基于PLC的大口徑油氣管材彎管機(jī)電液控制系統(tǒng)

劉文學(xué)，趙少鵬，王磊剛

LIU Wen-xue, ZHAO Shao-peng, WANG Lei-gang

（河北科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，石家莊 050018）

0 引言

大口徑油氣管材彎管機(jī)是在大型長距離的油氣輸送管線工程中用于改變管線方向的一種機(jī)械設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)野外現(xiàn)場彎管作業(yè)。隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，在日常工作生活中需大量使用油氣資源，對于油氣開采之后的運(yùn)輸就成為了開采后的又一大重要工程。我國地域遼闊，地形地貌復(fù)雜，油氣輸送管線的鋪設(shè)需根據(jù)地形的基本走勢來決定，管線施工中時(shí)常用到大口徑彎管機(jī)[1]。

目前的彎管設(shè)備彎管作業(yè)時(shí)需要不少于三位工人同時(shí)在場協(xié)助彎管作業(yè)，并且彎折管材時(shí)每個(gè)步驟都由工人手動(dòng)操作完成，在每次的彎折過程中，工人都需要停下設(shè)備標(biāo)記鋼管的彎折位置，并且鋼管每次彎折的角度是通過人工測量的數(shù)據(jù)換算而來，這些操作流程都加重了工人的工作量并增加了彎管成品的誤差率[2]。針對目前大口徑油氣管材彎管機(jī)自動(dòng)化程度低的現(xiàn)狀，通過分析機(jī)器的工作原理結(jié)合PLC控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了大口徑彎管機(jī)的電液控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了彎管過程的自動(dòng)化。

1 彎管機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)及工作原理

1.1 技術(shù)參數(shù)及系統(tǒng)組成

大口徑油氣管材彎管機(jī)的最大適用鋼管直徑為1422mm，鋼管壁厚為38mm，鋼管長度為12000mm，鋼管最大彎折角度是1 0.5°，單次彎折角度只有0.2°～0.5°，每次彎折的位置間隔為300mm，單次彎折角度之和為鋼管的最終彎折角度[3]。

彎管機(jī)的系統(tǒng)主要由機(jī)架總成、管材彎折系統(tǒng)、電液控制系統(tǒng)組成。機(jī)架總成主要由側(cè)板、連接板、加強(qiáng)軸組成；管材彎折系統(tǒng)主要由楔塊、上胎、下胎、內(nèi)胎、夾具、卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)、支撐導(dǎo)輪等組成。其中內(nèi)胎由爬行裝置和張緊裝置組成，卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)由卷揚(yáng)機(jī)、液壓馬達(dá)、減速箱、鋼絲繩組成[4]，上胎和下胎為半圓形基座；電液控制系統(tǒng)主要由液壓動(dòng)力站、液壓工作站、可編程控制器、傳感器和觸摸屏等組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 彎管機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理及彎管過程

彎管機(jī)的工作原理是通過可編程控制器接收和處理各傳感器的數(shù)據(jù)并發(fā)出相應(yīng)的指令，控制液壓系統(tǒng)各閥體電磁鐵的通斷，實(shí)現(xiàn)設(shè)備對鋼管的移動(dòng)、固定和彎折等動(dòng)作[5]，其彎管原理示意圖如圖2所示。

彎管過程可分為四個(gè)部分：送管→定位→彎管→ 復(fù)位。

1）送管：工人將待彎的鋼材由吊管機(jī)從夾具一端放入彎管機(jī)中，內(nèi)胎同時(shí)鉆入鋼管內(nèi)，鋼管放置到合適的位置后開始彎管，通過卷揚(yáng)機(jī)拉動(dòng)鋼管向夾具一端移動(dòng)，移動(dòng)達(dá)到300mm后停止送管完成。

圖2 彎管原理示意圖

2）定位：定位是彎管前的準(zhǔn)備過程，防止鋼管發(fā)生移動(dòng)。內(nèi)胎在鋼管內(nèi)向主油缸一端行走，移動(dòng)至上胎正下方。然后內(nèi)胎張緊裝置支撐住鋼管內(nèi)壁（防止彎折時(shí)鋼管出現(xiàn)憋管現(xiàn)象），完成張緊后。楔塊缸水平向外伸出舉升鋼管高度，夾具夾緊鋼管的一端（防止鋼管發(fā)生自身的旋轉(zhuǎn)）定位完成[6]。

3）彎管：提升缸帶動(dòng)下胎的左端向上運(yùn)動(dòng)，提升管材高度，使鋼管上沿緊貼上胎面。主油缸舉升下胎右端，使鋼管的右端升起。由夾具和上胎起支點(diǎn)的作用，主油缸施加彎矩，使鋼管發(fā)生塑性變形，鋼管被彎折出一定角度，彎管完成[7]。

