智能液壓抽裝管機(jī)的電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

張寶泉，向勇，辛祖強(qiáng)，彭嘉澍，余祖耀

(1.華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，湖北武漢 430074；2.湖北閑庭科技有限公司，湖北荊州 433200)

0 前言

在石油化工行業(yè)管道運(yùn)輸過(guò)程中，蒸汽伴熱系統(tǒng)起到至關(guān)重要的作用，它是保證物料安全輸送維護(hù)企業(yè)正常安全生產(chǎn)的重要措施[1-2]。近年來(lái)，隨著老裝置伴熱系統(tǒng)投用年限漸久，伴熱系統(tǒng)變得越發(fā)脆弱，跑冒滴漏問(wèn)題日益凸顯，尤其是冬季防凍防凝期間。隨之而帶來(lái)的則是腳手架搭設(shè)、保溫拆裝、管線(xiàn)堵漏等施工，高處、動(dòng)火等各種高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)紛至沓來(lái)，技術(shù)、操作人員各種繁瑣的隔離、開(kāi)票、監(jiān)護(hù)工作量逐漸變多[3-4]。而且，凝結(jié)水與伴熱蒸汽堵漏，又會(huì)伴隨著溫度、壓力和泄漏量的干擾，容易使得附近的工藝參數(shù)受影響，從而引起裝置生產(chǎn)的波動(dòng)。常規(guī)堵漏存在施工隨意性大、作業(yè)隱患大、能耗損失大、作業(yè)效率低、材料損耗大等弊端，因此，如何快速、可靠、小工作量地進(jìn)行伴熱系統(tǒng)不動(dòng)火在線(xiàn)更換，直接影響企業(yè)正常的安全生產(chǎn)。老化失效的伴熱管在檢維修時(shí)，采取冷安裝和不破壞現(xiàn)有工藝輸送管道保溫殼和保溫層的前提下，完成伴熱管的無(wú)損抽裝更換，將徹底解決多年困擾石油、化工生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)因蒸汽伴熱維修需動(dòng)火的安全隱患。直接減少動(dòng)火率60%以上，將為石油、企業(yè)的安全生產(chǎn)提供絕對(duì)的安全保障和創(chuàng)造巨大的節(jié)能效益[5]。

然而我國(guó)的抽裝管器械尚無(wú)定型產(chǎn)品，一般都是由施工方根據(jù)工況來(lái)自行設(shè)計(jì)與制造[6-7]，且大部分都是手動(dòng)操作，對(duì)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度需求較高，且純手動(dòng)器械往往會(huì)因?yàn)榭刹僮餍圆钜约叭藶槭д`，從而導(dǎo)致所發(fā)生的事故較多，從而拖慢了施工進(jìn)度。因此，為了降低石油行業(yè)的施工成本以及降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，本文作者通過(guò)自主設(shè)計(jì)與研究，成功研制出一種自動(dòng)化水平較高，用于更換伴熱管道的智能液壓抽裝管機(jī)。同時(shí)考慮到石油行業(yè)的工況，所設(shè)計(jì)的智能液壓抽裝管機(jī)的組成部件均具有防爆性，從而減少該項(xiàng)工作人為操作的影響，提高該工作的安全性、可操作性以及可靠性[8]。

1 智能液壓抽裝管機(jī)系統(tǒng)組成

智能液壓抽裝管機(jī)的外觀(guān)如圖1所示，其主體部分由液壓泵機(jī)、冷卻風(fēng)機(jī)、電控箱、液壓閥塊、電磁伺服換向閥以及系統(tǒng)主油路液壓表組成，其機(jī)頭部分由液壓缸、夾緊頭、接近開(kāi)關(guān)以及切斷刀片組成。

圖1 智能液壓抽裝管機(jī)外觀(guān)

該智能液壓抽裝管機(jī)的液壓系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 智能液壓抽裝管機(jī)液壓系統(tǒng)

