焊管內(nèi)清掃吸塵系統(tǒng)改進設(shè)計與應(yīng)用

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進行， 一步完成[2]； 預(yù)精焊工藝技術(shù) （也稱 “兩步法”） 是先對焊管內(nèi)壁焊縫進行預(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驅(qū)動刷頭對平臺上預(yù)焊焊管進行內(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， 同時刷頭裝置附近的吸風(fēng)管隨著刷頭伸臂的移動對其內(nèi)壁打磨的金屬粉塵進行回收。 原來的內(nèi)清掃吸塵系統(tǒng)在實際應(yīng)用中存在部分粉塵會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， 提出對原吸塵系統(tǒng)進行改進， 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、 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， 同時對管內(nèi)金屬粉塵等進行回收， 達到了管內(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到的效果， 方案一為工序后布置方案， 此方案優(yōu)點是將新裝置安裝在指定的位置后， 可以獨立吸塵， 不需要考慮與內(nèi)清掃刷頭清掃時的配合問題， 可直接根據(jù)廠家提供的原控制程序完成手動與自動吸塵。 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)點是在內(nèi)清掃刷頭清理焊管內(nèi)壁的同時， 可以在焊管另一端由輔吸風(fēng)口的吸塵小車回收室對粉塵集中回收處理。但在該工序?qū)崿F(xiàn)管端粉塵處理時需要和內(nèi)清掃刷頭及焊管旋轉(zhuǎn)等進行配合， 則必須對原控制程序進行分析并改進， 使組合式吸塵系統(tǒng)滿足現(xiàn)場的總體要求， 同時達到內(nèi)清掃工序原有的工作要求。

通過對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吸塵裝置控制程序及各個傳感器安裝位置進行改進， 在實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架， 再由運管車將預(yù)焊焊管移動到內(nèi)清掃工位臺架， 此時運管車的升降器把預(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)字信號指令給PLC 控制器， 控制吸塵小車由初始位置運行到管端， 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。 管端伸進吸塵小車內(nèi)部長度可根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行設(shè)置， 在控制程序改進與分析中進行解析。 預(yù)焊焊管降到指定旋轉(zhuǎn)托輥后就可以啟動內(nèi)清掃裝置自動按鍵完成整個內(nèi)壁的清掃工作， 根據(jù)內(nèi)清掃實際工作時間， 吸塵小車自動退回到初始位置， 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)對安裝方案進行分析與選擇， 最終將移動小車安裝在內(nèi)清掃工序臺架右側(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)計的關(guān)鍵是自動焊接過程中與內(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 時會造成內(nèi)清掃工序前預(yù)焊焊管堆積，嚴(yán)重影響整個主機的生產(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、 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， 由普通異步電機驅(qū)動小車整體前進與后退。 小車主要作用是將清掃的粉塵由吸塵室進行收集， 將懸浮金屬粉塵等通過風(fēng)道被吸到濾芯處理裝置內(nèi)進行集中處理。 吸塵風(fēng)機負責(zé)將風(fēng)道的空氣抽出去， 這樣小車吸塵室內(nèi)會產(chǎn)生負壓， 可以將懸浮顆粒送到濾芯處理中心。 吸塵風(fēng)機分為兩個檔位， 當(dāng)內(nèi)清掃停止工作時， 風(fēng)機以較低頻率進行低速旋轉(zhuǎn)； 當(dāng)進行管壁清掃時， 風(fēng)機根據(jù)設(shè)定的高頻率值進行高速旋轉(zhuǎn)， 達到回收粉塵的效果。 濾芯處理裝置負責(zé)將吸附過來的粉塵進行收集處理， 防止直接排放到車間外， 造成車間外環(huán)境二次污染。 PLC 控制器為整個吸塵裝置工作的控制中心， 負責(zé)對各個部件進行控制， 達到各運動部件有條不紊的進行工作， 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]。 觸摸屏是手動控制或參數(shù)設(shè)定的人機接口， 包括對風(fēng)機頻率參數(shù)、 壓差參數(shù)及工作時間參數(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)工序工作情況進行合理配合，方可使內(nèi)清掃與吸塵同時執(zhí)行。 這一系列完整的自動內(nèi)清掃吸塵過程， 包括鋼管旋轉(zhuǎn)、 大臂小車運行、 主吸風(fēng)系統(tǒng)啟動、 輔吸風(fēng)系統(tǒng)啟動、 吸塵小車運行、 刷頭旋轉(zhuǎn)、 吸塵裝置返回到初始位置等。

