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浅谈分体式电磁流量计设备自动化研究
来源： 发布日期：2020-01-15 16:16:20 作者：
摘要 ：分体式电磁流量计设备作为城镇燃气管道作业的常用设备，自设备技术成熟以来该项技术十几年未有明显发展。由于传统设备缺乏自动化控制，作业人员需要在整个作业过程中值守在设备旁避免出现异常情况。对于作业人员的劳动力存在大量的消耗。同时设备状况的体现并不直观，操作人员需要具备足够的认识和经验，在作业过程中高度集中注意力，才能有效的判断设备情况。本研究主要通过对分体式电磁流量计设备自动化的功能梳理，通过对现有设备的改造，实现分体式电磁流量计设备的自动化。
1 研究背景
带压开孔作业是一项燃气管道维修中常用的技术。带气开孔作业的过程中对于作业人员的依赖性很大。可以说，在作业过程中一刻也不能离开作业人员的关注，否则可能造成设备的损坏更有甚者可能造成安全事故的发生。
现有的带压开孔作业装备存在以下 2 个方面的典型问题 ：
（1）带压开孔作业工作繁重，给现场作业人员造成较大强度负担。
（2）现有开孔装备及液压系统技术多年无更新，有必要实现装备系统的数控化。
2 分体式电磁流量计设备介绍
带压开孔设备的工作原理，是通过给筒刀施加一个垂直管道表面的指向管道中心向下移动的力，同时施加使筒刀旋转的力矩通过筒刀上的刀齿对管道表面管材进行机械切割，直至将管道上的鞍形部分完全切除。开孔过程中，作业人员对于开孔设备工作运行状况的掌握主要通过观察液压站上压力表的读数以及通过开孔机筒刀切割过程中发出的声音辅助判断的方式。本课题的核心目的是探讨如何通过自动化改造的方式，实现对于开孔过程中设备的控制，使得设备可以通过控制器和自控元器件进行功率自动调整、异常报警以及开孔过程进程反馈等功能。
目前市面上常见的开孔机的结构如图 1 所示，主要由 8 个部分组成。
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3 自动化改造方案设想
3.1 设备改造计划
为了实现液压设备的自动化的目的，需要采集开孔机上的相关数据。
开孔机上数据采集的目的主要是监测筒刀的作业速度以及设备开孔的下行位移。为了实现数据采集的目的，需要对于给进箱中的齿轮转速和齿轮累计旋转圈数以及目前给进手柄所处档位进行监测采集。
通过在四方头或计转器位置安装编码器，可是实现对于齿轮转速和旋转圈数的监测。编码器的工作原理是编码器每旋转一圈的型号划分为若干个脉冲型号传送给控制器控制器通过累加脉冲数来计算编码器总旋转的圈数。通过控制器采集的单位时间内的脉冲数量可以计算出筒刀的转速。对所处档位进行判断可以通过在给进手柄上增加传感器改造的方式实现，在不同档位位置上安装接近开关，当旋转到档位时接近开关生效时控制器判断档位。结合档位判断和旋转圈数的脉冲，可以获取筒刀的真实位移情况。
液压设备的自动化改造的目的主要为了实现 3 个功能 ：第一个功能是实现自动对液压站的外输数量进行调整 ；第二个功能是实现对于设备启停的控制 ；第三个功能是对于液压输送方向的调整。为了实现上述功能，对于液压站的改造 ：1）将液压设备电机上的手动柱塞泵改造为电动柱塞泵 ；2）采用数字压力表替代目前的机械压力表 ；3）增加数字流量计。
整套设备的自动化控制、操作以及监测信号的分析、处理、反馈可以通过可编程逻辑控制器进行处理和控制。
3.2 设备改造功能及方案
经过前文提到的改造后，基本可以实现对于分体式电磁流量计设备开孔过程的自动化控制，主要实现的功能包括 ：①实现三位四通换向阀的电控调节 ；②实现对于筒刀转速控制的自动调节 ；③现对于液压输出压力和输量的自动调节 ；④作业行程的监控。
（1）三位四通换向阀的电控调节。对于三位四通换向阀的控制，目前采用的是通过改用三位四通电磁阀的方式结合可编程逻辑控制器来实现对于三位四通电磁阀的控制功能。