圖2中，液位計(jì)1可以實(shí)時(shí)顯示油箱4的液壓油油量狀態(tài)；吸油過(guò)濾器2、空氣濾清器3以及回油過(guò)濾器9分別位于油箱出油口以及進(jìn)油口，確保油路中的液壓油不會(huì)因?yàn)殡s質(zhì)的原因而發(fā)生堵塞；由防爆電機(jī)5以及液壓泵6為系統(tǒng)提供液壓油，之后通過(guò)疊加式溢流閥11控制主油路的油壓，同時(shí)反映到壓力表8上以供操作者參考；該液壓系統(tǒng)的油路均集成在一個(gè)液壓閥塊10上，從而減小整個(gè)液壓系統(tǒng)所占空間；通過(guò)控制三位四通防爆電磁換向閥14.1和14.3分別控制頂升機(jī)構(gòu)油缸的頂升、縮回工作的切換以及剪切機(jī)構(gòu)油缸的剪切、退剪工作的切換，當(dāng)頂升負(fù)載較小時(shí)，還可以通過(guò)控制兩位兩通防爆電磁換向閥16使頂升機(jī)構(gòu)液壓缸切換至差動(dòng)模式提高頂升速度，從而提升工作效率；通過(guò)控制三位四通防爆電磁換向閥14.2以及兩位兩通防爆電磁換向閥16控制夾緊機(jī)構(gòu)油缸的夾緊以及放松工作的切換，同時(shí)因?yàn)橐嚎貑蜗蜷y15的存在，可以使夾緊機(jī)構(gòu)油缸在執(zhí)行夾緊工作時(shí)保持夾緊壓力；防爆壓力傳感器17可以實(shí)時(shí)輸送夾緊壓力以及頂升壓力信號(hào)給PLC電控系統(tǒng)，判斷夾緊機(jī)構(gòu)油缸的夾緊狀態(tài)以及頂升機(jī)構(gòu)油缸的負(fù)載狀態(tài)；最后是防爆風(fēng)冷卻器18，當(dāng)油路中的油溫過(guò)高時(shí)，可以使用該冷卻器對(duì)液壓油進(jìn)行冷卻，從而確保液壓系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。

其中，該智能液壓抽裝管機(jī)系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 智能液壓抽裝管機(jī)主要參數(shù)

2 智能液壓抽裝管機(jī)電控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該智能液壓抽裝管機(jī)的電控箱如圖3所示，通過(guò)使用防爆型電控箱來(lái)確保內(nèi)部電氣系統(tǒng)的防爆性，以達(dá)到適應(yīng)石油、化工行業(yè)工況的目的。其主要器件包括：主PLC控制器Siemens S7-1200及相關(guān)數(shù)字信號(hào)輸入輸出與模擬信號(hào)輸入拓展模塊、人機(jī)交互HMI控制屏、中間繼電器、熱繼電器、24 V電源模塊、遙控信號(hào)接收器、航空插頭、空氣開(kāi)關(guān)、防爆控制按鈕以及指示燈。

圖3 智能液壓抽裝管機(jī)電控箱

該智能液壓抽裝管機(jī)電控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖4 智能液壓抽裝管機(jī)硬件設(shè)計(jì)框圖

圖4中，電控系統(tǒng)的硬件均布置在防爆型電控箱內(nèi)，箱內(nèi)各電氣元件均由24 V/DC電源模塊以及外接的380 V/AC工業(yè)用電進(jìn)行供電。其中，PLC主控制器型號(hào)采用Siemens公司生產(chǎn)的S7-1200 1214C。為了滿(mǎn)足該電控系統(tǒng)所能處理數(shù)字輸入、輸出量與模擬輸入量的能力，在該型號(hào)PLC的基礎(chǔ)上外加了2塊數(shù)字量拓展模塊(型號(hào)SM1223)以及模擬量拓展模塊(型號(hào)SM1231)。同時(shí)為了便于工人操控該智能液壓抽裝管機(jī)，采用Siemens公司生產(chǎn)的17.78 cm(7寸)精智HMI屏幕用于人機(jī)交互控制以及系統(tǒng)狀態(tài)與傳感器等數(shù)據(jù)的顯示。除了運(yùn)用HMI屏幕對(duì)PLC主控制器發(fā)送控制指令外，控制面板上的防爆按鈕也可以用于控制該智能液壓抽裝管機(jī)工作狀態(tài)。通過(guò)接收到的控制指令與反饋的傳感器數(shù)據(jù)，PLC主控制器會(huì)根據(jù)程序邏輯做出相對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)輸出，通過(guò)對(duì)中間繼電器的開(kāi)關(guān)控制，從而控制該系統(tǒng)的液壓泵機(jī)、冷卻風(fēng)機(jī)與各個(gè)電磁換向閥的電控電磁鐵進(jìn)行液壓系統(tǒng)的換向操作。為了保護(hù)電路安全，在控制液壓泵機(jī)與冷卻風(fēng)機(jī)的電路上還加上了熱繼電器，可通過(guò)熱繼電器進(jìn)行用電器最大電流的限制，以免因電路漏電、短路等意外造成重大事故。

