基于PLC的管道除锈装置自动控制系统.pdf

2 0 1 3 正 第1 期 管 遘技 齐 P i p e l i n eT e c h n i q u e 5设各 a n d E q u i p m e n t 2 0 1 3 N o ．1 基于P L C 的管道除锈装置自动控制系统 张毅1 ”，马志锋1 ’2 ，张建平1 ’2 ，乐天1 ，一，王长江1 ，2 1 ．中国石油天然气管道科学研究院，河北廊坊0 6 5 0 0 0 ；2 。油气管道输送安全国家工程实验室，河北廊坊0 6 5 0 0 0 摘要根据研发的管道自动除锈装置对自动化连续控制的要求，通过对除锈装置结构组成及工作 原理的详细分析，提出了以P L C l o g o 为核心的自动控制系统，并详细阐述了控制原理及程序流程。该 系统通过对直流电机的控制，实现管道除锈装置的“弓”字型工作过程。试验及应用结果表明该系统 控制精确、可靠、抗干扰能力强、操作便捷，可有效降低工人的劳动强度，提高管道除锈装置的整体性能 及除锈效果，节约工时，完全满足管道除锈装置的工作要求。 关键词P L C ；管道；除锈；自动控制；系统 中图分类号T E 8文献标识码B 文章编号1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 1 3 0 1 0 0 2 3 0 3 A u t o m a t i cC o n t r o lS y s t e mB a s e do nt h eP L Cf o r P i p e l i n eA u t o m a t i cD e s c a l i n gD e v i c e Z H A N G Y i l ，- ，M AZ h i f e n 9 1 ⋯，Z H A N GJ i a n p i n 9 1 ”，L ET i a n l ”，W A N GC h a n g - j i a n 9 1 2 1 ．C h i n aP e t r o l e u mP i p e l i n eR e s e a r c hI n s t i t u t e ，L a n g a n g0 6 5 0 0 0 ，C h i n a ； 2 ．N a t i o n a lE n g i n e e r i n gL a b o r a t o r yf o rP i p e l i n eS a f e t y ，L a n g f a n g0 6 5 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r dt h eP L C l o g oa st h ec o r eo ft h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e ma c c o r d i n gt ot h ea u t o m a t i c c o n t i n u o u sc o n t r o lr e q u i r e m e n t so ft h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i cp i p e l i n ed e s c a l i n gd e v i c e sf o rt h ep i p e l i n ea n dt h r o u g had e t a i l e d a n a l y s i so ft h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ed e s c a l i n gd e v i c e ，i te x p o u n d st h ec o n t r o lp r i n c i p l ea n dt h ep m g a mf l o w ．T h e s y s t e mc a l lr e a l i z eab o w - t y p ew o r k i n gp r o c e so ft h ep i p e l i n ed e s c a l i n gd e v i c et h r o u g hc o n t r o lo v e rt h eD Cm o t o r ．T h ee x p e r i m e n t a n da p p l i c a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，t h es y s t e mc o n t r o li sa s s u r a t ea n dr e l i a b l ew i t has t r o n ga n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t yi nc o n v e n i e n t o p e r a t i o n ，a b l et oe f f e c t i v e l yr e d u c et