以工控機為主控核心,通過增加位移檢測及速度校準裝置,實現了對不銹鋼管超聲自動檢測系統的改造。帶狀圖的顯示、存儲、打印使得檢測結果變得非常直觀,提升了系統的檔次。FPGA的使用,完成了信號處理、PCI接口等功能,集成度高,速度快,功耗低,降低了CPU的負擔。

超聲波檢測作為一種有效的無損檢測方法,在不銹鋼管生產中起到了越來越重要的作用,成為質量控制的重要檢測手段。目前大多數不銹鋼管生產廠家都配備有相應的檢測流水線,隨著與國際的接軌,出口量的不斷增加,不銹鋼管用戶對不銹鋼管質量的檢測控制要求也越來越高,不僅要求實現實時檢測,更希望能對檢測記錄進行存儲、打印、檢索,實現質量控制的追溯。

本文介紹了如何利用日益發展的數字計算機技術對舊有的不銹鋼管檢測線進行改造,對檢測數據進行智能化處理,過濾掉一些無用的信號,并通過帶狀圖顯示的方式,使得檢測結果非常直觀,大大降低了工人的勞動強度,減輕了工作負擔。同時實現了對檢測結果的實時存儲、記錄,及打印檢測報告,能將檢測結果及時反饋給生產,并通過數據庫的檢索、調用追溯歷史數據,為產品質量控制提供了有力的保障。

1不銹鋼管超聲自動檢測線的介紹

一條超聲檢測流水線,一般包括不銹鋼管上料、傳動、檢測設備、下料、分檢機構等,檢測設備是該檢測線的核心部分,包括超聲探傷儀、探頭、控制臺、檢測頭(安裝探頭的機械裝置、根據檢測方式有的則包括水槽)、機電控制部分等。

檢測頭根據不銹鋼管的檢測方式來確定,一般不銹鋼管的檢測分為2種檢測方式:探頭不動,不銹鋼管螺旋前進,這種方式的檢測頭需要提供一個水槽,探頭浸在水中。另一種是不銹鋼管不旋轉直線前進,而探頭分布在不銹鋼管圓周上,探頭旋轉對不銹鋼管進行全覆蓋掃查,這種方式需要一個旋轉頭固定各個探頭,并通過電刷或電容耦合方式將探頭信號傳回儀器處理。

不銹鋼管前進、后退、探頭旋轉速度的控制,以及強電的供給等,一般需要有包括PLC的控制臺(柜)來實現。

檢測設備的核心是超聲探傷儀和探頭,為了保證探傷覆蓋率和探傷檢測速度,一般采用多個探頭和多通道的超聲探傷儀,目前不銹鋼管探傷設備中多用6通道的探傷儀。超聲探傷儀通過觸發信號使探頭發射超聲波,并接收反射回來的超聲波信號進行判斷,如果有缺陷則進行聲光報警。

檢測前首先需按刻好人工傷的樣管進行調試,設定好儀器的靈敏度等參數,在實際工件檢測過程中,主要通過人工來監視儀器上的回波信號,更主要是依靠儀器的聲光報警信號來判斷管子的質量,由于是多個探頭同時工作,要同時監視這些波形很難,且沒有數據的記錄存儲,所以檢測結果受人為因素影響較大,且沒有相應的檢測報告,檢測結果的可信度得不到客戶的認可,也無法對不銹鋼管的質量檢測進行追溯。

2存儲記錄系統的方案設計

根據以上敘述,實現檢測數據的存儲記錄,形成有效的檢測報告,對于檢測結果的可靠性,數據追溯具有非常重要的作用,這樣有助于提高檢測結果的可信度,對于不銹鋼管生產廠家控制產品質量和提高在客戶心中的地位,有很好的促進作用,相應地也能通過等級的劃分提高產品的價格,帶來不小的經濟效益。