吸塵小車自動啟動到小車返回到初始位置所用的時間， 要大于鋼管就位后到刷頭最終離開管端的時間， 這樣右端吸塵裝置自始至終能夠?qū)軆?nèi)粉塵進行回收處理。 刷頭裝置會在預(yù)焊焊管右端伸出15 cm 長度， 所以， 管端伸進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

吸塵裝置是一種獨立的控制過程， 不能直接與內(nèi)清掃系統(tǒng)融合為一個組合式吸塵系統(tǒng)， 需要改進， 安裝相應(yīng)傳感器后， 可以實現(xiàn)進口內(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)， 完成對預(yù)焊管內(nèi)壁飛濺物等金屬粉塵進行兩端除塵處理。

首先， 當(dāng)預(yù)焊管就位后， 對小車自動啟動前進控制加以改進， 由傳感器感應(yīng)到管體后向PLC發(fā)送一個啟動信號， 在相應(yīng)的程序段位置添加相應(yīng)數(shù)量的常開位存儲器， 這樣， 傳感器檢測到管體后常開觸點閉合， 由相應(yīng)邏輯控制關(guān)系對吸塵小車前進進行控制， 使得能完成后續(xù)一系列的順序控制。 其次， 小車返回時間由預(yù)焊焊管就位到內(nèi)清掃刷頭離開管端所用的時間來確定， 根據(jù)現(xiàn)場實際運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， 需要對定時器進行時間范圍上的更改， 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，由于機械及液壓問題以及鋼管的自重等因素， 管體會有向下頓挫， 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誤指令信號傳送給PLC 控制器， 吸塵裝置誤認為新的鋼管，吸塵小車會再一次向管端方向運行。 如果操作不及時， 會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控制程序進行分析， 其他程序不進行一一解析。主要改進控制程序段如圖3 所示。

圖3 主要改進控制程序段

根據(jù)部分改進控制程序?qū)ξ鼔m小車前進與后退、 自動停止以及吸塵工作時間設(shè)置進行分析。程序段27、 34 中的Q0.2、 Q0.3 分別控制吸塵小車的前進和后退， 當(dāng)吸塵小車后退時Q0.3 會觸發(fā)啟動延時定時器T250， 同時在程序段27 的T250 常閉觸點斷開， 當(dāng)后退停止時T250 會以60 s 計時， 達到1 min 后T250 常閉觸點恢復(fù)為閉合狀態(tài)， 此時吸塵小車才可以前進。 這樣， 滿足鋼管起升的時間， 就可以解決誤啟動吸塵小車運行引起車體與管端碰撞問題。 程序段29 是在吸塵自動控制的情況下， 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， 延時定時器T170 會觸發(fā)， 并可通過觸摸屏對VW314 進行設(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 常閉觸點轉(zhuǎn)為斷開狀態(tài)，此時小車自動停止， 延時1 s 的目的是讓右側(cè)管端進入小車吸塵室內(nèi)留有一定長度， 防止粉塵外排。 程序段38 設(shè)置整個吸塵小車工作的時間，同樣通過觸摸屏對VW326 進行設(shè)置， 根據(jù)現(xiàn)場的實際情況設(shè)置為222 s， 完全能夠滿足現(xiàn)場內(nèi)清掃除塵時間要求。

3 安裝與程序調(diào)試

吸塵裝置機械部分整體就位， 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， 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向車間排放。

對全部吸塵裝置的各個機械部件安裝完畢后， 需要對各電氣元件進行配線與接線。 包括PLC、 變頻器、 電動機、 傳感器以及各個氣閥等的接線， 達到電能或電信號的傳遞， 完成各個執(zhí)行部件的動作。 應(yīng)特別注意電源動力線與控制線分開布置， 防止強電干擾弱電。

將改進后的程序通過電腦與PLC 連接， 選PPI 協(xié)議與PLC 進行通信， PPI 協(xié)議采用主從式通訊[13-14]， 連接成功后， 點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。

對吸塵裝置程序進行調(diào)試， 利用STEP 7-MicroWin32 進行在線監(jiān)視， 對不符合要求的動作指令進行及時更改， 參數(shù)進行及時設(shè)置， 最終達到預(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， 達到了預(yù)期的改進目的。