3 智能液壓抽裝管機(jī)電控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該智能液壓抽裝管機(jī)電控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中包含了自動(dòng)模式、手動(dòng)模式以及復(fù)位3個(gè)工作模式。其中，自動(dòng)模式適用于正常連續(xù)抽管工況；手動(dòng)模式適用于特殊情況下手動(dòng)直接操控3個(gè)機(jī)構(gòu)油缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；復(fù)位適用于自動(dòng)模式啟動(dòng)之前，自動(dòng)操控3個(gè)機(jī)構(gòu)油缸回到初始位置，同時(shí)重置系統(tǒng)的各個(gè)控制參數(shù)。結(jié)合液壓系統(tǒng)原理圖2可知：在該智能液壓抽裝管機(jī)開(kāi)始自動(dòng)模式之前，需要啟動(dòng)防爆電機(jī)5以及防爆風(fēng)冷卻器18，之后使兩位四通防爆電磁換向閥12得電，使疊加式溢流閥11串入液壓系統(tǒng)的主油路中，整個(gè)液壓系統(tǒng)液壓油的最高壓力由該溢流閥所限定，各個(gè)機(jī)構(gòu)油缸都處于準(zhǔn)備就緒的狀態(tài)。

自動(dòng)模式下，該智能液壓抽裝管機(jī)的電控系統(tǒng)控制邏輯如圖5所示。當(dāng)該智能液壓抽裝管機(jī)電控系統(tǒng)接收到自動(dòng)模式啟動(dòng)的信號(hào)后，三位四通防爆電磁換向閥14.2(下稱(chēng)換向閥14.2)中的S02端得電，即換向閥14.2置左位工作，此時(shí)由液壓泵出來(lái)的液壓油經(jīng)過(guò)該換向閥14.2后進(jìn)入到B1油路，隨后進(jìn)入到夾緊機(jī)構(gòu)油缸中，使它開(kāi)始夾緊工作。當(dāng)防爆壓力傳感器17.2處檢測(cè)到壓力值大于所設(shè)定的夾緊壓力值時(shí)，換向閥14.2中的S02端失電，此時(shí)夾緊機(jī)構(gòu)油缸中的壓力由液控單向閥15保持，B1油路中的壓力值不變，使夾緊機(jī)構(gòu)一直處于夾緊狀態(tài)。同時(shí)三位四通防爆電磁換向閥14.1(下稱(chēng)換向閥14.1)中的S05端得電，液壓油經(jīng)換向閥14.1進(jìn)入到A2油路中，隨后進(jìn)入到頂升機(jī)構(gòu)油缸當(dāng)中，使它開(kāi)始頂升工作。若此時(shí)防爆壓力傳感器17.3檢測(cè)到的壓力值小于所設(shè)定的差動(dòng)切換壓力值時(shí)，兩位兩通防爆電磁換向閥16(下稱(chēng)換向閥16)中的S06得電，此時(shí)頂升機(jī)構(gòu)油路A2與B2被聯(lián)通，形成差動(dòng)油路，從而加快頂升速度，進(jìn)一步提高該系統(tǒng)的工作效率。當(dāng)接收到頂升遠(yuǎn)端接近開(kāi)關(guān)的回傳信號(hào)時(shí)，說(shuō)明此時(shí)頂升機(jī)構(gòu)已經(jīng)頂升到位，換向閥14.1中的S05端失電，同時(shí)換向閥14.2中的S03端、換向閥14.1中的S04端以及換向閥16中的S06端得電，通過(guò)B2處的液壓油打開(kāi)液壓?jiǎn)蜗蜷y15，原來(lái)一直處于夾緊狀態(tài)的夾緊機(jī)構(gòu)油缸沿著B(niǎo)1油路卸壓，使它開(kāi)始放松工作。當(dāng)防爆壓力傳感器17.2處檢測(cè)到壓力值小于所設(shè)定的放松壓力值時(shí)，換向閥14.2中的S03端以及換向閥16中的S06端失電，保持換向閥14.1中的S04端得電，液壓油通過(guò)B2油路開(kāi)始進(jìn)入到頂升機(jī)構(gòu)油缸的另一端，使頂升機(jī)構(gòu)油缸開(kāi)始縮回工作。當(dāng)縮回端接近開(kāi)關(guān)收到回傳信號(hào)時(shí)，說(shuō)明頂升機(jī)構(gòu)已經(jīng)回縮到位，此時(shí)控制系統(tǒng)中的循環(huán)計(jì)數(shù)值加1，判斷此時(shí)控制系統(tǒng)中的循環(huán)次數(shù)是否滿(mǎn)足所設(shè)定的觸發(fā)切斷行程循環(huán)值，若不滿(mǎn)足則重新執(zhí)行夾緊工作，開(kāi)始一個(gè)新的小循環(huán)，若滿(mǎn)足則換向閥14.1中的S04端失電，三位四通防爆電磁換向閥14.3(下稱(chēng)換向閥14.3)中的S08端得電，液壓油開(kāi)始從A3油路進(jìn)入到切割機(jī)構(gòu)油缸中，使切斷機(jī)構(gòu)油缸開(kāi)始切斷工作。當(dāng)控制系統(tǒng)中的切斷定時(shí)器滿(mǎn)足所設(shè)定的切斷時(shí)間后，換向閥14.3中的S08端失電，同時(shí)S07端得電，液壓油通過(guò)B3油路進(jìn)入到切斷機(jī)構(gòu)油缸的另一端，使切斷機(jī)構(gòu)油缸開(kāi)始退剪工作。當(dāng)控制系統(tǒng)中的退剪定時(shí)器滿(mǎn)足所設(shè)定的退剪時(shí)間后，重置控制系統(tǒng)中的循環(huán)計(jì)數(shù)值，初始化各個(gè)控制參數(shù)，從執(zhí)行夾緊工作開(kāi)始一個(gè)新的大循環(huán)，如此往復(fù)，直至收到自動(dòng)模式停止信號(hào)為止。

