宋小平

（太原重工股份有限公司， 山西 太原 030024）

鋼管水壓試驗(yàn)設(shè)備是焊管生產(chǎn)線中用于鋼管焊縫質(zhì)量檢查工序中重要設(shè)備之一[1]，主要通過將密封的鋼管內(nèi)充滿液態(tài)水，并借助于增壓系統(tǒng)再向密封的鋼管內(nèi)部注射高壓水，使鋼管內(nèi)部的壓力達(dá)到設(shè)定的試驗(yàn)壓力值要求后并保持一段時間；如果在保持過程中，鋼管內(nèi)壓力雖然有波動，但是仍然在要求壓力范圍內(nèi)，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的保持時間后則視為試驗(yàn)成功；否則視為試驗(yàn)失敗。

圖1 鋼管水壓試驗(yàn)設(shè)備組成

如圖1所示，鋼管水壓試驗(yàn)設(shè)備由入口輥道、沖洗輥道、步進(jìn)橫移裝置、出口輥道、前梁裝置、后梁裝置及配套水、液壓、電氣系統(tǒng)組成，另外步進(jìn)橫移裝置上設(shè)有三個工位用于存放鋼管。設(shè)備通過入口輥道從上游設(shè)備接入鋼管，經(jīng)過步進(jìn)橫移裝置將鋼管從入口輥道運(yùn)送至沖洗工位，鋼管在沖洗工位完成沖洗后，由步進(jìn)橫移裝置運(yùn)送至試壓工位，鋼管在試壓工位完成水壓試驗(yàn)后，由步進(jìn)橫移裝置將鋼管運(yùn)送至出口輥道，鋼管在出口輥道將完成空水工序后，再由出口輥道運(yùn)送至下游設(shè)備的傳輸裝置。假如當(dāng)前步進(jìn)裝置上僅有一根鋼管進(jìn)行水壓試驗(yàn)，那么上述水壓試驗(yàn)過程的每一步工序可以采用人工操作進(jìn)行完成；但是如果步進(jìn)橫移裝置三個工位均存在鋼管，那么每個工位的工序均需要由人工親自完成，勢必也會大大降低該設(shè)備的生產(chǎn)使用效率，同時為設(shè)備、生產(chǎn)帶來了巨大的潛在安全隱患。所以在對鋼管水壓試驗(yàn)設(shè)備的工藝研究基礎(chǔ)上，建立一套多任務(wù)機(jī)制的水壓試驗(yàn)自動控制系統(tǒng)，從而大大提高該設(shè)備的生產(chǎn)效率，減小安全隱患。

1 電氣系統(tǒng)硬件配置

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)采用某廠商CPU主控制器作為DP總站，并建立DP總線系統(tǒng)，下設(shè)6個DP總線從站，分別是入口輥道變頻裝置從站、出口輥道變頻裝置從站、步進(jìn)橫移變頻裝置從站、沖洗輥道變頻裝置從站、操作臺及觸摸屏從站；同時，PLC與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成以太網(wǎng)系統(tǒng)，用于兩個系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊[2-4]。PLC系統(tǒng)主要完成各個機(jī)構(gòu)的執(zhí)行控制；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要用于參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)檢測信號的上傳和控制命令的下發(fā)。

圖2 鋼管水壓試驗(yàn)設(shè)備電氣控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2 多任務(wù)機(jī)制自動控制策略

多任務(wù)機(jī)制自動控制策略包括鋼管自動沖洗任務(wù)、自動水壓試驗(yàn)任務(wù)、自動輸出任務(wù)和自動運(yùn)送任務(wù)。

2.1 鋼管沖洗任務(wù)

