基于编码器的石油套管超声探伤系统探头随动控制实现a

基于编码器的石油套管超声探伤系统探头随动控制实现
张让勇1 ，孙祥1，孟庆龙1，王贝2
（1.山东省计算中心网络重点实验室，山东济南 250014； 2.山东省科学院激光研究所，山东济宁 272017）
E-mail: zhangry@
摘要：根据钢管超声探伤系统对于超声探头实时随动控制的实际功能要求和现场安装情况，采用编码器和到位开关，通过程序控制，实现了钢管超声探伤系统探头相对于钢管运动的随动控制功能，减小了钢管超声探伤系统探测盲区，保证了钢管超声探伤系统的探伤精度和提高了探伤效率。

关键词：随动控制，石油套管超声探伤，编码器
Realization of Probe tracking servo control on the Steel pipe ultrasonic flaw detection system based on encoder
Zhang Rangyong1、Sun Xiang1、Meng Qinglong1、Wangbei2（1.Shandong Provincial Key Laboratory of Computer Network, Shandong Computer Science Center, Jinan 250014；
2.Shandong Province Institute of Laser Technique,jining 272017）
E-mail: zhangry@
Abstract: According to the steel pipe ultrasonic inspection system for ultrasound probe with a real-time control of the actual functional requirements and site installation, the encoder and the place switch through program control steel pipe ultrasonic flaw detection system for steel pipe movement of the probe relative to the tracking servo control function, decreasing the steel pipe ultrasonic inspection system’s detection blind zone, ensure the accuracy of testing steel pipe ultrasonic flaw detection system and improving the inspection efficiency. Key words: Tracking servo control, the Steel pipe ultrasonic flaw detection system, Encoder
1、引言：
超声检测技术的应用始于20 世纪60 年代,目前已广泛应用于医学超声成像领域。

由于该系统复杂且制作成本高,因而在工业无损检测方面的应用受到限制。

近年来,超声技术以其灵活的声束偏转及聚焦性能越来越引起人们的重视。

由于压电复合材料、纳秒级脉冲信号控制、数据处理分析、软件技术和计算机模拟等多种高新技术在超声成像领域中的综合应用,使得超声检测技术得以快速发展,逐渐应用于工业无损检测,如对气轮机叶片(根部) 和涡轮圆盘的检测、石油天然气管道焊缝检测、火车轮轴检测、核电站检测和航空材料的检测等领域。

本文的超声探伤系统主要实现对石油套管检测，已成功应用于东营博成石油装备有限公司的检测线，并取得了良好的效果。

超声无损检测技术又称超声无损探伤技术，它是利用物质中因由缺陷或组织结构上差异的存在而会使超声某些物理性质的物理量发生变化的现象，通过一定的检测手段来检测或测量这些缺陷。

利用超声波在物体中的多种传播特性，例如反射与折射、衍射与散射、衰减以及在不同材料中的声速不同的特点，可以
测量各种材料上件的尺寸、密度、内部缺陷、组织变化等[1]。

超声波检测探伤原理如下图：
图1：超声波探伤原理
钢管两端探伤盲区的产生是因自动化探伤设备在制造过程中由机械、电气设备与探头之间的时间差所致 ，是无法解决的。

国家标准规定 ,自动探伤线允许存在≤ 2 0 0 mm 的盲区[2]。

因此要求检测装置应具有探头相对钢管位置的高精度调整机构并能可靠地锁紧或能实现良好的机械跟踪，以保证动态下声束对管子的入射条件不变。

由于石油套管不同于普通和钢管，其两端有一定长度的管毂，为避让管毂让探头安全有效地工作，靠光电检测元件来控制探头随动容易受到外界环境及探伤耦合介质干扰，因此采用编码器来精准控制探头随动尤为重要。

本文结合山东省科学院激光研究所NUM180型超声自动探伤设备的控制特点，利用编码器和相关程序实现超声探伤系统探头在探伤过程中的随动控制，减小了钢管两端探伤盲区，提高了探头跟踪的稳定性和准确度。

2、 硬件设计：
本系统采用6个超声探头组成线式相控阵，安装在探头支架上，由伺服电机驱动支架沿导轨向被检测钢管轴向运动，使探头依次通过旋转的钢管上方，当接近开关检测钢管进入探测区，安装在转轴上的编码器输出脉冲数开始计算探头与钢管相对位置，根据超声探伤工艺要求，在钢管进入有效探伤区域时，控制电磁阀依次落下超声探头进行超声探伤工作，在钢管超出效探伤区域时，控制电磁阀依次抬起超声探头停止探伤工作。