圖5 電控系統(tǒng)自動(dòng)模式控制邏輯

手動(dòng)模式下，可根據(jù)控制面板以及HMI交互屏中的頂升、縮回、夾緊、放松、剪切以及退剪按鈕分別對(duì)應(yīng)3個(gè)機(jī)構(gòu)液壓油缸所執(zhí)行6個(gè)動(dòng)作，便于工人在特殊或調(diào)試階段下手動(dòng)操控各個(gè)機(jī)構(gòu)的液壓油缸。

復(fù)位時(shí)，該智能液壓抽裝管機(jī)的電控系統(tǒng)控制邏輯框圖如圖6所示。當(dāng)該智能液壓抽裝管機(jī)電控系統(tǒng)接收到復(fù)位信號(hào)后，換向閥14.2中的S03端、換向閥14.1中的S04端、換向閥16中的S06端以及換向閥14.3中的S07端同時(shí)得電，使夾緊、頂升以及切斷機(jī)構(gòu)油缸分別沿著B(niǎo)1、B2、B3油路開(kāi)始放松、縮回以及退剪的工作；當(dāng)防爆壓力傳感器17.2處所檢測(cè)到的壓力值低于放松壓力設(shè)定值時(shí)，換向閥14.2中的S03端以及換向閥16中的S06端失電；當(dāng)縮回端接近開(kāi)關(guān)收到回傳信號(hào)后，換向閥14.1中的S04端失電；當(dāng)控制系統(tǒng)中退剪定時(shí)器滿(mǎn)足所設(shè)定的退剪時(shí)間后，換向閥14.3中的S07端失電。之后重置控制系統(tǒng)中的循環(huán)計(jì)數(shù)值，初始化各個(gè)控制參數(shù)，使系統(tǒng)處于準(zhǔn)備就緒的狀態(tài)。

圖6 電控系統(tǒng)復(fù)位模式控制邏輯

4 智能液壓抽裝管機(jī)系統(tǒng)的功能分析

在該智能液壓抽裝管機(jī)的整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合運(yùn)行試驗(yàn)后，針對(duì)該系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行了一個(gè)功能性的分析，結(jié)果如下：

(1)該智能液壓抽裝管機(jī)采用差動(dòng)與非差動(dòng)模式的切換來(lái)滿(mǎn)足進(jìn)一步提高拔管效率的需求，通過(guò)設(shè)計(jì)兩位兩通防爆電磁換向閥16，當(dāng)拔管機(jī)頂升負(fù)載小時(shí)，可以將該液壓系統(tǒng)切換至差動(dòng)油路模式，使液壓油通過(guò)A2回路進(jìn)入到頂升機(jī)構(gòu)油缸中，利用頂升機(jī)構(gòu)油缸中的A2回路端與B2回路端的面積差產(chǎn)生壓力差，驅(qū)使液壓缸伸出。在同等流量液壓油的情況下，差動(dòng)模式可比非差動(dòng)模式快D2/d2倍，D為頂升機(jī)構(gòu)油缸中活塞直徑，d為頂升機(jī)構(gòu)油缸中活塞桿直徑，從而提高頂升機(jī)構(gòu)頂升速度，加快工作進(jìn)程。

