基于PLC和變頻器的閥門(mén)水壓試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

付德永，陳 軍，李 杰

(承德石油高等專(zhuān)科學(xué)校熱能工程系，河北 承德 067000)

閥門(mén)水壓試驗(yàn)機(jī)是閥門(mén)專(zhuān)業(yè)水壓耐壓、密封性檢測(cè)設(shè)備，用于新生產(chǎn)閥門(mén)和維修后閥門(mén)的性能測(cè)試。傳統(tǒng)的閥門(mén)水壓試驗(yàn)機(jī)通常采用手動(dòng)控制升壓方式，增壓過(guò)程曲線呈線性，沖擊性較大，試驗(yàn)壓力不易達(dá)到控制精度的要求，易出現(xiàn)欠壓或過(guò)壓現(xiàn)象，使試驗(yàn)準(zhǔn)確度降低，甚至試驗(yàn)失敗［1］。對(duì)閥門(mén)水壓試驗(yàn)機(jī)采用PLC和變頻器進(jìn)行升壓和保壓過(guò)程控制，可以提高響應(yīng)速度，提高控制精度，減小系統(tǒng)的沖擊性，達(dá)到滿意的控制效果［2］。

1 閥門(mén)水壓試驗(yàn)機(jī)工作原理

閥門(mén)水壓試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)組成如圖1所示。系統(tǒng)采用一臺(tái)交流液壓泵作為升壓動(dòng)力源，當(dāng)試驗(yàn)閥門(mén)安裝就位后，啟動(dòng)增壓泵;當(dāng)壓力達(dá)到試驗(yàn)壓力時(shí)，停泵保壓;達(dá)到試驗(yàn)時(shí)間后，打開(kāi)電磁閥泄壓，試驗(yàn)結(jié)束。該系統(tǒng)增壓速度快，適用于多型號(hào)、大口徑閥門(mén)水壓試驗(yàn)，但手動(dòng)控制時(shí)試驗(yàn)效果不夠理想。

2 控制系統(tǒng)的組成

為了保證增壓過(guò)程的平穩(wěn)性和準(zhǔn)確性，可以采用基于PLC和變頻器控制增壓泵的控制方案?？刂葡到y(tǒng)的組成如圖2所示，其控制思路是:通過(guò)壓力傳感器測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)待測(cè)試閥門(mén)的實(shí)時(shí)水壓，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20 mA的電流信號(hào)輸入PLC;PLC依據(jù)設(shè)定水壓值與實(shí)時(shí)水壓值的大小，計(jì)算出增壓速度信號(hào)輸出給變頻器，通過(guò)變頻器改變輸出頻率，進(jìn)而改變?cè)鰤罕棉D(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)平緩增壓;當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，自動(dòng)停機(jī)保壓;保壓時(shí)間到，自動(dòng)打開(kāi)泄壓電磁閥泄壓，試驗(yàn)結(jié)束。系統(tǒng)采用觸摸屏設(shè)定初始參數(shù)，并能顯示整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的實(shí)時(shí)參數(shù)或升壓曲線，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互功能。

3 控制設(shè)備選型與控制流程

3.1 設(shè)備選型

根據(jù)系統(tǒng)測(cè)試最大壓力4 MPa，選擇德國(guó)圖爾克(TURCK)壓力傳感器 PT060R-14-LI3-H1131。該傳感器測(cè)量范圍0～6 MPa，輸出信號(hào)范圍4～20 mA，防水等級(jí)IP65，測(cè)量精度高，在高溫和低溫情況下也可以很好運(yùn)行。PLC采用西門(mén)子公司S7-200系列典型產(chǎn)品CPU224，內(nèi)部包括14個(gè)數(shù)字量輸入，10個(gè)數(shù)字量輸出，配有1個(gè)RS-485通訊/編程口，具有PPI通訊、MPI通訊和自由方式通訊能力［3］。擴(kuò)展一個(gè)EM235輸入輸出模塊，輸入水壓信號(hào)，輸出頻率控制信號(hào)。