（2）筒刀转速状态控制的自动调节。筒刀的转速控制的自动调节是通过对于筒刀的转速监测及控制液压站的输出压力和输量来完成的。通过安装在四方头或计转器位置的编码器单位时间内输出脉冲信号的数量可以获得单位时间内旋转角度从而推算出筒刀转速在开孔过程中，筒刀应保持在一个理想转速下，调整转速是通过改变液压的输出压力进行调节的。液压设备的输出压力和输出流量的监测通过液压站上安装的电子压力表以及电子流量计完成。采用的电机为恒定功率的电机，采用自动调节柱塞泵输量的方式进行输出功率调节。
（3）作业行程的监控。
作业行程的监控是通过档位监测和旋转监测（编码器）共同完成监测将数据反馈至控制器进行逻辑运算，根据运算结果对液压设备上的控制元件发出控制指令。在手动给进和自动给进的档位下的位移距离虽然不同，但是在同一档位下的位移距离却是固定的，并且编码器旋转一圈发出的脉冲信号数量也是固定的，比如编码器一圈 100 个信号，那么控制器接收到正转 50 个信号可以判断为正转了半圈，手动和给进档位下每转一圈筒刀的位移是固定的，因此通过累计不同档位下的正负脉冲信号即可推算出筒刀（丝杠）升降的相对位移。同时完成旁路开孔和切线作业需要的相对位移距离可以通过公式计算。
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式中，D0—母管外径 ；D—母管内径 ；DC—盘刀齿外径。
（4）异常状态的监测及报警。
开孔机工作异常主要情况是卡刀，在这种状态下筒刀停止不转并且液压站输出压力会升高。对于卡刀的判断逻辑比较容易理解，在设备处于给进档位、液压设备未停机、尚未达到完成开孔所需位移三个条件下，若监测给进箱齿轮旋转信息的编码器为反馈脉冲信号，可以判断为开孔筒刀无法正常旋转，可以认定为筒刀无法继续正常切割，出现了卡刀的异常情况。在判断出异常情况时，需要根据判断结果由控制器逻辑判断是否需要进行设备停机，同时也需要对作业人员进行报警提示异常情况以便作业人员对异常情况进行排除。
4 结语
通过对现有分体式电磁流量计设备的开孔机部分和液压站部分实施重新设计改造。通过对开孔设备结构的认识、对于实际开孔过程及过程中涉及参数数据的了解、对于液压设备的局限性及改造可能性的研究等。必须结合实际的工作情况发现现在存在的问题，并提出符合实际情况的解决方案。通过将资料和经验相结合，实现数据的自动监测、反馈，数据的处理、分析，根据处理结果执行合适的操作，保障操作的可实施性。
目前没有针对燃气管道分体式电磁流量计设备的自动化改进，而对于此类的功能存在实际的工作需求，能够有效的降低对现场工作人员的依赖性，同时缓解了对于现场作业人员的体力和精力的消耗，实现减员增效，保障运行安全的目标。
1 研究背景
带压开孔作业是一项燃气管道维修中常用的技术。带气开孔作业的过程中对于作业人员的依赖性很大。可以说，在作业过程中一刻也不能离开作业人员的关注，否则可能造成设备的损坏更有甚者可能造成安全事故的发生。
现有的带压开孔作业装备存在以下 2 个方面的典型问题 ：
（1）带压开孔作业工作繁重，给现场作业人员造成较大强度负担。
（2）现有开孔装备及液压系统技术多年无更新，有必要实现装备系统的数控化。
2 分体式电磁流量计设备介绍
带压开孔设备的工作原理，是通过给筒刀施加一个垂直管道表面的指向管道中心向下移动的力，同时施加使筒刀旋转的力矩通过筒刀上的刀齿对管道表面管材进行机械切割，直至将管道上的鞍形部分完全切除。开孔过程中，作业人员对于开孔设备工作运行状况的掌握主要通过观察液压站上压力表的读数以及通过开孔机筒刀切割过程中发出的声音辅助判断的方式。本课题的核心目的是探讨如何通过自动化改造的方式，实现对于开孔过程中设备的控制，使得设备可以通过控制器和自控元器件进行功率自动调整、异常报警以及开孔过程进程反馈等功能。
目前市面上常见的开孔机的结构如图 1 所示，主要由 8 个部分组成。
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3 自动化改造方案设想
3.1 设备改造计划
为了实现液压设备的自动化的目的，需要采集开孔机上的相关数据。
开孔机上数据采集的目的主要是监测筒刀的作业速度以及设备开孔的下行位移。为了实现数据采集的目的，需要对于给进箱中的齿轮转速和齿轮累计旋转圈数以及目前给进手柄所处档位进行监测采集。
