劉雙源，王玉增，韓婧茹，李廣亞

(濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250022)

0 前言

金屬熱浸鍍鋅技術(shù)一直是防止金屬在自然環(huán)境中腐蝕的最經(jīng)濟(jì)有效的方法。傳統(tǒng)的熱浸鍍鋅鋅鍋是用鋼鐵焊接而成，在熱鍍溫度下由于對(duì)熔融鋅的耐侵蝕性很差，壁板和液態(tài)鋅不斷生成鋅鐵渣，使壁板很快減薄、變形甚至穿孔，導(dǎo)致鋅鍋報(bào)廢和鋅液泄漏，造成大量鋅耗和能耗［1］。因而，對(duì)鋅鍋內(nèi)壁腐蝕程度進(jìn)行檢測(cè)尤為關(guān)鍵。

目前，對(duì)鋅鍋壁厚腐蝕程度檢測(cè)并沒(méi)有相應(yīng)的專(zhuān)業(yè)設(shè)備，基本上是采用人工檢測(cè)的方法：一是，工人用折彎的鐵絲對(duì)鋅鍋進(jìn)行鉤觸，憑借經(jīng)驗(yàn)斷定鋅鍋壁厚的腐蝕程度;二是，排空鋅鍋中的鋅溶液，直觀的測(cè)量?jī)?nèi)壁腐蝕程度，決定是否更換鍍鋅鍋。顯然，人工檢測(cè)的方法，既笨拙又沒(méi)有精度可言，不僅大大增加的企業(yè)的成本，更是有鋅溶液泄露的可能，不利于安全生產(chǎn)［2］。

針對(duì)上述問(wèn)題，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一套專(zhuān)業(yè)用于熱鍍鋅鍋壁板的檢測(cè)系統(tǒng)，可以精確的對(duì)鋅鍋的整個(gè)壁面進(jìn)行檢測(cè)，不需要再將鋅液排空。測(cè)量過(guò)程中系統(tǒng)只需將特殊材質(zhì)制造的多排機(jī)械探針浸入鋅鍋中，通過(guò)測(cè)量各觸頭位移量，即可計(jì)算出鋅鍋內(nèi)壁一系列點(diǎn)的腐蝕深度，同時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信傳輸至上位機(jī)，經(jīng)與系統(tǒng)相配的上位機(jī)程序分析處理后輸出鋅鍋內(nèi)壁腐蝕后的形貌［3］，并自動(dòng)標(biāo)注腐蝕孔深度超過(guò)設(shè)定值的凹孔的坐標(biāo)位置和深度，從而為熱鍍鋅生產(chǎn)線是否需要進(jìn)行鋅鍋修補(bǔ)或更換提供依據(jù)。

1 檢測(cè)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)框架

基于串口通訊的熱鍍鋅鍋壁板檢測(cè)系統(tǒng)主要由五部分構(gòu)成，分別是：X向系統(tǒng)、Y向系統(tǒng)、Z向系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。其中，X向系統(tǒng)、Y向系統(tǒng)、Z向系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)控制設(shè)備運(yùn)動(dòng)，控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)接受數(shù)據(jù)和發(fā)送指令，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)處理檢測(cè)到的腐蝕數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的功能模塊如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能模塊圖

1.2 系統(tǒng)控制流程

系統(tǒng)開(kāi)始工作之前，設(shè)備需要初始定位，X向系統(tǒng)移動(dòng)到測(cè)量起點(diǎn)，Y向系統(tǒng)移動(dòng)到最上方，Z向系統(tǒng)使探桿處于抬起位置。然后上位機(jī)通過(guò)串口通信發(fā)送控制指令給PLC，PLC根據(jù)接收到的指令分別控制X、Y向系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，使探桿到達(dá)指定位置后，做Z向運(yùn)動(dòng)，使探桿壓下，然后由探桿相連的直線位移傳感器檢測(cè)出探針點(diǎn)的壁板腐蝕深度，經(jīng)由PLC附帶的AD轉(zhuǎn)換模塊，將位移數(shù)值存儲(chǔ)PLC相應(yīng)的寄存器中，再通過(guò)串口通訊將數(shù)據(jù)傳遞到上位機(jī)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理，最終生成鋅鍋內(nèi)壁腐蝕曲面形貌圖，輸出腐蝕情況分析報(bào)告，并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)［4］。其中行程開(kāi)關(guān)起著保護(hù)控制系統(tǒng)的作用：行程開(kāi)關(guān)處于常開(kāi)狀態(tài)，一旦X、Y、Z向移動(dòng)超過(guò)量程，行程開(kāi)關(guān)閉合，PLC接收到傳來(lái)的信號(hào)，立即停止X、Y、Z向運(yùn)動(dòng)，從而保護(hù)整個(gè)設(shè)備。整個(gè)控制流程如圖2所示。

圖2 控制流程圖

1.3 系統(tǒng)控制流程

系統(tǒng)具體測(cè)量流程如圖3所示。

圖3 測(cè)量流程圖

2 檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

基于串口通訊的熱鍍鋅鍋壁板檢測(cè)系統(tǒng)的程序是在Win7操作系統(tǒng)下開(kāi)發(fā)完成，上位機(jī)C++程序采用Microsoft Visual Studio 2010 編寫(xiě)［5-6］，PLC 程序使用WPLSoft軟件編寫(xiě)［7-8］。

