基于多任务机制的钢管水压试验设备自动控制系统

宋小平

（太原重工股份有限公司， 山西 太原 030024）

钢管水压试验设备是焊管生产线中用于钢管焊缝质量检查工序中重要设备之一[1]，主要通过将密封的钢管内充满液态水，并借助于增压系统再向密封的钢管内部注射高压水，使钢管内部的压力达到设定的试验压力值要求后并保持一段时间；如果在保持过程中，钢管内压力虽然有波动，但是仍然在要求压力范围内，当达到设定的保持时间后则视为试验成功；否则视为试验失败。

图1 钢管水压试验设备组成

如图1所示，钢管水压试验设备由入口辊道、冲洗辊道、步进横移装置、出口辊道、前梁装置、后梁装置及配套水、液压、电气系统组成，另外步进横移装置上设有三个工位用于存放钢管。设备通过入口辊道从上游设备接入钢管，经过步进横移装置将钢管从入口辊道运送至冲洗工位，钢管在冲洗工位完成冲洗后，由步进横移装置运送至试压工位，钢管在试压工位完成水压试验后，由步进横移装置将钢管运送至出口辊道，钢管在出口辊道将完成空水工序后，再由出口辊道运送至下游设备的传输装置。假如当前步进装置上仅有一根钢管进行水压试验，那么上述水压试验过程的每一步工序可以采用人工操作进行完成；但是如果步进横移装置三个工位均存在钢管，那么每个工位的工序均需要由人工亲自完成，势必也会大大降低该设备的生产使用效率，同时为设备、生产带来了巨大的潜在安全隐患。所以在对钢管水压试验设备的工艺研究基础上，建立一套多任务机制的水压试验自动控制系统，从而大大提高该设备的生产效率，减小安全隐患。

1 电气系统硬件配置

控制系统结构如图2所示，系统采用某厂商CPU主控制器作为DP总站，并建立DP总线系统，下设6个DP总线从站，分别是入口辊道变频装置从站、出口辊道变频装置从站、步进横移变频装置从站、冲洗辊道变频装置从站、操作台及触摸屏从站；同时，PLC与计算机系统组成以太网系统，用于两个系统之间的数据通讯[2-4]。PLC系统主要完成各个机构的执行控制；计算机控制系统主要用于参数设定、系统检测信号的上传和控制命令的下发。

图2 钢管水压试验设备电气控制系统网络结构图

2 多任务机制自动控制策略

多任务机制自动控制策略包括钢管自动冲洗任务、自动水压试验任务、自动输出任务和自动运送任务。

2.1 钢管冲洗任务

首先，当钢管被步进横移装置运送至冲洗工位时，冲洗工位自动升起，将钢管从步进横移装置上移至冲洗工位上，此时系统进入冲洗任务事件入口；当冲洗工位载着钢管上升到位后，系统将会自动启动冲洗泵、阀，同时冲洗辊道开始旋转，进行对钢管的冲洗任务，并同时进行计时；当冲洗时间达到设定值后，冲洗泵、阀、冲洗辊道停止动作，而且步进横移装置当前必须处于其行程始端位置，冲洗工位下降，冲洗任务结束。具体步序流程图如图3所示。

图3 自动冲洗任务步序图

2.2 钢管输出任务

当钢管被步进横移装置运送至出口工位时，出口工位自动升起，将钢管从步进横移装置上移至出口工位上；当出口工位上升到位后，且步进横移装置已经离开其行程末端，出口工位自动下降，位于出口工位处的空水工位自动升起，当空水工位升起到位后，钢管的一端被抬起即呈倾斜状态并保持一段时间后，从而使钢管内残留的水排出；排出达到特定时间后，空水工位下降，当其下降到位后，出口辊道开始以设定的速度旋转，从而将钢管自动从出口辊道输送到下游设备。具体步序流程图如图4所示。

