海上输油管道切割装置控制系统设计

刘 杨，王宏宇，郑才武，杨文凯，昝韶华，马哲冬，牛建辉

(北华航天工业学院，河北 廊坊 065000)

随着社会的不断发展，人们对石油资源的利用不断增加。浅海区的石油资源已经不能满足人们的需求，因此对深海区石油资源的开发和利用已经成为世界上大多数国家的发展趋势。随着海上石油平台的大量建设与运行，对于石油管道的使用数量不断增加。由于使用环境、人为因素等原因，石油管道损坏的形式多样，更换一个新的管道不仅耗时而且需要大量的成本，因此，对管道进行维修成为首要的选择。

常用的输油管道切割方法有冷切割技术、等离子切割技术、氧乙炔火焰等切割技术[1]，这几种切割方法虽然可以对不同材质的管道进行应用，但其具有一定的局限性，如在深海区域作业不能很好地满足切割条件和要求。

为了解决人工切割存在的切割效率低和切割环境等问题，我们研制的海上输油管道切割装置设备能够实现在深海区域对管道进行自动切割，该设备基于PLC控制器与触摸屏进行通信，通过人机界面实现远程控制海上输油管道的智能切割，这将在很大程度上提高切割效率和切割质量。因此，对海上石油管道切割装置控制系统的研究对于促进我国石油工业发展和经济增长具有较大意义。

1 输油管道切割装置系统构成和工作原理

1.1 输油管道切割装置系统构成

对于目前管道切割方法及使用环境的研究，海上输油管道切割装置的硬件结构，如图1所示。

图1 系统结构框图

系统主要由触摸屏、PLC控制器、伺服电机驱动器、行程开关和气动阀5部分组成。

1.1.1 触摸屏。在系统中实现与PLC控制器的通信，从而控制伺服电机和电磁阀。选用欧姆龙NB5Q-TW01B型的触摸屏，通过设定电机正反转、报警显示、转速设定、水刀位置设定，以便通过远程操作对海上输油管道切割装置进行远程控制。

1.1.2 PLC控制器。选用Omron公司NX1P2-9024DT型号的PLC。作为管道切割装置的核心控制器，通过接收触摸屏通信的指令和行程开关发送来的电信号，从而控制伺服电机带动水刀进行切割的转速。实时监控切割装置和夹紧装置的位置信息，将输出的控制信号发送给气动阀，使气动阀完成管道的夹紧放松和水刀的进退[2]。

1.1.3 伺服驱动器。通过与PLC共同构成伺服驱动系统，对水刀的位置、转速、启停和旋转进行控制。

1.1.4 行程开关。选用Omron公司D4V-8104SZ型号的行程开关，主要对水刀的位置进行判定，当水刀碰到行程开关时，将产生的机械信号转换为电信号发送给PLC进而控制水刀进行切割工作。

1.1.5 气动阀。通过压缩空气的方式进行驱动从而带动曲臂做90°旋转，以达到阀门自动启闭的目的。它主要由调节螺栓、执行机构箱体、曲臂、气缸体、气缸轴、活塞、连杆、万向轴等部分组成。

1.2 输油管道切割装置的工作原理

海上输油管道切割装置的基本工作原理：①将切割装置放置在管道待切割位置，通过两个气动阀控制夹紧臂来夹紧管道。②控制水刀的气动阀开始工作，将水刀逆时针运动直到触碰到第一个行程开关，行程开关将产生的机械运动转换为电信号传给PLC，PLC收到电信号后控制气动阀从而使水刀进行顺时针运动开始切割输油管道。当水刀触碰到第二个行程开关时，PLC收到信号后停止伺服电机的旋转和水刀的运行。切割完成后气动阀控制松开管道和水刀的退出。

1.3 输油管道切割装置设计的技术要求

依据管道切割装置的工作环境和被加工的对象，对海上输油管道切割装置的设计提出了几个技术要求[3]。①设计的输油管道切割装置能够在100m的深海区域进行作业。②在水质浑浊的区域能够准确无误的定位到待切割管道位置，具有良好的防水、防腐、耐高压等功能。③通过触摸屏发送指令完成管道夹紧、水刀进退、伺服电机正反转等功能，实现对管道切割的自动化。④具有自动检测报警功能，当系统出现故障时系统停止一切切割操作，报警灯变亮提示用户进行故障修复。⑤能够实现对于单层或者双层的管道进行切割。

2 系统的软件设计与输油管道切割装置控制系统的设计

2.1 PLC控制系统设计

管道切割装置的PLC控制系统，如图2所示。

图2 管道切割装置的PLC控制系统

图2为PLC控制系统图，用户通过触摸屏设定相应的参数值，PLC收到命令后控制对应操作的继电器开关闭合从而使继电器得电，进而控制伺服电机的运转、管道的夹持和水刀的进退。

2.2 系统程序流程

海上输油管道切割装置控制系统的程序流程图，如图3所示，主要完成管道的夹持、水刀的送入、对水刀位置进行监测、切割、水刀停止与退出和放松管道等任务。

图3 输油管道切割装置程序流程

2.2.1 管道夹紧。管道切割系统上电运行后首先进行自动检测模式，如果发现系统故障则报警灯亮，修复故障后重新上电。若无故障，按下触摸屏进臂按钮控制气控阀1和2对管道进行夹紧。

2.2.2 水刀的送入。按下触摸屏上进刀按钮，气动阀5开始控制水刀进入工作位置。此时通过触摸屏或者电位器其中一种方式来输入电机速度，伺服电机逆向旋转带动水刀逆时针运动。当水刀回退至触碰到第一个行程开关，PLC收到信号后控制伺服电机正向旋转带动水刀进行顺时针运动开始切割输油管道。

2.2.3 水刀的退出。当水刀触碰至第二个行程开关后，PLC收到信号控制气动阀6工作使水刀停止运行并退出。

2.2.4 放松管道。当水刀退出后，按下触摸屏退臂按钮控制气动阀3和4放松管道并通过PLC控制伺服电机停止运行，整个切割过程结束。

2.3 海上输油管道切割装置程序

海上输油管道切割装置通过PLC编程实现自动切割管道的目的，输油管道切割装置系统程序设计，如图4所示。

图4 输油管道切割装置系统程序设计

3 结束语

PLC控制器与触摸屏组成海上输油管道切割装置的核心，实现了在深海区域对输油管道进行自动化切割。该设备具有可靠性好，切割效率快、切割质量高和安全等特点，促进了石油工业的发展。