2.1 上位機(jī)與PLC通信實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)與PLC之間的串口通訊［6-7］是檢測(cè)系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳遞到上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中。臺(tái)達(dá)PLC所有通訊口都遵循Modbus通訊協(xié)議，出廠默認(rèn)的通訊格式為“9600，7，E，1”、ASCII模式。波特率為9600，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為7 位，數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式為偶校驗(yàn)，結(jié)束字元長(zhǎng)度為1位。當(dāng)通訊時(shí)由上位計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求給PLC，PLC響應(yīng)數(shù)據(jù)請(qǐng)求，發(fā)送或?qū)懭胂鄬?duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)交互。

2.2 控制程序的實(shí)現(xiàn)

測(cè)量系統(tǒng)的控制程序的可靠性和穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)測(cè)量過(guò)程中起著非常重要的作用?？刂瞥绦蚍譃閮蓚€(gè)部分：上位機(jī)部分和PLC部分。

其中，上位機(jī)部分的功能包括：

(1)與PLC進(jìn)行通訊;

(2)控制電機(jī)步進(jìn)運(yùn)動(dòng);

(3)控制檢測(cè)鍍鋅鍋壁板進(jìn)程;

(4)統(tǒng)計(jì)當(dāng)前腐蝕程度信息;

(5)顯示當(dāng)前測(cè)量鍍鋅鍋壁板仿真曲面。

PLC部分主要功能：

(1)與上位機(jī)進(jìn)行通訊;

(2)發(fā)送脈沖信號(hào)給伺服控制器;

(3)接受傳感器傳來(lái)的AD信號(hào)。

上位機(jī)程序與PLC程序之間協(xié)同工作是按照“指令發(fā)送——確認(rèn)執(zhí)行“的方式運(yùn)行。上位機(jī)程序發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令給PLC并檢測(cè)PLC是否令設(shè)備運(yùn)動(dòng)是否到位;PLC與上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸采用LRC驗(yàn)證，確保數(shù)據(jù)能夠正確傳輸。另外，PLC程序編寫(xiě)采用SFC步進(jìn)梯形圖，能夠根據(jù)接收到的上位機(jī)不同的指令，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的步進(jìn)點(diǎn)，進(jìn)而控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，設(shè)備運(yùn)行快速平穩(wěn)。

2.3 測(cè)量數(shù)據(jù)分析校準(zhǔn)

對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)是檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于檢測(cè)設(shè)備采集到的原始數(shù)據(jù)點(diǎn)云不可避免的存在誤差，不僅僅包含設(shè)備本身精度的誤差，另外還有安裝誤差以及其他誤差，因此必須得對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析校準(zhǔn)。

根據(jù)對(duì)大量報(bào)廢的熱鍍鋅鍋壁板的分析總結(jié)，發(fā)現(xiàn)熱鍍鋅壁板的腐蝕情況基本為點(diǎn)蝕腐蝕，即壁板面大部分腐蝕情況較輕，或基本上沒(méi)有腐蝕，利用這一特點(diǎn)，采用最小二乘的方法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)云構(gòu)建了統(tǒng)一的基準(zhǔn)面，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)木仃囎儞Q，得到一張尚未腐蝕的原始壁板，被檢測(cè)壁板的所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)將在此壁板上取相對(duì)值。

3 結(jié)果分析

為驗(yàn)證檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及精確度，將檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量長(zhǎng)12m，深2m的熱鍍鋅鍋，測(cè)量點(diǎn)間距設(shè)為20mm，共測(cè)量48300個(gè)點(diǎn)，相鄰點(diǎn)的測(cè)量間隔為1.5s，全部測(cè)量時(shí)間為2小時(shí)左右。 測(cè)量過(guò)程中，測(cè)量系統(tǒng)可以根據(jù)測(cè)量點(diǎn)，實(shí)時(shí)的將熱鍍鋅壁板腐蝕形貌曲面重建，便于直觀的觀察測(cè)量進(jìn)度和壁板的腐蝕情況，如圖4所示。此外檢測(cè)系統(tǒng)還可以動(dòng)態(tài)的統(tǒng)計(jì)當(dāng)前測(cè)量區(qū)域和全部區(qū)域的腐蝕深度，便于定量的得出當(dāng)前壁板的剩余使用壽命，如圖5所示。

圖4 熱鍍鋅壁板腐蝕形貌圖形

圖5 腐蝕深度統(tǒng)計(jì)

從檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果中，我們可以發(fā)現(xiàn)，使用本系統(tǒng)檢測(cè)熱鍍鋅壁板腐蝕情況，可以快速精確的檢測(cè)到真實(shí)的腐蝕狀況，從而為企業(yè)合理安全安排生產(chǎn)計(jì)劃，提供有力的保障。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)在熱鍍鋅檢測(cè)領(lǐng)域的空白，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種熱鍍鋅鍋壁板腐蝕情況的檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)基于串口通信的便捷性和實(shí)時(shí)性，和PLC控制伺服電機(jī)的準(zhǔn)確性，達(dá)到了對(duì)熱鍍鋅壁板腐蝕情況檢測(cè)的目的。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)具有安全穩(wěn)定的功能和良好的應(yīng)用前景。

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