通过在四方头或计转器位置安装编码器，可是实现对于齿轮转速和旋转圈数的监测。编码器的工作原理是编码器每旋转一圈的型号划分为若干个脉冲型号传送给控制器控制器通过累加脉冲数来计算编码器总旋转的圈数。通过控制器采集的单位时间内的脉冲数量可以计算出筒刀的转速。对所处档位进行判断可以通过在给进手柄上增加传感器改造的方式实现，在不同档位位置上安装接近开关，当旋转到档位时接近开关生效时控制器判断档位。结合档位判断和旋转圈数的脉冲，可以获取筒刀的真实位移情况。
液压设备的自动化改造的目的主要为了实现 3 个功能 ：第一个功能是实现自动对液压站的外输数量进行调整 ；第二个功能是实现对于设备启停的控制 ；第三个功能是对于液压输送方向的调整。为了实现上述功能，对于液压站的改造 ：1）将液压设备电机上的手动柱塞泵改造为电动柱塞泵 ；2）采用数字压力表替代目前的机械压力表 ；3）增加数字流量计。
整套设备的自动化控制、操作以及监测信号的分析、处理、反馈可以通过可编程逻辑控制器进行处理和控制。
3.2 设备改造功能及方案
经过前文提到的改造后，基本可以实现对于分体式电磁流量计设备开孔过程的自动化控制，主要实现的功能包括 ：①实现三位四通换向阀的电控调节 ；②实现对于筒刀转速控制的自动调节 ；③现对于液压输出压力和输量的自动调节 ；④作业行程的监控。
（1）三位四通换向阀的电控调节。对于三位四通换向阀的控制，目前采用的是通过改用三位四通电磁阀的方式结合可编程逻辑控制器来实现对于三位四通电磁阀的控制功能。
（2）筒刀转速状态控制的自动调节。筒刀的转速控制的自动调节是通过对于筒刀的转速监测及控制液压站的输出压力和输量来完成的。通过安装在四方头或计转器位置的编码器单位时间内输出脉冲信号的数量可以获得单位时间内旋转角度从而推算出筒刀转速在开孔过程中，筒刀应保持在一个理想转速下，调整转速是通过改变液压的输出压力进行调节的。液压设备的输出压力和输出流量的监测通过液压站上安装的电子压力表以及电子流量计完成。采用的电机为恒定功率的电机，采用自动调节柱塞泵输量的方式进行输出功率调节。
（3）作业行程的监控。
作业行程的监控是通过档位监测和旋转监测（编码器）共同完成监测将数据反馈至控制器进行逻辑运算，根据运算结果对液压设备上的控制元件发出控制指令。在手动给进和自动给进的档位下的位移距离虽然不同，但是在同一档位下的位移距离却是固定的，并且编码器旋转一圈发出的脉冲信号数量也是固定的，比如编码器一圈 100 个信号，那么控制器接收到正转 50 个信号可以判断为正转了半圈，手动和给进档位下每转一圈筒刀的位移是固定的，因此通过累计不同档位下的正负脉冲信号即可推算出筒刀（丝杠）升降的相对位移。同时完成旁路开孔和切线作业需要的相对位移距离可以通过公式计算。
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式中，D0—母管外径 ；D—母管内径 ；DC—盘刀齿外径。
（4）异常状态的监测及报警。
开孔机工作异常主要情况是卡刀，在这种状态下筒刀停止不转并且液压站输出压力会升高。对于卡刀的判断逻辑比较容易理解，在设备处于给进档位、液压设备未停机、尚未达到完成开孔所需位移三个条件下，若监测给进箱齿轮旋转信息的编码器为反馈脉冲信号，可以判断为开孔筒刀无法正常旋转，可以认定为筒刀无法继续正常切割，出现了卡刀的异常情况。在判断出异常情况时，需要根据判断结果由控制器逻辑判断是否需要进行设备停机，同时也需要对作业人员进行报警提示异常情况以便作业人员对异常情况进行排除。
4 结语
通过对现有分体式电磁流量计设备的开孔机部分和液压站部分实施重新设计改造。通过对开孔设备结构的认识、对于实际开孔过程及过程中涉及参数数据的了解、对于液压设备的局限性及改造可能性的研究等。必须结合实际的工作情况发现现在存在的问题，并提出符合实际情况的解决方案。通过将资料和经验相结合，实现数据的自动监测、反馈，数据的处理、分析，根据处理结果执行合适的操作，保障操作的可实施性。
目前没有针对燃气管道分体式电磁流量计设备的自动化改进，而对于此类的功能存在实际的工作需求，能够有效的降低对现场工作人员的依赖性，同时缓解了对于现场作业人员的体力和精力的消耗，实现减员增效，保障运行安全的目标。