h el a b o ri n t e n s i t yo fw o r k e r s ，i m p r o v et h ep i p e l i n er u s tc l e a n i n gp e r f o r m a n c ea n dd e s c a l i n g e f f e c t ，s a v eh o u r so fw o r ka n df u l l ym e e tt h ew o r k i n gr e q u i r e m e n t so ft h ep i p e l i n ed e s c a l i n gd e v i c e ． K e yw o r d s P L C ；p i p e l i n e ；a n t i c o r r o s i v e ；a u t o m a t i cc o n t r o l ；s y s t e m 0引言 随着国内管道建设在管道使用寿命方面的日趋 关注，对油气管道防腐补口高效化的追求愈来愈迫 切，油气管道防腐补口由手工向机械化的过渡成为一 种必然趋势，而作为影响管道防腐质量关键因素的管 道表面处理显得很重要。 目前的管道施工中，补口段的管道表面处理多为 人工开放式喷砂除锈，由此带来了环境污染严重、砂 料浪费严重、过程质量难以控制等问题，导致补口质 量不佳，继而降低管道的使用寿命，增大管道运营中 的安全隐患。o 。 针对以上问题，设计了可解决管道表面处理问题 的管道除锈装置，该装置的自动控制系统以新型P L C 基金项目中石油集团公司科技攻关项目 2 0 1 1 B 一3 3 0 2 收稿日期2 0 1 1 1 2 2 8收修改稿日期2 0 1 2 0 9 0 8 运动控制技术为核心。P L C 因体积小、编程方便，被广 泛应用于各种工业自动化控制领域M 。13 I 。文中介绍 基于P L C 的管道除锈装置自动控制系统的设计，阐述 其控制原理及相关程序流程。 1 管道除锈装置的结构组成与工作原理 1 ．1 结构组成 管道防腐补口自动除锈装置为三瓣式液压开合 结构，主要由液压油缸、浮动式旋转机构、限位机构、 横向行走机构组成，如图1 所示。 液压油缸用于实现自动除锈装置在管道待除锈 段的安装、移除及准确的与管道定位、卡紧；浮动式旋 转机构可实现自动除锈装置沿待除锈管段的周向旋 转，按照管道的形状通过浮动轮自动地调节高低，以 达到与管道的紧密结合；横向行走机构用于实现喷枪 在待除锈管段的横向移动；限位机构是横向行走机构 的左右除锈的极限位置。 万方数据 P i p e l i n eT e c h n i q u ea n dE q u i p m e n t J a n ．2 0 1 3 浮动式旋转机构 自动控制系统以P L C 为核心，通过继电器的配合 图1管道除锈装置结构图 1 ．2 工作原理 利用液压油缸的作用力，将除锈装置安装于油气 管道的待除锈段，并给予一定的预压力，以产生足够 的摩擦力，防止打滑。安装就绪后，通上电源，电机驱 动横向行走机构水平移动，到达限位机构后，停止横 向运动，此时浮动式旋转机构上的电机驱动除锈装置 做周向旋转。开启电气控制系统，浮动式旋转机构、 横向行走机构可在限位机构、自动控制系统的共同作 用下实现“弓”字型除锈，从而实现管道表面自动除锈 的整个工作过程，即浮动式旋转机构的周向步进转动 及横向行走机构的横向移动；限位机构限制横向行走 机构的左右极限位置，以保证横向行走机构的有效除 锈空间，横向行走机构的往复移动可完成管道表面的 横向除锈。 2P L C 控制系统设计 2 ．1 控制思路及原理 管道除锈装置的总体设计为双枪同时除锈，每把 枪的工作面为管面半周，喷枪安装于横向行走机构 上，如图2 所示。 浮动式 旋转机构 图2 控制系统控制示意图 自动控制系统对每个横向行走机构独立控制，确保 其运行状态互不影响。除锈装置的除锈起止位置、横纵 向移动时间和距离均为可调，采用行程开关控制。 使用，完成除锈装置的自动除锈过程，如图3 所示。 l 号横向2 号横向浮动式 行走电机行走电机旋转电机 图3 控制原理图 具体为由P L C l o g o 控制3 台直流驱动器，继而 控制3 台直流电机，即1 个实现除锈装置周向旋转的电 机和2 个实现横向行走机构独立移动的电机。自动控 制系统通过对直流电机的控制，实现除锈装置的周向步 进转动及横向行走机构的持续移动，当横向行走机构在 移动中触到限位机构的行程开关时，横向移动限位停止 一段时间，与此同时浮动式旋转电机带动旋转机构沿轨 道正向旋转一定角度后，横向电机沿相反方向移动，如 此往复，实现除锈装置的“弓”字型除锈轨迹。 2 ．2 控制系统程序流程 该装置以P L C 为主控单元，控制2 台横向行走电 机和1 台周向旋转电机，通过远端控制盒发送信号给 P L C 完成复位、手动、自动3 种模式的切换，并在不同 的模式下完成相应的动作。 手动控制手动进行横向行走机构的左右移动， 浮动式旋转机构的正反向运动。 