首先，當(dāng)鋼管被步進(jìn)橫移裝置運(yùn)送至沖洗工位時，沖洗工位自動升起，將鋼管從步進(jìn)橫移裝置上移至沖洗工位上，此時系統(tǒng)進(jìn)入沖洗任務(wù)事件入口；當(dāng)沖洗工位載著鋼管上升到位后，系統(tǒng)將會自動啟動沖洗泵、閥，同時沖洗輥道開始旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行對鋼管的沖洗任務(wù)，并同時進(jìn)行計(jì)時；當(dāng)沖洗時間達(dá)到設(shè)定值后，沖洗泵、閥、沖洗輥道停止動作，而且步進(jìn)橫移裝置當(dāng)前必須處于其行程始端位置，沖洗工位下降，沖洗任務(wù)結(jié)束。具體步序流程圖如圖3所示。

圖3 自動沖洗任務(wù)步序圖

2.2 鋼管輸出任務(wù)

當(dāng)鋼管被步進(jìn)橫移裝置運(yùn)送至出口工位時，出口工位自動升起，將鋼管從步進(jìn)橫移裝置上移至出口工位上；當(dāng)出口工位上升到位后，且步進(jìn)橫移裝置已經(jīng)離開其行程末端，出口工位自動下降，位于出口工位處的空水工位自動升起，當(dāng)空水工位升起到位后，鋼管的一端被抬起即呈傾斜狀態(tài)并保持一段時間后，從而使鋼管內(nèi)殘留的水排出；排出達(dá)到特定時間后，空水工位下降，當(dāng)其下降到位后，出口輥道開始以設(shè)定的速度旋轉(zhuǎn)，從而將鋼管自動從出口輥道輸送到下游設(shè)備。具體步序流程圖如圖4所示。

2.3 鋼管水壓試驗(yàn)任務(wù)

圖4 鋼管輸出任務(wù)步序圖

當(dāng)鋼管被步進(jìn)橫移裝置運(yùn)送至試壓工位時，試驗(yàn)工位的提升裝置自動升起，將鋼管從步進(jìn)橫移裝置移至試壓工位上，從而進(jìn)入鋼管水壓試驗(yàn)任務(wù)環(huán)節(jié)；待試壓工位上升到位后，側(cè)缸伸出、兩端排氣閥打開、高壓水卸荷關(guān)閉；側(cè)缸伸出會使鋼管與固定端密封圈慢慢接觸，當(dāng)系統(tǒng)檢測到側(cè)缸伸出壓力到位后，說明鋼管兩端已經(jīng)完全與各自密封圈緊緊的接觸；上、下夾緊裝置伸出夾緊鋼管；待檢測到夾緊壓力到位后，主缸動作對鋼管進(jìn)行水壓試驗(yàn)前預(yù)密封；預(yù)密封到位后，啟動低壓充水泵向鋼管內(nèi)自動充滿低壓水，由于充滿低壓水后，會檢測鋼管內(nèi)部有大約0.5 MPa壓力，所以檢測到此壓力值時，認(rèn)為鋼管內(nèi)部已經(jīng)充滿低壓水，此時關(guān)閉兩端排氣閥及低壓進(jìn)水閥，待上述閥門完全關(guān)閉后，低壓充水泵停止；待低壓充水泵停止后，開始增壓器，對鋼管內(nèi)注射高壓水，直到鋼管內(nèi)實(shí)際壓力值達(dá)到設(shè)定值后，停止增壓器動作；待實(shí)際水壓趨勢已無上升趨勢時，開始保壓計(jì)時，達(dá)到設(shè)定保壓時間后，保壓結(jié)束進(jìn)行卸荷；卸荷結(jié)束后，側(cè)缸、增壓器、高壓水卸荷閥將恢復(fù)至試壓前初始位置，并同時進(jìn)行拔管；拔管到位后，試壓工位的提升裝置下降，該工位下降到位后，標(biāo)志著水壓試驗(yàn)任務(wù)結(jié)束。具體步序流程圖如圖5所示。

2.4 鋼管運(yùn)送任務(wù)