借鑒于飛速發展的數字電路及計算機技術,在現有檢測線的基礎上,我們通過增加工業控制計算機、相應的位移檢測電路,增加數字接口板,把檢測數據接收到電腦中,再在電腦中進行處理,以便實現存儲記錄、打印,以及數據管理等功能,提升了整條檢測線的檔次,滿足了客戶的需求。下面詳細介紹系統的組成和設計思想:

1為改造后的系統框圖,在系統中,增加了工控機、位置檢測、分揀信號輸出控制部分,以實現對檢測數據的處理,完善系統的功能。

工控機是這套系統改造的核心,受限于超聲探傷儀內部結構及處理能力的限制,所以利用了工控機高速處理器,大容量內存、硬盤,接口豐富的特點,也為后續的功能擴展提供了便利。

要實現對不銹鋼管檢測結果的存儲記錄,就必須將探頭相對于不銹鋼管的位置和探傷波形對應起來,這樣才能得到有效的檢測結果,所以增加位置檢測裝置時必須的。

3記錄系統各部分組成設計

要實現對檢測結果的再處理、存儲記錄,首先需要將客戶在檢測報告中需要的有用的檢測信號從超聲探傷儀采集進工控機內。其中包括多個通道(實例中為6通道)的同步信號、每通道的閘門報警信號、每個通道的波形幅度信號、聲時信號等,數據實時地采集到工控機內,然后結合不銹鋼管的位置信息,在工控機上通過軟件進行判斷、分析,將無效的信號剔除,并以帶狀圖的形式顯示出整根不銹鋼管的反射回波幅度分布,就能直觀地反映出不銹鋼管的缺陷分布情況。所以記錄系統的改造包括超聲探傷儀的改造、工控機接口電路設計、不銹鋼管位置檢測裝置、軟件控制程序這幾部分:

3.1超聲探傷儀的改造

由于實例中為數字式超聲探傷儀,內部包含了FPGA、單片機等數字信號處理單元,所以在改造過程中不需處理模擬信號,僅僅是將探傷儀內部現成的通道選通、發射觸發、閘門報警信號、信號幅度值等信號“截取”后,通過緩沖器輸出到輸出端口上,再通過屏蔽電纜傳輸到工控機處理。這樣儀器的修改比較小,而且在儀器CPU不干涉的情況下,這些信號在時間上并行地傳輸給PC機同時處理,對儀器本身的探傷沒有任何影響,保證了儀器的完整性和可靠性。另外傳輸的是數字信號,比起模擬信號來,降低了干擾的影響,工控機也不需增加AD轉換部分。

由于這些信號是從儀器內部截取出來的,所以需要根據探傷儀的生產廠家和型號來改造。

3.2位置檢測部分設計:

原來的系統中并不知道不銹鋼管的位置和速度,所以只能得到這根不銹鋼管有報警或沒報警,報警幾次的信息,而要得到詳細的檢測記錄,則需要記錄不銹鋼管每個位置檢測的情況,所以在系統改造時增加了不銹鋼管位置檢測的部分,這部分包含2種位置、位移檢測信號:一種是不銹鋼管進入和離開檢測探頭的信號,可采用接近開關或激光對射開關;另外一種信號是不銹鋼管的線速度,采用旋轉編碼器來檢測。具體實施的方案見圖2。

檢測原理:如圖2所示,光電編碼器、2個接近開關安裝在檢測線上,其中開關1、2安裝在工件進入檢測頭的前端,編碼器的位置視安裝方便確定即可。

不銹鋼管的直線前進是通過電機帶動驅動輪來實現的,編碼器通過專用的耦合器聯接到驅動輪的轉動軸上,驅動輪帶動不銹鋼管直線前進,通過其軸上連接的編碼器的計數值則可以計算出相應的不銹鋼管前進距離。接近開關1用來提示不銹鋼管準備進入檢測區,開關12用來對編碼器的計數值進行校準。假設接近開關1、2之間的距離S1,編碼器在工件通過開關1時的計數為N1,通過開關2時的計數為N2,則可計算出編碼器每個計數值對應的位移:

S0S1/(N2-N1)

設開關2與檢測頭(探頭)的距離S2,則不銹鋼管頭進入檢測區時的編碼器計數值Ns應為:

Ns=N2+S2/S0=N2+(N2-N1)*S2/S1

對應于檢測過程中編碼器的計數值Nc,即可計算出正在檢測頭位置的檢測點距離不銹鋼管頭部的距離為:

Lc=Nc-Ns/S0

這樣即可通過工件在不同位置的編碼器計數值準確計算出工件的位移量以及工件的位置,工件的前進速度快慢不會影響計算結果,驅動輪的磨損也不會對精度造成影響。位置信息的準確獲取,保證了后續帶狀圖結果顯示、打標位置的準確性。

3.3工控機硬件接口部分

工控機內需要一塊信號接口卡,將位置檢測信號及超聲缺陷相關的信號讀入,進行相關的處理,然后通過PCI總線送CPU進行相應的顯示、記錄處理。

這里采用Altera公司的cyclone3系列型號為3C25FPGA來對信號進行處理,根據儀器部分傳輸過來的通道選擇信號和觸發信號,解碼出當前工作通道,再將對應的報警、波形幅度值信號存入相應通道的數據緩沖區。同時位置檢測的開關狀態、編碼器輸入信號經過隔離、信號整形后送入FPGA,得出工件的具體位置對應的計數值。為了減少數據量,在送CPUFPGA對探傷數據按照工件的具體位置進行了壓縮,在同樣的位置,選取波形的最大峰值作為主要的檢測幅度值,這樣既得到了有效的信息,又避免大量數據的傳輸造成的CPU負擔過重。

PCI接口既可以采用專門的橋接芯片,如9054,也可以采用FPGAIP核來集成PCI接口功能,由于選用的FPGA功能強大,資源非常豐富,有現成的PCIIP核供使用,所以PCI接口部分集成在FPGA中來完成。

在板上用2個繼電器來提供分揀、打標信號。該信號由軟件根據數據處理結果來控制。由電腦控制的信號輸出可以結合位移檢測信息,計算出探頭和打標裝置的距離,使打標信號能準確打到對應的位置。

3.4工控機軟件部分

采用Visual C++編程,包括PCI接口驅動程序,探傷數據采集、處理模塊,顯示模塊,存儲模塊,報表生成打印模塊。這里最關鍵是帶狀圖的形成和顯示,所有的數據處理、存儲打印等功能都是圍繞帶狀圖來展開的。帶狀圖如圖3所示。

其中橫坐標代表不銹鋼管的長度方向位置,縱坐標代表的是對應不銹鋼管的位置上A、B閘門內波形幅度的最大值,通過這樣的帶狀圖顯示,能一目了然看清楚整個不銹鋼管的回波信號情況,也就是反映了不銹鋼管的缺陷分布情況,不僅對不銹鋼管超標的報警信號能及時處理,也能看到未超標缺陷信號的分布及趨勢情況。每根不銹鋼管分別用一個文件來存儲該不銹鋼管的帶狀圖,有助于對檢測數據庫的存檔、管理。通過圖形顯示,在檢測完成后,工人能直觀地看到不銹鋼管的檢測結果,不再需要像以前那樣時刻緊張地聽報警聲,看報警燈來進行判斷。既直觀又準確,大大降低了工人的勞動強度。

4結語

系統的改造使得不銹鋼管超聲自動探傷系統能顯示非常直觀的帶狀圖,并能當場顯示、打印,也能長期存儲、回放,為質量控制和管理提供了有力的基礎,使得檢測結果有據可尋,在實際安裝使用的幾套系統的使用中,得到了客戶的認可。同時工作強度的降低,也受到了操作者的歡迎。以國產設備的項目改造價格,達到了進口設備的功能。

文中的設備改造思路,不僅局限于不銹鋼管超聲自動檢測設備,對于工業控制場合中,設備數據的采集、聯網管理等應用,都有一定的參考作用。