陳 媛

(寶鈦集團有限公司， 陜西 寶雞 721014)

鈦用超聲波探傷分選系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

陳 媛

(寶鈦集團有限公司， 陜西 寶雞 721014)

針對目前國內(nèi)鈦行業(yè)管材超聲波探傷系統(tǒng)缺乏全自動分選裝置的現(xiàn)狀，設(shè)計一套鈦用超聲波探傷分選系統(tǒng)。系統(tǒng)采用InTouch組態(tài)軟件搭建人機智能界面，通過工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場PLC進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)分選系統(tǒng)的自動運行和監(jiān)控。根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)狀況證實，此套系統(tǒng)性能穩(wěn)定、運行可靠、擴展性好，實現(xiàn)了鈦管超聲波探傷的全自動分選控制。

全自動； PROFIBUS-DP； 主站/從站

0 引言

超聲波自動化系統(tǒng)對無縫鈦管探傷的技術(shù)始于二十多年前。到目前為止，國內(nèi)的管材自動化超聲探傷設(shè)備多數(shù)需要探傷人員在現(xiàn)場臨視探傷設(shè)備并參與管材導(dǎo)入、導(dǎo)出，缺乏上位機的實時監(jiān)視控制，既消耗了人力物力，而且在探傷結(jié)果上增加了若干不穩(wěn)定的人為因素，影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。為了解決此類問題，研制出鈦用超聲波探傷分選系統(tǒng)，它滿足用戶需求實現(xiàn)自動分選。

1 系統(tǒng)總述

根據(jù)控制層的工控機向設(shè)備層PLC發(fā)送的指令，下達到現(xiàn)場傳動系統(tǒng)控制和氣動系統(tǒng)動作，滿足了對鈦管自動進出超聲檢測設(shè)備及螺旋運動方向、速度的一系列控制要求。為防止突然斷電對系統(tǒng)造成影響，還采用不間斷電源對工控機和PLC供電，保證數(shù)據(jù)傳輸、存儲的可靠性，在一定時間內(nèi)維持正常工作，保護負載軟、硬件不受損壞。

1.1 機械部分組成

本項目的機械部分如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)機械部分組成框圖

1.2 電氣部分組成

電氣部分主要包括：交流電機、變頻器、工控機、PLC、傳感器、電磁閥、按鈕、各種電氣控制元件等。系統(tǒng)電氣組成框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電氣組成框圖

工控機：實現(xiàn)與主站PLC的數(shù)據(jù)交換。操作人員根據(jù)相應(yīng)的管理權(quán)限，使用人工交互界面對現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)進行監(jiān)控、操作和維護，并能滿足系統(tǒng)升級擴展的需要。

主站PLC：通過工業(yè)以太網(wǎng)接收工控機下達的執(zhí)行命令，對現(xiàn)場執(zhí)行元件進行控制；采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)上傳工控機；主叫從站建立通信。

從站PLC：建立通信后應(yīng)答主站，執(zhí)行主站下達的控制命令，主要實現(xiàn)前輥道送料、后輥道分撥料及其他附屬功能。

變頻器：控制前后輥道電機的運行和保護。

1.3 控制原理

全自動分選控制系統(tǒng)由通信控制、PLC控制和現(xiàn)場機械動作控制構(gòu)成。其中工控機與PLC的通信完成了氣缸、電機和現(xiàn)場檢測元件動作的切換；PLC控制電機傳動、氣動裝置的啟停；氣缸和電機配合動作完成了機械動作的控制。系統(tǒng)需要調(diào)試和檢修時，可轉(zhuǎn)換成手動模式，進行各項測試。

1.4 系統(tǒng)工作過程

正常情況下，系統(tǒng)采用自動模式控制。管材經(jīng)端頭取毛刺后整批放入進料臺架。合上自動開關(guān)，系統(tǒng)正常啟動后，由接近開關(guān)1控制上料偏心輪升將，每次只頂起一支鈦管翻入過渡臺架，沿過渡臺架斜面滾入到進料滾道上。進入輥道后，上料架的撥料桿回縮。鈦管在進入探傷主機的運行過程中，接近開關(guān)2檢測到后，下壓裝置氣缸動作，讓壓輪壓著檢測管平穩(wěn)運行傳送至探傷主機入口端。當(dāng)探傷完畢后，將前后兩根檢測管的頭、尾進行快速分離。此刻，上位機向PLC發(fā)出檢測結(jié)果信號。待已檢管棒材尾部到達撥料位置，接近開關(guān)3確認后，PLC根據(jù)得到的分選指令，向正、廢品撥料裝置氣缸發(fā)出指令動作,將鈦管自動分選撥入輥道左右兩側(cè)。PLC接收到已撥管棒材正確撥入的確認信號后，再次向撥料氣動氣缸發(fā)出回位指令，撥料裝置倒回原初始位置，等待進行下一輪的分離撥料動作。