變頻器采用MM440變頻器。該變頻器是西門(mén)子公司用于控制三相交流電動(dòng)機(jī)速度的通用型變頻器，由微處理器控制，采用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)作為功率輸出器件，具有很高的運(yùn)行可靠性和功能的多樣性。該變頻器帶有6個(gè)數(shù)字輸入，2個(gè)模擬輸入接口［4］。利用其模擬輸入端ADC1連接S7-200的模擬輸出，調(diào)節(jié)輸出頻率。

觸摸屏采用TP170B，5.7英寸，16色顯示，帶有滾動(dòng)瀏覽和縮放功能的界面友好圖形顯示，堅(jiān)固耐用，穩(wěn)定可靠，前面板防護(hù)等級(jí)IP65，具有較高的電磁兼容性(EMC)和抗振性能，可滿足機(jī)器操作和監(jiān)控的可視化需求。TP170B通過(guò)MPI電纜連接至CPU224的通訊口PORT0，通過(guò)觸摸屏發(fā)送給PLC啟/?？刂泼睿O(shè)定M440變頻器的PID目標(biāo)值，實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及試驗(yàn)壓力值。

3.2 設(shè)備連接

設(shè)備連接如圖3所示;依據(jù)控制功能要求，PLC的I/O地址分配如表1所示。其中輸入元件用于系統(tǒng)啟?？刂菩盘?hào)的輸入，輸出元件分別用于設(shè)備啟?？刂坪椭甘緹艨刂?。

3.3 控制流程圖(見(jiàn)圖4)

3.4 HMI控制畫(huà)面設(shè)計(jì)

采用西門(mén)子組態(tài)軟件ProTool設(shè)計(jì)TP170B觸摸屏控制畫(huà)面，然后從電腦下載到觸摸屏即可使用。觸摸屏讀取PLC內(nèi)部存儲(chǔ)器的變化，得到當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)修改PLC內(nèi)部的壓力設(shè)定、時(shí)間設(shè)定等數(shù)據(jù)［5］，完成系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)節(jié)。

4 試驗(yàn)結(jié)果

利用該試驗(yàn)臺(tái)對(duì)山東滬工閥門(mén)有限公司生產(chǎn)的Z41H-16C型手動(dòng)法蘭閘閥進(jìn)行密封試驗(yàn)。該閥門(mén)公稱壓力1.6 MPa，采用試驗(yàn)壓力2.4 MPa，單次保壓時(shí)間2 min，達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如下:壓力測(cè)量精度≤

±0.3%fs;恒壓精度≤±0.5%fs;計(jì)時(shí)精度≤±0.1 s;單次試驗(yàn)時(shí)間10 min。該試驗(yàn)臺(tái)已投入使用，操作簡(jiǎn)便，工作可靠，能夠較好的滿足中低壓閥門(mén)水壓試驗(yàn)的要求。

表1 PLC I/O地址分配表

5 結(jié)論

本文針對(duì)閥門(mén)水壓試驗(yàn)機(jī)控制過(guò)程，設(shè)計(jì)了基于PLC和變頻器的控制系統(tǒng)，并通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)使用證明，該系統(tǒng)響應(yīng)速度快，控制精度高，升壓曲線平緩，對(duì)系統(tǒng)的沖擊性小，用戶能自行針對(duì)不同口徑閥門(mén)進(jìn)行升壓速率控制，能夠較好的滿足不同用戶需求。

［1］譚進(jìn).靜水壓力試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究［D］.西安:西安工業(yè)大學(xué)，2013.

［2］劉艷軍，韓志凌，趙海賢.聚乙烯閥門(mén)密封及扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.承德石油高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2014(3):19－23.

［3］SIMATIC S7-200可編程序控制器系統(tǒng)手冊(cè)［Z］.西門(mén)子(中國(guó))有限公司，2008.

［4］SIEMENS MICROMASTER 440變頻器實(shí)用大全［Z］.西門(mén)子(中國(guó))有限公司，2002.

［5］王楠.觸摸屏與PLC在混凝土攪拌站控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.工程機(jī)械，2011(42):11－13.