(2)夾緊機(jī)構(gòu)油缸采用液控單向閥來(lái)實(shí)現(xiàn)夾緊狀態(tài)的保持，確保在頂升機(jī)構(gòu)油缸運(yùn)作時(shí)隔開(kāi)高壓與低壓的油路，還可以保證在頂升機(jī)構(gòu)油缸的頂升過(guò)程中夾緊狀態(tài)不會(huì)出現(xiàn)壓力波動(dòng)，頂升過(guò)程也不會(huì)因?yàn)閵A緊機(jī)構(gòu)油缸的影響而出現(xiàn)頂升不平穩(wěn)的情況。

(3)當(dāng)所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)均不工作時(shí)，通過(guò)控制面板或HMI交互屏發(fā)出控制指令，可通過(guò)控制兩位四通防爆電磁換向閥12失電來(lái)控制疊加式溢流閥11，使它不再并入主油路中，從而形成液壓泵卸荷的液壓回路。

(4)通過(guò)安裝防爆型壓力傳感器，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)夾緊機(jī)構(gòu)油缸油路的夾緊保壓狀態(tài)以及頂升機(jī)構(gòu)油缸油路的負(fù)載狀態(tài)，從而提供相對(duì)應(yīng)的信號(hào)給控制系統(tǒng)以判斷液壓系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

(5)通過(guò)在頂升機(jī)構(gòu)油缸兩端安裝接近開(kāi)關(guān)，可以對(duì)頂升機(jī)構(gòu)起到限位的作用，避免油缸長(zhǎng)時(shí)間處于過(guò)度頂升以及縮回的狀態(tài)，導(dǎo)致頂升機(jī)構(gòu)油缸耐用度下降，大幅度降低該智能液壓抽裝管機(jī)的使用壽命。

(6)通過(guò)安裝溫度傳感器、濾油器壓力檢測(cè)器以及熱繼電器，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)該液壓系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)。當(dāng)電氣器件或液壓器件存在安全隱患時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)接收到相關(guān)報(bào)警信號(hào)并通過(guò)HMI交互屏幕發(fā)出報(bào)警，同時(shí)終止相關(guān)器件的運(yùn)行，以便工人后期維修時(shí)可快速且精確地找到問(wèn)題所在。

5 總結(jié)

通過(guò)上述關(guān)于電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及后期實(shí)驗(yàn)，可總結(jié)出該新型液壓拔管機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)該系統(tǒng)所有電氣器件、液壓器件以及控制器件全部采用防爆型，可適應(yīng)于石油行業(yè)高爆高危的工作環(huán)境，符合該系統(tǒng)研制初期所制訂的滿(mǎn)足石油行業(yè)使用需求的條件；

(2)該系統(tǒng)各個(gè)機(jī)構(gòu)的液壓缸均采用雙作用缸，可保證每個(gè)操控步驟的響應(yīng)性，進(jìn)一步提高該系統(tǒng)的工作效率，縮短每個(gè)周期所需的工作時(shí)間；

(3)因在控制系統(tǒng)中采用了差動(dòng)與非差動(dòng)模式的自適應(yīng)切換設(shè)計(jì)，可自動(dòng)在高頂升力與高頂升速度之間按需切換，因此在換拔長(zhǎng)伴熱管道和短伴熱管道時(shí)，都能發(fā)揮出該智能液壓抽裝管機(jī)的最高工作效率；

(4)拔管機(jī)的電控系統(tǒng)均集成在防爆型電控箱內(nèi)，并與液壓系統(tǒng)的其他器件共同集成在液壓泵站上，具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量較輕、體積較小、可分段拆卸、工作可靠性高、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。

需要注意的是：液壓元件加工所需精度較高，液壓油的性質(zhì)會(huì)直接影響該系統(tǒng)的工作效率[9]。因此，在該液壓系統(tǒng)工作的過(guò)程中，應(yīng)防止外接污染物的進(jìn)入，避免污染液壓油。液壓油使用時(shí)間長(zhǎng)了之后，會(huì)產(chǎn)生膠狀污垢，阻塞濾油器，因此需要定時(shí)更換液壓油。閥類(lèi)元件檢修安裝時(shí)，要先用軟布(不能是棉絲等絲質(zhì)物品)把連接表面擦拭干凈，查看表面無(wú)劃痕，檢查閥上密封圈齊全，核對(duì)型號(hào)后進(jìn)行安裝。所用螺釘全部為高強(qiáng)度螺釘[10]。切勿在油缸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)工作的各項(xiàng)壓力[11-12]。