在系統(tǒng)運行過程中，根據(jù)用戶現(xiàn)場需求，有三種工作模式可供選擇：

自動模式——只需在手觸操作模板輸入管材型號和探傷等級，輥道傳送部分就可自動調(diào)整傳送方向、速度及控制要求進行跟隨，無需進行操作。

樣管模式——每一批次的檢測管在探傷前，都要先進行樣管檢測，目的是為了調(diào)整機械平穩(wěn)度、同心度及探傷參數(shù)的準(zhǔn)確度。在此模式下，本系統(tǒng)只進行傳輸不分檢，無需進行操作。

手動模式——此模式下，本系統(tǒng)的控制與探傷主機的控制完全分離，便于進行系統(tǒng)維護工作。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 數(shù)字化集成技術(shù)

本系統(tǒng)運用了制造領(lǐng)域的數(shù)字化，它的硬件搭建集成了制造技術(shù)，用戶監(jiān)控界面運用了計算機應(yīng)用技術(shù)，整套控制系統(tǒng)使用了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，所以是集制造技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的交叉、融和與應(yīng)用的結(jié)果。

本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是由七個站點構(gòu)成，通過PROFIBUS-DP總線進行串行連接，構(gòu)成總線型拓撲結(jié)構(gòu)。如圖3所示。

在使用Step7軟件進行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)時，需要給每個I/O從站分配一個地址，并找到相應(yīng)現(xiàn)場I/O設(shè)備的描述文件(GSD文件)進行定義，這樣就可以完成組態(tài)工作。本網(wǎng)絡(luò)中的通信是指主站S7- 300 PLC與各個從站之間Profibus通信。只要保證每個網(wǎng)絡(luò)站點地址設(shè)置正確，主站、從站硬件通信線連接無誤，變頻器內(nèi)部參數(shù)的優(yōu)化設(shè)置，就能進行正常通信。

采用100 Mb/s工業(yè)以太網(wǎng)將PLC系統(tǒng)互相連接，各系統(tǒng)的部分數(shù)據(jù)可以共享，工程師可根據(jù)需求使用數(shù)據(jù)分析軟件調(diào)取采集或處理后的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和計算。

2.2 干擾問題

當(dāng)設(shè)備投入工業(yè)應(yīng)用環(huán)境運行時，系統(tǒng)總會受到電網(wǎng)、空間與周圍環(huán)境干擾，傳感器模塊將會輸出偽信號，功率驅(qū)動模塊將會輸出畸變的驅(qū)動信號，使執(zhí)行機構(gòu)動作失常，最終導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生故障，甚至癱瘓。

根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場的硬件干擾類型來看，可分為供電干擾、信號線引入干擾、變頻器等干擾。

(1) 為了防止硬件干擾，本方案通過隔離變壓器向系統(tǒng)供電，避免電網(wǎng)中存在的大量諧波源使電網(wǎng)中的電壓、電流產(chǎn)生波形畸變，從而對系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)生危害的干擾；

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

(2) 為抑制變頻器工作時產(chǎn)生射頻和諧波干擾，加入專用濾波器和電抗器防止變頻器產(chǎn)生的諧波向電網(wǎng)傳遞，減少變頻器對其他元件的干擾，提高功率因數(shù)，平抑波形，改善電網(wǎng)質(zhì)量，使整套變頻調(diào)速系統(tǒng)能夠正常運行；

(3) PLC控制系統(tǒng)中采用了隔離性能優(yōu)良的電源配合合理的走線，有效解決干擾問題；

(4) 良好的接地系統(tǒng)能抑制電磁干擾的影響?？刂葡到y(tǒng)中的地線包括系統(tǒng)地、屏蔽地、和保護地等，屏蔽電纜連接現(xiàn)場元件到控制中心，并將屏蔽層一端接地，使各元件接地電位相等，抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾。

電磁干擾的種類復(fù)雜多樣，僅做好硬件抗干擾措施是不能消除直接干擾的影響，所以在設(shè)計PLC系統(tǒng)控制程序和硬件組態(tài)時，還需在軟件方面編寫抗電磁干擾程序，以提高系統(tǒng)整體抗干擾能力。