4）復(fù)位：彎管結(jié)束后，各個(gè)液壓缸按逆向順序依次回復(fù)原位，開始重復(fù)之前動(dòng)作，上述操作循環(huán)進(jìn)行，直至鋼管達(dá)到總彎折角度要求。

2 電液控制系統(tǒng)工作原理

2.1 彎管機(jī)的液壓控制系統(tǒng)

大口徑油氣管材彎管機(jī)液壓系統(tǒng)中油缸均為雙作用式油缸，液壓馬達(dá)為徑向球塞式液壓馬達(dá)[8]。按液壓系統(tǒng)功能可分為卷揚(yáng)機(jī)及內(nèi)胎行走回路；內(nèi)胎缸、夾緊缸及楔塊缸回路；主油缸及提升缸回路，其液壓控制回路如圖3所示。

圖3 液壓控制回路圖

1）卷揚(yáng)機(jī)及內(nèi)胎行走回路：用于鋼管在彎管機(jī)中左右移動(dòng)和內(nèi)胎在鋼管內(nèi)左右行走。電磁鐵YA4、YA14通電，卷揚(yáng)機(jī)液壓馬達(dá)正轉(zhuǎn)，裝置可拉動(dòng)鋼管向左移動(dòng)，電磁鐵YA5、YA14通電，卷揚(yáng)機(jī)液壓馬達(dá)反轉(zhuǎn)，裝置可拉動(dòng)鋼管向右移動(dòng)。電磁鐵YA2、YA14通電，內(nèi)胎液壓馬達(dá)正轉(zhuǎn)，內(nèi)胎可向左行走，電磁鐵YA3、YA14通電，內(nèi)胎液壓馬達(dá)反轉(zhuǎn)，內(nèi)胎可向右行走。

在卷揚(yáng)機(jī)及內(nèi)胎行走回路中，采用電磁溢流閥組成卸荷回路，啟動(dòng)泵站發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，電磁鐵YA1通電，液壓泵卸載[9]，可減少能量損耗，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，起到調(diào)壓、卸荷平穩(wěn)起動(dòng)的作用[10]。另外回路均采用疊加式單向節(jié)流閥，可以雙向調(diào)節(jié)液壓缸的流量，正向流動(dòng)時(shí)起單向閥作用，反向流動(dòng)時(shí)起節(jié)流閥作用。

2）內(nèi)胎缸、夾緊缸及楔塊缸回路：用于在彎管過程中對鋼管內(nèi)壁的支撐、鋼管一端的夾緊和松開、鋼管的抬升和下放。通過控制三位四通換向閥21、22、23的電磁鐵通斷，實(shí)現(xiàn)張緊裝置、夾具和楔塊的伸縮[11]。由于楔塊缸需要有足夠長時(shí)間的水平向外的推力，所以楔塊缸回路的換向閥改用“Y”型機(jī)能的三維四通換向閥， 同時(shí)加一個(gè)液控單向閥18的鎖緊回路來進(jìn)行保壓，減少壓力損失，提高設(shè)備在彎管過程中的可靠性[12]。

3）主油缸及提升缸回路：用于使鋼管外壁緊貼上胎面并對鋼管另一端施加彎矩，使鋼管產(chǎn)生塑性變 形[13]。電磁鐵YA13、YA14通電，液壓油進(jìn)入提升缸有桿腔，提升缸收縮。當(dāng)提升缸有桿腔壓力大于順序閥6的調(diào)定壓力值后，液壓油打開順序閥6進(jìn)入主油缸無桿腔，主油缸伸出。電磁鐵YA12、YA14通電，液壓油進(jìn)入提升缸無桿腔和主油缸有桿腔，經(jīng)單向閥流回油箱，提升缸伸出，主油缸同時(shí)收縮回位。

主油缸及提升缸回路中工作順序要求對鋼管先提升再彎折并且保證有一定的提升力和彎矩，所以在回路中，提升缸和主油缸之間串聯(lián)一個(gè)單向順序閥。在提升缸液壓油壓力不足以打開順序閥之前完成鋼管的提升動(dòng)作，隨著鋼管與上胎面貼緊，壓力足以打開順序閥后，主油缸開始舉升，由夾具和上胎起支點(diǎn)的作用，主油缸施加彎矩達(dá)到彎管的角度要求[14]。

2.2 彎管機(jī)的電氣控制系統(tǒng)

