0.引言
石油鉆桿內涂層是河北青縣華油一機圖博涂層有限公司的主營業務。公司有一套粉末噴涂設備，在操作上和控制上都存在不足之處，主要原因是粉末設備不能精確控制停噴，往往將涂料噴到管體以外，造成涂料浪費和環境污染。因為涂料依靠進口，價格昂貴，并對環境有一定污染，公司欲對粉末噴涂設備光電開關傳感器進行改造，以降本增效，降低污染。
1.原因分析
粉末涂料的噴涂程序一般如下：噴槍從鉆桿母端進入，廢料收集小車向左運行至設定距離，用于收集多余的粉末涂料，噴槍前進至伸出公端外，鉆桿勻速旋轉，噴粉頭開始噴粉，并由公端向母端倒退，將粉末涂料噴至高溫的鉆桿管體內壁，當噴槍退出母端后，涂料停止噴涂，一個循環結束。整個過程由繼電器-接觸器系統控制，該操作對鉆桿的擺放位置的準確度要求很高。其中，廢料收集小車的作用就是收集噴到鉆桿外的多余粉末涂料，但涂料不能回收利用，只得廢棄。圖1為粉末噴涂示意圖。這套噴涂設備在實際的使用過程中，停粉操作是靠手動來實現的。鉆桿的定位要求在噴涂前必須按照基準線對正。粉末噴槍在噴涂完成后手動停粉，由于人為控制誤差，停粉不能準確控制;或者，操作人員為防止漏涂，往往推遲停粉時間，將涂料噴出鉆桿外，造成浪費。而且，多余的涂料也會附著在鉆桿的外表面，必須清理，增加了工作量。所以在實際的生產中，設備的自動化功能沒有完全實現。此外，粉末涂料顆粒會散布到環境中，造成安全和健康隱患。
2.改造要求
針對粉末噴涂存在的問題，決定對粉末噴涂控制系統進行改造。預期目標：要求盡量以較低的投入對系統進行改造，減少粉末涂料的浪費，降低勞動強度，達到降本、增效和減排的目的。技術要求：系統能自動識別鉆桿母端從而精確停粉，要求停粉位置可根據生產實際任意調節。系統改造的關鍵就是識別控制系統。由于噴槍通體均為合金鋼材質，故不能采用接近開關，因為接近開關用來區分金屬體和非金屬體，而不能區分金屬體的某一部位，所以選用光電開關作為識別控制系統較為合適。通常做法是采用色標光電開關，但色帶難以在高溫環境中工作，價格上也比普通光電開關高。于是決定選用普通的漫反射光電開關來實現色標光電開關的功能。普通的光電開關一般用來檢測物體的有無，而該設備在工作時噴槍始終處在光電開關的檢測范圍內，無法區分鉆桿不同部位。為此，可在噴槍桿上加裝便于普通光電開關識別的耐高溫標識物，這樣，采用普通漫反射光電開關完成改造任務是可行的，而且還降低成本，采購便捷。
3.漫反射光電開關介紹
漫反射光電開關是一種非接觸無損傷的檢測電子開關，廣泛應用于自動、半自動控制系統中作定位換向、距離控制、轉速測試等。因具有壽命長、精度高、速度快、抗干擾性好等優點，而應用廣泛。漫反射光電開關的檢測頭里裝有一個發光器和一個接收器，由調制脈沖發生器產生調制脈沖，再由紅外發射管發射出被調制的紅外脈沖。由于沒有反光板，當被檢物體進入設定的范圍時，紅外脈沖被檢測物體反射，部分被反射的紅外脈沖被接收管接收，經放大解調后去觸發驅動器。分析漫反射光電開關的工作原理可知，被檢測物體表面反射率對光電開關的動作起著關鍵的作用。但是其一般用來檢測物體是否存在。如果物體不同部位對紅外線的反射率不同，漫反射光電開關是可以識別的，于是，在一定條件下可替代色標傳感器，但要保證顏色反差很大。利用這種特性，可以考慮在噴槍上做一個耐高溫的標識物，其反射率與此物體的反射率有很大的差別。這樣，漫反射光電開關可以替代色標光電開關滿足改造要求。
4.實施改造
結合生產實際，由于噴槍本體為鋼制材料，表面光亮，反射率高，根據設定噴槍停粉的位置，在噴槍上做一個反射率較噴槍其他位置低的表面(標識面)，便于光電開關識別。具體做法是：用耐高溫的黑漆涂于標記面，這個標記面的反射率比其他的表面低很多，因此，當這個標記面經過光電開關時，由于光電開關接收到的反射紅外光不足，不足以使其識別到噴槍，這時光電開關認為物體不存在，發出控制信號，從而控制電磁閥停粉。工作原理如圖2。在廢料收集小車的兩端加裝了兩個普通的漫反射光電開關(光眼1和光眼2)，它們固定在小車上并與小車同步行進。開始噴槍從鉆桿母端進入，廢料收集小車向左運行，一旦光眼1識別到鉆桿母端(母端表面足以被光眼1識別)，便發出信號讓小車制動，噴槍前進至伸出公端后，噴粉頭開始噴粉，并由公端向母端倒退，將粉末涂料噴至鉆桿管體內壁進行噴涂作業，當噴槍退至母端規定停粉位置時，預先在噴槍上做的標記面行進到光眼2的位置，光眼2發出信號停止噴涂，一個循環結束。圖3為固定在收集小車上的光眼2對粉末噴槍的監控。
5.改造效果
系統改造后，對110根鉆桿涂層跟蹤試驗，光眼識別成功率達100%。系統可實現自動識別，自動定位，對于鉆桿的擺放位置要求不再苛刻，即無需在噴涂操作前比對標準線來對鉆桿定位;同時，可以在工藝要求的位置精確停粉，既降低了操作者的勞動強度，又減少了涂料浪費，同時又減少了環境污染。粉末噴涂系統實施改造后統計的生產數據說明，漫反射光電開關的應用，可節約成本，減少污染。①根據每消耗1箱粉末涂料涂敷5#鉆桿的根數(每箱涂料凈質量25kg)，對系統改造前后的統計，如表1所示。
②2006年，本公司粉末涂層產品的產量折合成5#鉆桿的涂層為8萬m，5#鉆桿的標準長度為9.65m，粉末涂料單價為200元/kg，再結合表1估算年節約涂料成本量如式(1)所示。
80000÷9165×0.0305×200=5萬元。式(1)
由漫反射光電開關對粉末噴涂系統的改造可知，在連續的被測物體上制作反射率與此物體反射率有較大的差距的標識，可以起到識別物體不同部位的作用，尤其是在某些惡劣環境下，色標傳感器不能正常工作，漫反射光電開關可以取代色標傳感器滿足工藝要求。
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