常用的一些措施有：數(shù)字濾波和工頻整形采樣，可有效消除周期性干擾；定時矯正參考點電位，并采用動態(tài)零點，可有效防止電位漂移；采用信息冗余技術(shù)，設(shè)計軟件標(biāo)志位；采用間接跳轉(zhuǎn)，設(shè)置軟件陷阱等提供軟件結(jié)構(gòu)可靠性。[1]

2.3 可視化界面

Wonderware公司的InTouch軟件在全球工廠企業(yè)的使用率超過三分之一，每個國家和每個行業(yè)都可見到它的蹤影。它具有突破性的可視化能力、可操控的智能型、易于管理可擴展的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、架構(gòu)靈活和完全可伸縮性的特征。InTouch軟件提供了與工業(yè)自動化設(shè)備的最廣泛的連通性。

監(jiān)控系統(tǒng)的主要任務(wù)是提供人機交互界面，實現(xiàn)全自動探傷系統(tǒng)的實時監(jiān)視和控制。通過以太網(wǎng)實現(xiàn)上位機與PLC 的通信，實時讀取PLC 各狀態(tài)位的信息，作出分析判斷并發(fā)送控制命令給PLC，實現(xiàn)對PLC 的實時監(jiān)視與自動控制。因此上位機與PLC 的通信為本監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵。[2]

全自動分選系統(tǒng)的開放平臺使用InTouch軟件搭建，通過工業(yè)以太網(wǎng)與PLC的通信，滿足現(xiàn)場各部分設(shè)備的快速響應(yīng)上位工控機的揮的要求，實現(xiàn)了真正意義上的自動化。

2.4 兩個主站之間的數(shù)據(jù)交換

作為超聲波探傷機的配套系統(tǒng)，不但需要與主機的硬件系統(tǒng)有良好的電磁兼容性，而且需要網(wǎng)絡(luò)進行信息通信。DP/DP COUPLER正是一個可以連接兩個倍率可以不同的DP網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

SIMATIC的DP/DP COUPLER作為一種網(wǎng)絡(luò)耦合器，配有2個獨立的DP接口，用于連接兩個物理上相互獨立的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)。DP/DP COUPLER在其兩側(cè)DP網(wǎng)絡(luò)中都作為從站工作，以從站的方式將一側(cè)網(wǎng)絡(luò)上的主站數(shù)據(jù)傳送給另一側(cè)的網(wǎng)絡(luò)主站，兩個方向傳送的最大數(shù)據(jù)總量是256字節(jié)，一個方向最大是240字節(jié)，數(shù)據(jù)傳輸速度最高可達12 M。[3]

3 結(jié)束語

本文所設(shè)計的鈦用超聲波探傷分選系統(tǒng)的硬件采用與主機電磁兼容性良好的元器件進行優(yōu)化組合，模塊化的程序更易修改和升級，用戶監(jiān)控界面為操作者與系統(tǒng)之間提供了更為直接的交互接口，使系統(tǒng)響應(yīng)速度快、可靠性高、易維護，在運行過程中，達到與探傷機完美結(jié)合，把每一根鈦管穩(wěn)定、準(zhǔn)確的傳遞和分檢，節(jié)約成本，提高生產(chǎn)效率。經(jīng)生產(chǎn)運行證實，該系統(tǒng)實現(xiàn)了鈦管超聲無損監(jiān)測的全自動控制。

[1] 胡宇.PLC控制系統(tǒng)應(yīng)用的抗干擾問題[J].科技信息，2010，(5).

[2] 陳忠華.可編程序控制器與工業(yè)自動化系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[3] 王德吉.西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

Research and Application of Ultrasonic Inspection Sorting System in Titanium Tube

CHEN Yuan

The ultrasonic inspection sorting system is designed, according to no automatic sorting equipment is in ultrasonic inspection system in titanium tube at present. The system uses InTouch configuration software to build the man-machine intelligent interface, makes data transmission by the industrial Ethernet with PLC, realizes the automatic sorting system operation and monitoring. This set of system is stable, reliable operation and good expansibility according to field production condition, implements automatic sorting control of ultrasonic flaw detection in titanium pipe production.

automatic； PROFIBUS-DP； Master/Slave station

2015-02-10

陳 媛(1981-)，女，河南新密人，電氣工程師，大學(xué)本科，主要從事電氣自動化設(shè)計、系統(tǒng)集成等工作。

TF823

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1003-8884(2015)04-0038-04