2.3 钢管水压试验任务

图4 钢管输出任务步序图

当钢管被步进横移装置运送至试压工位时，试验工位的提升装置自动升起，将钢管从步进横移装置移至试压工位上，从而进入钢管水压试验任务环节；待试压工位上升到位后，侧缸伸出、两端排气阀打开、高压水卸荷关闭；侧缸伸出会使钢管与固定端密封圈慢慢接触，当系统检测到侧缸伸出压力到位后，说明钢管两端已经完全与各自密封圈紧紧的接触；上、下夹紧装置伸出夹紧钢管；待检测到夹紧压力到位后，主缸动作对钢管进行水压试验前预密封；预密封到位后，启动低压充水泵向钢管内自动充满低压水，由于充满低压水后，会检测钢管内部有大约0.5 MPa压力，所以检测到此压力值时，认为钢管内部已经充满低压水，此时关闭两端排气阀及低压进水阀，待上述阀门完全关闭后，低压充水泵停止；待低压充水泵停止后，开始增压器，对钢管内注射高压水，直到钢管内实际压力值达到设定值后，停止增压器动作；待实际水压趋势已无上升趋势时，开始保压计时，达到设定保压时间后，保压结束进行卸荷；卸荷结束后，侧缸、增压器、高压水卸荷阀将恢复至试压前初始位置，并同时进行拔管；拔管到位后，试压工位的提升装置下降，该工位下降到位后，标志着水压试验任务结束。具体步序流程图如图5所示。

2.4 钢管运送任务

当入口辊道下降到位，而且入口辊道与端对齐位置均无钢管，此时检测上游设备传送装置有钢管存在，则入口辊道自动升起，从而进入钢管运送任务环节；入口辊道升起到位后，开始正向旋转，将钢管运送至端对齐位置；当端对齐检测到有钢管存在时，同时步进横移装置在其行程始端，则入口辊道自动下降；待入口辊道下降到位后，钢管被移至步进横移装置上的第一个工位处，同时保证其他三个工位处于下降到位的位置，此时步进横移装置方可前进运送钢管；待前进到其行程末端时，冲洗工位、试压工位、出口工位的升降机构自动抬起，则分别相应的将步进横移装置上对应的三个工位处的钢管移至各个工位的升降机构上；待上述三个工位上升到位后，步进横移装置开始后退；步进横移装置后退到位后，继续等待入口辊道将钢管移至到其第一个工位上；而上述三个工位上升到位后，分别进入相应的冲洗任务、水压试验任务和钢管输出任务事件，这样钢管水压试验设备在多任务机制的处理下，每个工位均可自动完成自身的工序，同时也不会对其他任务的进行造成阻塞，从而使设备的工作效率大大提高，也将设备的功能发挥至极致；同时也为减少了操作人员繁琐的工作量及安全隐患。具体步序流程图如图6所示。

图5 钢管水压试验步序图

图6 钢管运送任务步序图

由图6可以看出，步进横移装置的钢管运送任务作为多任务机制控制系统中的重要环节，起着关键性的作用，该环节提供到了冲洗任务、试压任务和输出任务事件的接入口，从而将钢管水压试验所需的四个工序环节更好且有效的衔接起来， 因此在多任务机制控制系统中，事件与事件之间建立起重要的且有效的联络，控制系统形成有效、完整的一体。

3 结语

为验证在多任务机制下的自动控制系统实际效果，进行现场测试，选取同规格的钢管若干，分别采用原系统与新系统进行水压试验，最终比较两种方法的生产效果及使用效果，如下页表1所示。（原系统指未采用多任务机制的控制系统，新系统指采用多任务机制的控制系统）。通过现场测试数据可以看出，在钢管数量不多的情况下，两者的生产效率差别不大，甚至可能还不如原系统；如果钢管数量越多，则采用多任务机制控制系统的优势便越显现出来。

钢管水压试验设备控制系统多任务机制的建立，使设备发挥出最大的生产能力和效率，本系统经过实际测试，获得良好的使用效果，同时本方法已经应用到某用户的实际项目中，据用户现场使用实际情况，此系统运行良好、稳定，在对多根钢管进行水压试验时，发挥出极佳的效果。

表1 两种控制系统生产效率对比