熱鍍鋅鍋壁板檢測系統的研究與開發*

劉雙源，王玉增，韓婧茹，李廣亞

(濟南大學機械工程學院，濟南 250022)

0 前言

金屬熱浸鍍鋅技術一直是防止金屬在自然環境中腐蝕的最經濟有效的方法。傳統的熱浸鍍鋅鋅鍋是用鋼鐵焊接而成，在熱鍍溫度下由于對熔融鋅的耐侵蝕性很差，壁板和液態鋅不斷生成鋅鐵渣，使壁板很快減薄、變形甚至穿孔，導致鋅鍋報廢和鋅液泄漏，造成大量鋅耗和能耗［1］。因而，對鋅鍋內壁腐蝕程度進行檢測尤為關鍵。

目前，對鋅鍋壁厚腐蝕程度檢測并沒有相應的專業設備，基本上是采用人工檢測的方法：一是，工人用折彎的鐵絲對鋅鍋進行鉤觸，憑借經驗斷定鋅鍋壁厚的腐蝕程度;二是，排空鋅鍋中的鋅溶液，直觀的測量內壁腐蝕程度，決定是否更換鍍鋅鍋。顯然，人工檢測的方法，既笨拙又沒有精度可言，不僅大大增加的企業的成本，更是有鋅溶液泄露的可能，不利于安全生產［2］。

針對上述問題，本項目設計了一套專業用于熱鍍鋅鍋壁板的檢測系統，可以精確的對鋅鍋的整個壁面進行檢測，不需要再將鋅液排空。測量過程中系統只需將特殊材質制造的多排機械探針浸入鋅鍋中，通過測量各觸頭位移量，即可計算出鋅鍋內壁一系列點的腐蝕深度，同時測量數據通過串口通信傳輸至上位機，經與系統相配的上位機程序分析處理后輸出鋅鍋內壁腐蝕后的形貌［3］，并自動標注腐蝕孔深度超過設定值的凹孔的坐標位置和深度，從而為熱鍍鋅生產線是否需要進行鋅鍋修補或更換提供依據。

1 檢測系統體系結構

1.1 系統框架

基于串口通訊的熱鍍鋅鍋壁板檢測系統主要由五部分構成，分別是：X向系統、Y向系統、Z向系統、控制系統和數據處理系統。其中，X向系統、Y向系統、Z向系統主要負責控制設備運動，控制系統主要負責接受數據和發送指令，數據處理系統主要負責處理檢測到的腐蝕數據，系統的功能模塊如圖1所示。

圖1 系統功能模塊圖

1.2 系統控制流程

系統開始工作之前，設備需要初始定位，X向系統移動到測量起點，Y向系統移動到最上方，Z向系統使探桿處于抬起位置。然后上位機通過串口通信發送控制指令給PLC，PLC根據接收到的指令分別控制X、Y向系統運動，使探桿到達指定位置后，做Z向運動，使探桿壓下，然后由探桿相連的直線位移傳感器檢測出探針點的壁板腐蝕深度，經由PLC附帶的AD轉換模塊，將位移數值存儲PLC相應的寄存器中，再通過串口通訊將數據傳遞到上位機的數據處理系統處理，最終生成鋅鍋內壁腐蝕曲面形貌圖，輸出腐蝕情況分析報告，并存儲到數據庫［4］。其中行程開關起著保護控制系統的作用：行程開關處于常開狀態，一旦X、Y、Z向移動超過量程，行程開關閉合，PLC接收到傳來的信號，立即停止X、Y、Z向運動，從而保護整個設備。整個控制流程如圖2所示。

圖2 控制流程圖

1.3 系統控制流程

系統具體測量流程如圖3所示。

圖3 測量流程圖

2 檢測系統的實現

基于串口通訊的熱鍍鋅鍋壁板檢測系統的程序是在Win7操作系統下開發完成，上位機C++程序采用Microsoft Visual Studio 2010 編寫［5-6］，PLC 程序使用WPLSoft軟件編寫［7-8］。

