钢管超声联探 [钢管超声自动检测记录系统的实现]

　　摘要:以工控机为主控核心,通过增加位移检测及速度校准装置,实现了对钢管超声自动检测系统的改造。带状图的显示、存储、打印使得检测结果变得非常直观,提升了系统的档次。FPGA的使用,完成了信号处理、PCI接口等功能,集成度高,速度快,功耗低,降低了CPU的负担。
　　关键词:钢管超声检测 带状图 FPGA 存储记录 速度校准
　　
　　引言
　　超声波检测作为一种有效的无损检测方法,在钢管生产中起到了越来越重要的作用,成为质量控制的重要检测手段。目前大多数钢管生产厂家都配备有相应的检测流水线,随着与国际的接轨,出口量的不断增加,钢管用户对钢管质量的检测控制要求也越来越高,不仅要求实现实时检测,更希望能对检测记录进行存储、打印、检索,实现质量控制的追溯。
　　本文介绍了如何利用日益发展的数字计算机技术对旧有的钢管检测线进行改造,对检测数据进行智能化处理,过滤掉一些无用的信号,并通过带状图显示的方式,使得检测结果非常直观,大大降低了工人的劳动强度,减轻了工作负担。同时实现了对检测结果的实时存储、记录,及打印检测报告,能将检测结果及时反馈给生产,并通过数据库的检索、调用追溯历史数据,为产品质量控制提供了有力的保障。
　　
　　1 钢管超声自动检测线的介绍
　　一条超声检测流水线,一般包括钢管上料、传动、检测设备、下料、分检机构等,检测设备是该检测线的核心部分,包括超声探伤仪、探头、控制台、检测头(安装探头的机械装置、根据检测方式有的则包括水槽)、机电控制部分等。
　　检测头根据钢管的检测方式来确定,一般钢管的检测分为2种检测方式:探头不动,钢管螺旋前进,这种方式的检测头需要提供一个水槽,探头浸在水中。另一种是钢管不旋转直线前进,而探头分布在钢管圆周上,探头旋转对钢管进行全覆盖扫查,这种方式需要一个旋转头固定各个探头,并通过电刷或电容耦合方式将探头信号传回仪器处理。
　　钢管前进、后退、探头旋转速度的控制,以及强电的供给等,一般需要有包括PLC的控制台(柜)来实现。
　　检测设备的核心是超声探伤仪和探头,为了保证探伤覆盖率和探伤检测速度,一般采用多个探头和多通道的超声探伤仪,目前钢管探伤设备中多用6通道的探伤仪。超声探伤仪通过触发信号使探头发射超声波,并接收反射回来的超声波信号进行判断,如果有缺陷则进行声光报警。
　　检测前首先需按刻好人工伤的样管进行调试,设定好仪器的灵敏度等参数,在实际工件检测过程中,主要通过人工来监视仪器上的回波信号,更主要是依靠仪器的声光报警信号来判断管子的质量,由于是多个探头同时工作,要同时监视这些波形很难,且没有数据的记录存储,所以检测结果受人为因素影响较大,且没有相应的检测报告,检测结果的可信度得不到客户的认可,也无法对钢管的质量检测进行追溯。
　　
　　2 存储记录系统的方案设计
　　根据以上叙述,实现检测数据的存储记录,形成有效的检测报告,对于检测结果的可靠性,数据追溯具有非常重要的作用,这样有助于提高检测结果的可信度,对于钢管生产厂家控制产品质量和提高在客户心中的地位,有很好的促进作用,相应地也能通过等级的划分提高产品的价格,带来不小的经济效益。
　　借鉴于飞速发展的数字电路及计算机技术,在现有检测线的基础上,我们通过增加工业控制计算机、相应的位移检测电路,增加数字接口板,把检测数据接收到电脑中,再在电脑中进行处理,以便实现存储记录、打印,以及数据管理等功能,提升了整条检测线的档次,满足了客户的需求。下面详细介绍系统的组成和设计思想:
　　图1为改造后的系统框图,在系统中,增加了工控机、位置检测、分拣信号输出控制部分,以实现对检测数据的处理,完善系统的功能。
　　工控机是这套系统改造的核心,受限于超声探伤仪内部结构及处理能力的限制,所以利用了工控机高速处理器,大容量内存、硬盘,接口丰富的特点,也为后续的功能扩展提供了便利。
　　要实现对钢管检测结果的存储记录,就必须将探头相对于钢管的位置和探伤波形对应起来,这样才能得到有效的检测结果,所以增加位置检测装置时必须的。
　　
　　3 记录系统各部分组成设计
　　要实现对检测结果的再处理、存储记录,首先需要将客户在检测报告中需要的有用的检测信号从超声探伤仪采集进工控机内。其中包括多个通道(实例中为6通道)的同步信号、每通道的闸门报警信号、每个通道的波形幅度信号、声时信号等,数据实时地采集到工控机内,然后结合钢管的位置信息,在工控机上通过软件进行判断、分析,将无效的信号剔除,并以带状图的形式显示出整根钢管的反射回波幅度分布,就能直观地反映出钢管的缺陷分布情况。所以记录系统的改造包括超声探伤仪的改造、工控机接口电路设计、钢管位置检测装置、软件控制程序这几部分:
　　3.1 超声探伤仪的改造