當(dāng)入口輥道下降到位，而且入口輥道與端對齊位置均無鋼管，此時檢測上游設(shè)備傳送裝置有鋼管存在，則入口輥道自動升起，從而進(jìn)入鋼管運(yùn)送任務(wù)環(huán)節(jié)；入口輥道升起到位后，開始正向旋轉(zhuǎn)，將鋼管運(yùn)送至端對齊位置；當(dāng)端對齊檢測到有鋼管存在時，同時步進(jìn)橫移裝置在其行程始端，則入口輥道自動下降；待入口輥道下降到位后，鋼管被移至步進(jìn)橫移裝置上的第一個工位處，同時保證其他三個工位處于下降到位的位置，此時步進(jìn)橫移裝置方可前進(jìn)運(yùn)送鋼管；待前進(jìn)到其行程末端時，沖洗工位、試壓工位、出口工位的升降機(jī)構(gòu)自動抬起，則分別相應(yīng)的將步進(jìn)橫移裝置上對應(yīng)的三個工位處的鋼管移至各個工位的升降機(jī)構(gòu)上；待上述三個工位上升到位后，步進(jìn)橫移裝置開始后退；步進(jìn)橫移裝置后退到位后，繼續(xù)等待入口輥道將鋼管移至到其第一個工位上；而上述三個工位上升到位后，分別進(jìn)入相應(yīng)的沖洗任務(wù)、水壓試驗(yàn)任務(wù)和鋼管輸出任務(wù)事件，這樣鋼管水壓試驗(yàn)設(shè)備在多任務(wù)機(jī)制的處理下，每個工位均可自動完成自身的工序，同時也不會對其他任務(wù)的進(jìn)行造成阻塞，從而使設(shè)備的工作效率大大提高，也將設(shè)備的功能發(fā)揮至極致；同時也為減少了操作人員繁瑣的工作量及安全隱患。具體步序流程圖如圖6所示。

圖5 鋼管水壓試驗(yàn)步序圖

圖6 鋼管運(yùn)送任務(wù)步序圖

由圖6可以看出，步進(jìn)橫移裝置的鋼管運(yùn)送任務(wù)作為多任務(wù)機(jī)制控制系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，起著關(guān)鍵性的作用，該環(huán)節(jié)提供到了沖洗任務(wù)、試壓任務(wù)和輸出任務(wù)事件的接入口，從而將鋼管水壓試驗(yàn)所需的四個工序環(huán)節(jié)更好且有效的銜接起來， 因此在多任務(wù)機(jī)制控制系統(tǒng)中，事件與事件之間建立起重要的且有效的聯(lián)絡(luò)，控制系統(tǒng)形成有效、完整的一體。

3 結(jié)語

為驗(yàn)證在多任務(wù)機(jī)制下的自動控制系統(tǒng)實(shí)際效果，進(jìn)行現(xiàn)場測試，選取同規(guī)格的鋼管若干，分別采用原系統(tǒng)與新系統(tǒng)進(jìn)行水壓試驗(yàn)，最終比較兩種方法的生產(chǎn)效果及使用效果，如下頁表1所示。（原系統(tǒng)指未采用多任務(wù)機(jī)制的控制系統(tǒng)，新系統(tǒng)指采用多任務(wù)機(jī)制的控制系統(tǒng)）。通過現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)可以看出，在鋼管數(shù)量不多的情況下，兩者的生產(chǎn)效率差別不大，甚至可能還不如原系統(tǒng)；如果鋼管數(shù)量越多，則采用多任務(wù)機(jī)制控制系統(tǒng)的優(yōu)勢便越顯現(xiàn)出來。

鋼管水壓試驗(yàn)設(shè)備控制系統(tǒng)多任務(wù)機(jī)制的建立，使設(shè)備發(fā)揮出最大的生產(chǎn)能力和效率，本系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)際測試，獲得良好的使用效果，同時本方法已經(jīng)應(yīng)用到某用戶的實(shí)際項(xiàng)目中，據(jù)用戶現(xiàn)場使用實(shí)際情況，此系統(tǒng)運(yùn)行良好、穩(wěn)定，在對多根鋼管進(jìn)行水壓試驗(yàn)時，發(fā)揮出極佳的效果。

表1 兩種控制系統(tǒng)生產(chǎn)效率對比