2.1 上位機與PLC通信實現

上位機與PLC之間的串口通訊［6-7］是檢測系統得以實現的基礎，通過這種方式實現測量的數據實時的傳遞到上位機數據處理系統中。臺達PLC所有通訊口都遵循Modbus通訊協議，出廠默認的通訊格式為“9600，7，E，1”、ASCII模式。波特率為9600，數據長度為7 位，數據校驗方式為偶校驗，結束字元長度為1位。當通訊時由上位計算機發送數據請求給PLC，PLC響應數據請求，發送或寫入相對應的數據，完成數據交互。

2.2 控制程序的實現

測量系統的控制程序的可靠性和穩定性對整個測量過程中起著非常重要的作用。控制程序分為兩個部分：上位機部分和PLC部分。

其中，上位機部分的功能包括：

(1)與PLC進行通訊;

(2)控制電機步進運動;

(3)控制檢測鍍鋅鍋壁板進程;

(4)統計當前腐蝕程度信息;

(5)顯示當前測量鍍鋅鍋壁板仿真曲面。

PLC部分主要功能：

(1)與上位機進行通訊;

(2)發送脈沖信號給伺服控制器;

(3)接受傳感器傳來的AD信號。

上位機程序與PLC程序之間協同工作是按照“指令發送——確認執行“的方式運行。上位機程序發送運動指令給PLC并檢測PLC是否令設備運動是否到位;PLC與上位機數據傳輸采用LRC驗證，確保數據能夠正確傳輸。另外，PLC程序編寫采用SFC步進梯形圖，能夠根據接收到的上位機不同的指令，執行對應的步進點，進而控制電機運動，設備運行快速平穩。

2.3 測量數據分析校準

對采集到的數據進行校準是檢測系統的關鍵環節。由于檢測設備采集到的原始數據點云不可避免的存在誤差，不僅僅包含設備本身精度的誤差，另外還有安裝誤差以及其他誤差，因此必須得對數據進行分析校準。

根據對大量報廢的熱鍍鋅鍋壁板的分析總結，發現熱鍍鋅壁板的腐蝕情況基本為點蝕腐蝕，即壁板面大部分腐蝕情況較輕，或基本上沒有腐蝕，利用這一特點，采用最小二乘的方法對測量數據點云構建了統一的基準面，經過適當的矩陣變換，得到一張尚未腐蝕的原始壁板，被檢測壁板的所有點云數據將在此壁板上取相對值。

3 結果分析

為驗證檢測系統的穩定性及精確度，將檢測系統測量長12m，深2m的熱鍍鋅鍋，測量點間距設為20mm，共測量48300個點，相鄰點的測量間隔為1.5s，全部測量時間為2小時左右。 測量過程中，測量系統可以根據測量點，實時的將熱鍍鋅壁板腐蝕形貌曲面重建，便于直觀的觀察測量進度和壁板的腐蝕情況，如圖4所示。此外檢測系統還可以動態的統計當前測量區域和全部區域的腐蝕深度，便于定量的得出當前壁板的剩余使用壽命，如圖5所示。

圖4 熱鍍鋅壁板腐蝕形貌圖形

圖5 腐蝕深度統計

從檢測系統運行結果中，我們可以發現，使用本系統檢測熱鍍鋅壁板腐蝕情況，可以快速精確的檢測到真實的腐蝕狀況，從而為企業合理安全安排生產計劃，提供有力的保障。

4 結束語

本文針對國內在熱鍍鋅檢測領域的空白，設計并實現了一種熱鍍鋅鍋壁板腐蝕情況的檢測系統，系統基于串口通信的便捷性和實時性，和PLC控制伺服電機的準確性，達到了對熱鍍鋅壁板腐蝕情況檢測的目的。實驗證明該系統具有安全穩定的功能和良好的應用前景。

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