìn)行故障修復(fù)。⑤能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)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(jì)與輸油管道切割裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(hù)通過(guò)觸摸屏設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)值，PLC收到命令后控制對(duì)應(yīng)操作的繼電器開(kāi)關(guān)閉合從而使繼電器得電，進(jìn)而控制伺服電機(jī)的運(yùn)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(duì)水刀位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)、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(yùn)行后首先進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)模式，如果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障則報(bào)警燈亮，修復(fù)故障后重新上電。若無(wú)故障，按下觸摸屏進(jìn)臂按鈕控制氣控閥1和2對(duì)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(dòng)閥5開(kāi)始控制水刀進(jìn)入工作位置。此時(shí)通過(guò)觸摸屏或者電位器其中一種方式來(lái)輸入電機(jī)速度，伺服電機(jī)逆向旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)水刀逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)。當(dāng)水刀回退至觸碰到第一個(gè)行程開(kāi)關(guān)，PLC收到信號(hào)后控制伺服電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)水刀進(jìn)行順時(shí)針運(yùn)動(dòng)開(kāi)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(gè)行程開(kāi)關(guān)后，PLC收到信號(hào)控制氣動(dòng)閥6工作使水刀停止運(yùn)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(dòng)閥3和4放松管道并通過(guò)PLC控制伺服電機(jī)停止運(yùn)行，整個(gè)切割過(guò)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(guò)PLC編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切割管道的目的，輸油管道切割裝置系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4 輸油管道切割裝置系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3 結(jié)束語(yǔ)

PLC控制器與觸摸屏組成海上輸油管道切割裝置的核心，實(shí)現(xiàn)了在深海區(qū)域?qū)斢凸艿肋M(jìn)行自動(dòng)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(diǎn)，促進(jìn)了石油工業(yè)的發(fā)展。