如圖4所示為PLC控制框架圖，操作員可以通過觸摸屏顯示面板實(shí)時(shí)的觀察各個(gè)油缸的壓力值、單次彎折角度值、管道總的彎折角度值等數(shù)據(jù)并可以通過數(shù)據(jù)設(shè)置窗口隨時(shí)修改參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)直接對話的要求。電氣控制系統(tǒng)以PLC為核心，工作模式分為自動(dòng)和手動(dòng)模式兩種。在自動(dòng)模式下，操作員將油氣管道放置在彎管機(jī)的適當(dāng)位置后，彎管機(jī)開始自動(dòng)彎管作業(yè)，手動(dòng)模式常用于設(shè)備的維修或養(yǎng)護(hù)中[15]。

1）硬件設(shè)計(jì)

PLC I/O地址分配如表1所示，由PLC和觸摸屏處理傳感器采集的數(shù)據(jù)，再控制各個(gè)電磁換向閥實(shí)現(xiàn)液壓執(zhí)行元件的動(dòng)作。該控制系統(tǒng)硬件采用臺達(dá)DVP-SV2可編程控制器外加擴(kuò)展模塊組成，擴(kuò)展模塊由一個(gè)數(shù)字量模塊、兩個(gè)模擬量模塊和一個(gè)串行通訊模塊組成。包括18個(gè)輸入點(diǎn)，13個(gè)輸出點(diǎn)[17]。其中檢測彎管角度值的傳感器與串行通訊模塊相連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸；檢測單次送管300mm的米輪傳感器與PLC的脈沖高速計(jì)數(shù)口相連；激光測距和壓力傳感器等與兩個(gè)模擬量模塊相連并將各項(xiàng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在觸摸屏上[16]。

2）軟件設(shè)計(jì)

PLC程序采用梯形圖編寫，通過對彎管機(jī)工作任務(wù)和工作順序的分析，該控制系統(tǒng)采用步進(jìn)式的順序控制方式，即上一步的要求動(dòng)作完成后，達(dá)到下一步動(dòng)作的開始條件，則觸發(fā)并開始下一步?？刂屏鞒虉D如圖5所示，系統(tǒng)開始后，選擇自動(dòng)模式便進(jìn)入自動(dòng)彎管流程[17]。

圖4 PLC控制框架圖

3 彎管機(jī)的彎管精度分析

PLC在大口徑油氣管材彎管機(jī)中最關(guān)鍵的應(yīng)用是提高送管和彎管的精度，解決工人在彎管過程中造成較大的加工誤差。

表1 PLC I/O地址分配

圖5 控制流程圖

3.1 送管的精度控制

在彎管機(jī)進(jìn)行完一次彎管后，需要鋼管向左送管300mm，再進(jìn)行下一次彎管。使用米輪傳感器可以控制送管的位移，根據(jù)米輪的位移量及輸出的脈沖數(shù)換算出米輪的脈沖當(dāng)量：

其中，n為米輪輸出的脈沖數(shù)；S為米輪的位移量；d為米輪的脈沖當(dāng)量，即送管的精度。米輪自轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)n為500，米輪自轉(zhuǎn)一圈的位移量S為100mm，則米輪的脈沖當(dāng)量d即送管的精度為0.2mm，所以每次送管300mm只需米輪發(fā)出1500個(gè)脈沖信號，位移精度可以滿足實(shí)際加工要求[18]。

3.2 彎管角度的精度控制

每次彎管時(shí)，都是鋼管一端固定另一端起升形成彎折角，由于彎管機(jī)沒有絕對水平所以在管材的兩端分別安放一個(gè)固定端角度傳感器和起升端角度傳感器，傳感器的精度為0.01°。通過兩個(gè)角度數(shù)據(jù)相減可以實(shí)時(shí)獲取彎折總角度值，通過采集并保存每次彎折前的起升端角度與起升端實(shí)時(shí)角度相減可以獲得單次彎折的角度值，這樣既可以顯示單次彎折角又可以顯示總的彎折角實(shí)現(xiàn)了對彎管角度是實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4 結(jié)束語

通過對大口徑油氣管道彎管機(jī)工作原理的詳細(xì)分析，加入必要的傳感器和控制器等必要器件，滿足了彎管機(jī)在彎折大口徑鋼管中的液壓系統(tǒng)的技術(shù)要求，使彎管機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的生產(chǎn)方式。能夠減少用工人數(shù)，簡化操作步驟，縮小現(xiàn)有的誤差范圍，提高彎管的成功率。PLC控制系統(tǒng)在彎管機(jī)中的應(yīng)用，為油氣管線鋪設(shè)工作提供了更為高效可靠的機(jī)電一體化設(shè)備。彎管機(jī)自動(dòng)彎管功能的實(shí)現(xiàn)具有很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)，利于大口徑油氣管道彎管機(jī)得到更加廣泛的推廣使用。

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