　　由于实例中为数字式超声探伤仪,内部包含了FPGA、单片机等数字信号处理单元,所以在改造过程中不需处理模拟信号,仅仅是将探伤仪内部现成的通道选通、发射触发、闸门报警信号、信号幅度值等信号“截取”后,通过缓冲器输出到输出端口上,再通过屏蔽电缆传输到工控机处理。这样仪器的修改比较小,而且在仪器CPU不干涉的情况下,这些信号在时间上并行地传输给PC机同时处理,对仪器本身的探伤没有任何影响,保证了仪器的完整性和可靠性。另外传输的是数字信号,比起模拟信号来,降低了干扰的影响,工控机也不需增加AD转换部分。
　　由于这些信号是从仪器内部截取出来的,所以需要根据探伤仪的生产厂家和型号来改造。
　　3.2位置检测部分设计:
　　原来的系统中并不知道钢管的位置和速度,所以只能得到这根钢管有报警或没报警,报警几次的信息,而要得到详细的检测记录,则需要记录钢管每个位置检测的情况,所以在系统改造时增加了钢管位置检测的部分,这部分包含2种位置、位移检测信号:一种是钢管进入和离开检测探头的信号,可采用接近开关或激光对射开关;另外一种信号是钢管的线速度,采用旋转编码器来检测。具体实施的方案见图2。
　　检测原理:如图2所示,光电编码器、2个接近开关安装在检测线上,其中开关1、2安装在工件进入检测头的前端,编码器的位置视安装方便确定即可。
　　钢管的直线前进是通过电机带动驱动轮来实现的,编码器通过专用的耦合器联接到驱动轮的转动轴上,驱动轮带动钢管直线前进,通过其轴上连接的编码器的计数值则可以计算出相应的钢管前进距离。
　　接近开关1用来提示钢管准备进入检测区,开关1和2用来对编码器的计数值进行校准。假设接近开关1、2之间的距离S1,编码器在工件通过开关1时的计数为N1,通过开关2时的计数为N2,则可计算出编码器每个计数值对应的位移:
　　S0=S1/(N2-N1)
　　设开关2与检测头(探头)的距离S2,则钢管头进入检测区时的编码器计数值Ns应为:
　　Ns = N2 + S2/S0 = N2 + (N2 � N1)*S2 / S1
　　对应于检测过程中编码器的计数值Nc,即可计算出正在检测头位置的检测点距离钢管头部的距离为:
　　Lc = (Nc � Ns)/ S0
　　这样即可通过工件在不同位置的编码器计数值准确计算出工件的位移量以及工件的位置,工件的前进速度快慢不会影响计算结果,驱动轮的磨损也不会对精度造成影响。位置信息的准确获取,保证了后续带状图结果显示、打标位置的准确性。
　　3.3 工控机硬件接口部分
　　工控机内需要一块信号接口卡,将位置检测信号及超声缺陷相关的信号读入,进行相关的处理,然后通过PCI总线送CPU进行相应的显示、记录处理。
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　　PCI接口既可以采用专门的桥接芯片,如9054,也可以采用FPGA的IP核来集成PCI接口功能,由于选用的FPGA功能强大,资源非常丰富,有现成的PCI的IP核供使用,所以PCI接口部分集成在FPGA中来完成。
　　在板上用2个继电器来提供分拣、打标信号。该信号由软件根据数据处理结果来控制。由电脑控制的信号输出可以结合位移检测信息,计算出探头和打标装置的距离,使打标信号能准确打到对应的位置。
　　3.4 工控机软件部分
　　采用 Visual C++编程,包括PCI接口驱动程序,探伤数据采集、处理模块,显示模块,存储模块,报表生成打印模块。这里最关键是带状图的形成和显示,所有的数据处理、存储打印等功能都是围绕带状图来展开的。带状图如图3所示。
　　其中横坐标代表钢管的长度方向位置,纵坐标代表的是对应钢管的位置上A、B闸门内波形幅度的最大值,通过这样的带状图显示,能一目了然看清楚整个钢管的回波信号情况,也就是反映了钢管的缺陷分布情况,不仅对钢管超标的报警信号能及时处理,也能看到未超标缺陷信号的分布及趋势情况。每根钢管分别用一个文件来存储该钢管的带状图,有助于对检测数据库的存档、管理。通过图形显示,在检测完成后,工人能直观地看到钢管的检测结果,不再需要像以前那样时刻紧张地听报警声,看报警灯来进行判断。既直观又准确,大大降低了工人的劳动强度。
　　
　　4 结语
　　系统的改造使得钢管超声自动探伤系统能显示非常直观的带状图,并能当场显示、打印, 也能长期存储、回放,为质量控制和管理提供了有力的基础,使得检测结果有据可寻,在实际安装使用的几套系统的使用中,得到了客户的认可。同时工作强度的降低,也受到了操作者的欢迎。以国产设备的项目改造价格,达到了进口设备的功能。
　　文中的设备改造思路,不仅局限于钢管超声自动检测设备,对于工业控制场合中,设备数据的采集、联网管理等应用,都有一定的参考作用。
　　
　　参考文献
　　[1] 夏纪真.《工业超声波无损检测技术》.广东科技出版社.
　　[2] 任爱锋等.《基于FPGA的嵌入式系统设计》.西安电子科技大学出版社.
　　[3] cyclone iii 数据手册,Altera公司.
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