复位控制上电后，l 、2 号横向行走电机带动横向 行走机构向一侧移动，等待两横向行走机构都碰触限 位开关后，1 、2 号横向行走电机停止运动，此时周向旋 转电机开始带动浮动式旋转机构做周向运动，为了使 每次喷砂的面积都能够搭接上，周向运动的时间可以 根据具体管径进行调整，以保证良好的搭接效果。 自动控制当除锈机复位后，将模式切换至自动档 位，启动风机后，点击开始除锈按钮，进入自动除锈阶 段。1 、2 号横向行走电机带动横向行走机构沿光杆移 动，由于2 台电机不能做到完全同步，因此到达限位位 置时略有时间差，设计中使用P L C 对其控制，设定任一 个横向行走机构达到限位位置后停止运动，等待另一个 横向行走机构，当2 个横向行走机构均触到限位开关 时，旋转电机才开始带动浮动式旋转机构进行周向旋 转，待旋转一定角度后，旋转电机停止，2 台横向行走机 构开始反向移动。如此往复，直至除锈结束。 在编程中，将手动、复位、自动3 种模式电路模块 万方数据 第1 期张毅等基于P L C 的管道除锈装置自动控制系统 化，确保程序之间相对独立、互不影响，且程序修改调 试便捷。应用P L C 的常开点和常闭点进行信号互锁， 防止信号问的传输错误导致误动作，同时配合使用接 通延时定时器来控制周向运动时间的长短，以控制3 台电机协同完成除锈作业。具体的系统程序流程如 图4 所示。 开始 t 一 程序选择 ≤雾≯叫翠 骊慝鳇篙赫 L 1’ 向右移动J 2 号军l 目石杉司 k 自扒- V - I 魏张‘、m n Ⅱ ，Im Ⅲ” 叫将旋钮转至自动档I l 宴垫堕壁茎塑I ’ t 人懈黎 ◇嚣＼憋芝卵黜 jYl 等待 rL 』L 燮攀攫} - 商 颤时针旋转一定角度广l 看髯犁 土l 开关 1 l 手动控制轨道 l 逆时针旋转 一一．丁一 。世t 蠡2 嚣圭。l 阿西药苟匠j i 停基蠹馨“罄蓬开ll 学弱蒜样缗条 始逆时针旋转 { l 二竺 竺 二[ L 一 } 旋转到位后．1 I 复位操作结柬l r 轨道旋转停止．1 号车 2 号车开始向右运行 嗵爹必l 釉 ＼影l 鬻 壅薹壁鉴兰墨墼卜廊 顺时针旋转一定角度广r 龄鬈’ ≤三≥≯L ‰ 图4 控制系统程序流程图 2 ．3 控制系统结构 选用P L C l o g o 为主控单元，选用直流可自动换 向电机驱动器，通过P L C 编程来控制驱动器按照设定 的要求进行电机运动控制。系统结构如图5 所示。 二岂 j 兰 昌兽2 墨 【弓弓。o q a 一- - - 1 舀子吕剖1 弓g 羽磊勰勰3 憎f 口p 1 剑。『口I o f o p K 二毫 鹫2 盘三譬 P L C - m o d e C W C C W s p e e d s p e e d s p e e d M o 惦r M o t e r S t o p S t o p G N D 2 4 V P 3 手持盒 P L T 2 8 1 7 座孔 2 4 V 2 4 V 、曼l量 ＼A 1A H e a d e r l 7 e 2 小亳 堕墨 i 麈j 驱动器 旋转 图5P L C 控制电气结构 3 试验及工业应用 管道除锈装置及自动控制系统历经多种试验测 试，并于2 0 1 1 年9 月在中贵输气管线和广南输气管线 工程中成功应用。试验及应用结果表明管道除锈装 置的自动控制系统性能稳定、控制精确、抗干扰能力 强、操作简单，能很好地实现管道除锈装置的轨迹除 锈且除锈彻底、无遗漏，完全满足管道除锈装置的各 项工作要求。 4 结束语 通过P L C 搭建的除锈装置自动控制系统可实现 除锈装置的“弓”字型除锈过程，且性能稳定、控制精 确、抗干扰能力强、操作简单，完全满足管道除锈装置 的各项工作要求。同时，管道除锈装置的完全自动控 制可有效降低工人的劳动强度，提高管道除锈装置的 整体性能及除锈效果，节约工时，有效保证了工程质 量及工程进度。 参考文献 [ 1 ] 侯玫，张传俊．现代工业中几种先进除锈方法的对比研 究．机械研究与应用，2 0 0 7 ，2 0 4 1 9 2 0 ． [ 2 ] 王信，张博蓉，刘建国，等．管道外防腐涂层补1 3 新技术． 石油工程建设，2 0 0 3 ，2 9 5 3 5 3 6 ． [ 3 ] 胡伟，闫清文．封闭式喷砂系统在施工现场中的应用．全 面腐蚀防护，2 0 0 8 ，2 2 2 4 0 4 1 ；4 8 ． [ 4 ]牛继磊，徐依吉，李根生．石油油管防腐预处理新工艺．腐 蚀与防护，2 0 0 3 2 3 5 3 8 ． [ 5 ]姚冠新，施国洪．钢管壁面喷砂除锈作业线的设计．农业 机械学报，2 0 0 0 ，3 1 5 1 1 4 ～1 1 6 ． [ 6 ] 王鸿儒．基于P L C 的钢管矫直机工业自动控制系统．山 西冶金，2 0 1 1 4 2 8 2 9 ；6 6 ． [ 7 ]彭远强．基于P L C 的机械吊臂模糊控制系统．柳州职业 技术学院学报，2 0 1 1 ，1 1 4 6 2 6 5 ． [ 8 ]岳玲玲，周德成，刘景凤．基于P L C 的药芯焊丝两级加粉 机电控系统设计．焊接技术，2 0 1 1 ，4 0 8 4 4 - 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