通过检测出各个探头回波信号，根据各个探头位置和超声波相位关系，利用数字成像技术获得钢管超声特性波形图像，从而对钢管特性及缺陷进行判定。

超声探头相控阵机械结构如下图：
图2：超声探伤系统机械结构图
3、 工艺控制设计：
根据超声探伤检测标准要求尽量缩短在钢管两端盲区无效信号采集和处理的需要，实现探头落下抬起控制时序如下图：
图3：超声探头控制时序图
其中J 表示接近开关，当钢管到达接近开关时，J 传感器输出高电平，当钢管离开接近开关时，J 传感器输出低电平；Counter 表示高速计数器数值，当J 接近开关上升沿时复位，在J 传感器输出高电平后至所有探头抬起期间计数编码器脉冲；P1、P2、P3、P4、P5、P6表示控制探头1到探头6的开关量控制输出；D1、D2、D3、D4、D5、D6表示探头1到探头6落下时数值；U1、U2、U3、U4、U5、U6表示探头1到探头6抬起时数值。

探头控制时序如下：
当J 接近开关上升沿时复位，高速计数器Counter 复位，并开始计数编码器脉冲，当D1<Counter ≤U1时，P1输出高电平，使探头1落下，当Counter ≤D1或者Counter> U1时，P1输出低电平，使探头1抬起；当D2<Counter ≤U2时，P2输出高电平，使探头2落下，当Counter ≤D2或者Counter> U2时，P2输出低电平，使探头1抬起；当D3<Counter ≤U3时，P3输出高电平，使探头3落下，当Counter ≤D3或者Counter> U3时，P3输出低电平，使探头3抬起；当D4<Counter ≤U4时，P4输出高电平，使探头4落下，当Counter ≤D4或者Counter> U4时，P4输出低电平，使探头4抬起；当D5<Counter ≤U5时，P5输出高电平，使探头5落下，当Counter ≤D5或者Counter> U5时，P5输出低电平，使探头5抬起；当D6<Counter ≤U6时，
J Counter P1 P2 P3
P4 P5 P6
~
~
D1 D2 D3 D4 D5 D6
U0
U1 U2 U3 U4 U6
U5 Counter
n
P6输出高电平，使探头6落下，当Counter≤D6或者Counter> U6时，P6输出低电平，使探头6抬起；
在实际检测工作中，J接近开关输出高电平时间为超声相控阵经过钢管的时间，计数器数值与钢管长度成线性比例关系，由于检测钢管的规格和产品质量不同，长度也会发生变化，很难固定分配D1、D2、D3、D4、D5、D6和U1、U2、U3、U4、U5、U6数值。

对于这个问题，采用中间变量n代替Counter来解决,其中当Counter≤D6时，n=Counter；当D6<Counter直到J接近开关下降沿，U0= Counter；时，n值不变，当U0<Counter≤U6时，n= D6+ Counter-U0。

4、软件实现：
在本系统中，采用欧姆龙型号为CPM2AH的小型PLC作为控制器，设置高速计数器，为增量计数器，复位方式为软复位，增加扩展函数ZCPL[3]，下载后断电重启使设置成功。

将编码器A相信号接入PLC的0.00端子，B相信号接入PLC的0.01端子，Z相信号接入PLC的0.02端子。

J接近开关信号接入2.03；探头1的输出为10.00, 探头2的输出为10.03, 探头3的输出为10.04, 探头4的输出为10.05,探头5的输出为10.06, 探头6的输出为10.07。

使用扩展函数ZCPL判断n是否在指定上下限内，从而控制探头抬起落下。

控制流程图如下：
图4：超声探头随动控制流程图
5、结束语：
通过2个月的运行，采用编码器方式检测探头支架与钢管相对运动距离比传统使用接近开关直接控制更加精确，超声探伤系统运行稳定，动作可靠，利用编码器编写程序控制的超声探头随动控制减小了钢管两端超声探伤盲区，检测结果准确可靠。

提高了设备检测效率和数据稳定性，提高了超声探伤设备的性能，达到了设计目标。

参考文献：
1、宋天民.《超声检测》. 中国石化出版社.2012。

2、JG/T 203 ----2007 钢结构超声波探伤及质量分级法。

3、欧姆龙公司.《CPM2A操作手册》。

作者简介：张让勇（1973.5.10-）,男，汉族，山东省德州市平原县人，山东省计算中心助理研究员，硕士。

主要研究方向计算机应用技术和工业自动化技术应用开发。

E-mail:zhangry@
附：修改说明
1、增加文中引用位置标注；
2、增加作者简介；
3、因为本文技术背景、适用检测标准及PLC配置等有所引用，其他为实际工程实现过程描述，故
引用较少。