光电开关在石油钻杆内涂层设备改造应用

漫反射光电开关用于粉末喷涂设备改造，可准确控制停粉操作，从而节省涂料，减轻操作者的劳动强度，改善工作环境。

关键词：光电开关；反射率；粉末喷涂设备；改造

0.引言

石油钻杆内涂层是河北青县华油一机图博涂层有限公司的主营业务。公司有一套粉末喷涂设备，在操作上和控制上都存在不足之处，主要原因是粉末设备不能精确控制停喷，往往将涂料喷到管体以外，造成涂料浪费和环境污染。因为涂料依靠进口，价格昂贵，并对环境有一定污染，公司欲对粉末喷涂设备进行改造，以降本增效，降低污染。

1.原因分析

粉末涂料的喷涂程序一般如下：喷枪从钻杆母端进入，废料收集小车向左运行至设定距离，用于收集多余的粉末涂料，喷枪前进至伸出公端外，钻杆匀速旋转，喷粉头开始喷粉，并由公端向母端倒退，将粉末涂料喷至高温的钻杆管体内壁，当喷枪退出母端后，涂料停止喷涂，一个循环结束。整个过程由继电器-接触器系统控制，该操作对钻杆的摆放位置的准确度要求很高。其中，废料收集小车的作用就是收集喷到钻杆外的多余粉末涂料，但涂料不能回收利用，只得废弃。图1为粉末喷涂示意图。这套喷涂设备在实际的使用过程中，停粉操作是靠手动来实现的。钻杆的定位要求在喷涂前必须按照基准线对正。粉末喷枪在喷涂完成后手动停粉，由于人为控制误差，停粉不能准确控制；或者，操作人员为防止漏涂，往往推迟停粉时间，将涂料喷出钻杆外，造成浪费。而且，多余的涂料也会附着在钻杆的外表面，必须清理，增加了工作量。所以在实际的生产中，设备的自动化功能没有完全实现。此外，粉末涂料颗粒会散布到环境中，造成安全和健康隐患。

2.改造要求

针对粉末喷涂存在的问题，决定对粉末喷涂控制系统进行改造。预期目标：要求尽量以较低的投入对系统进行改造，减少粉末涂料的浪费，降低劳动强度，达到降本、增效和减排的目的。技术要求：系统能自动识别钻杆母端从而精确停粉，要求停粉位置可根据生产实际任意调节。系统改造的关键就是识别控制系统。由于喷枪通体均为合金钢材质，故不能采用接近开关，因为接近开关用来区分金属体和非金属体，而不能区分金属体的某一部位，所以选用光电开关作为识别控制系统较为合适。通常做法是采用色标光电开关，但色带难以在高温环境中工作，价格上也比普通光电开关高。于是决定选用普通的漫反射光电开关来实现色标光电开关的功能。普通的光电开关一般用来检测物体的有无，而该设备在工作时喷枪始终处在光电开关的检测范围内，无法区分钻杆不同部位。为此，可在喷枪杆上加装便于普通光电开关识别的耐高温标识物，这样，采用普通漫反射光电开关完成改造任务是可行的，而且还降低成本，采购便捷。

3.漫反射光电开关介绍

漫反射光电开关是一种非接触无损伤的检测电子开关，广泛应用于自动、半自动控制系统中作定位换向、距离控制、转速测试等。因具有寿命长、精度高、速度快、抗干扰性好等优点，而应用广泛。漫反射光电开关的检测头里装有一个发光器和一个接收器，由调制脉冲发生器产生调制脉冲，再由红外发射管发射出被调制的红外脉冲。由于没有反光板，当被检物体进入设定的范围时，红外脉冲被检测物体反射，部分被反射的红外脉冲被接收管接收，经放大解调后去触发驱动器。分析漫反射光电开关的工作原理可知，被检测物体表面反射率对光电开关的动作起着关键的作用。但是其一般用来检测物体是否存在。如果物体不同部位对红外线的反射率不同，漫反射光电开关是可以识别的，于是，在一定条件下可替代色标传感器，但要保证颜色反差很大。利用这种特性，可以考虑在喷枪上做一个耐高温的标识物，其反射率与此物体的反射率有很大的差别。这样，漫反射光电开关可以替代色标光电开关满足改造要求。

4.实施改造

结合生产实际，由于喷枪本体为钢制材料，表面光亮，反射率高，根据设定喷枪停粉的位置，在喷枪上做一个反射率较喷枪其他位置低的表面(标识面)，便于光电开关识别。具体做法是：用耐高温的黑漆涂于标记面，这个标记面的反射率比其他的表面低很多，因此，当这个标记面经过光电开关时，由于光电开关接收到的反射红外光不足，不足以使其识别到喷枪，这时光电开关认为物体不存在，发出控制信号，从而控制电磁阀停粉。工作原理如图2。在废料收集小车的两端加装了两个普通的漫反射光电开关(光眼1和光眼2)，它们固定在小车上并与小车同步行进。开始喷枪从钻杆母端进入，废料收集小车向左运行，一旦光眼1识别到钻杆母端(母端表面足以被光眼1识别)，便发出信号让小车制动，喷枪前进至伸出公端后，喷粉头开始喷粉，并由公端向母端倒退，将粉末涂料喷至钻杆管体内壁进行喷涂作业，当喷枪退至母端规定停粉位置时，预先在喷枪上做的标记面行进到光眼2的位置，光眼2发出信号停止喷涂，一个循环结束。图3为固定在收集小车上的光眼2对粉末喷枪的监控。

5.改造效果

系统改造后，对110根钻杆涂层跟踪试验，光眼识别成功率达100%。系统可实现自动识别，自动定位，对于钻杆的摆放位置要求不再苛刻，即无需在喷涂操作前比对标准线来对钻杆定位；同时，可以在工艺要求的位置精确停粉，既降低了操作者的劳动强度，又减少了涂料浪费，同时又减少了环境污染。粉末喷涂系统实施改造后统计的生产数据说明，漫反射光电开关的应用，可节约成本，减少污染。①根据每消耗1箱粉末涂料涂敷5#钻杆的根数(每箱涂料净质量25kg)，对系统改造前后的统计，如表1所示。

②2006年，本公司粉末涂层产品的产量折合成5#钻杆的涂层为8万m，5#钻杆的标准长度为9.65m，粉末涂料单价为200元/kg，再结合表1估算年节约涂料成本量如式(1)所示。

80000÷9165×0.0305×200=5万元。式(1)

由漫反射光电开关对粉末喷涂系统的改造可知，在连续的被测物体上制作反射率与此物体反射率有较大的差距的标识，可以起到识别物体不同部位的作用，尤其是在某些恶劣环境下，色标传感器不能正常工作，漫反射光电开关可以取代色标传感器满足工艺要求。