膨脹節(jié)性能試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張丹丹，劉 英，楊雨圖，李宇廷

（南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，南京 210037）

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膨脹節(jié)性能試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張丹丹，劉 英，楊雨圖，李宇廷

（南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，南京 210037）

摘 要：針對(duì)江蘇省安全檢驗(yàn)研究院現(xiàn)有膨脹節(jié)性能試驗(yàn)裝置存在的法蘭螺栓安裝困難、工作量大、效率低等問(wèn)題，給出了一種滿足《壓力管道元件型式試驗(yàn)規(guī)則》膨脹節(jié)性能試驗(yàn)要求的設(shè)計(jì)方案，根據(jù)其工作原理，完成了該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)采用PLC實(shí)現(xiàn)可編程自動(dòng)化控制，西門(mén)子S7-200PLC作為下位機(jī)，PC機(jī)作上位機(jī)的兩級(jí)分布式控制，上位機(jī)配置組態(tài)軟件對(duì)控制系統(tǒng)實(shí)行監(jiān)控管理。此控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度高、效率高，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：膨脹節(jié)；性能試驗(yàn)；控制系統(tǒng)；PLC；組態(tài)王

0　引言

管道在城建、石油、化工等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，膨脹節(jié)作為一種補(bǔ)償因溫度差與機(jī)械振動(dòng)引起的附加應(yīng)力而設(shè)置在管道上的撓性結(jié)構(gòu)［1］需求量也越來(lái)越大，TSGD7002-2006《壓力管道元件型式試驗(yàn)規(guī)則》明確規(guī)定所有膨脹節(jié)需進(jìn)行型式試驗(yàn)合格才能投入使用。

疲勞試驗(yàn)是膨脹節(jié)性能型式試驗(yàn)中的一個(gè)主要試驗(yàn)項(xiàng)目，膨脹節(jié)性能試驗(yàn)裝置是用于對(duì)膨脹節(jié)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的裝置，是保證檢測(cè)合格膨脹節(jié)的關(guān)鍵，提高試驗(yàn)裝置的智能化、自動(dòng)化水平保證試驗(yàn)安全可靠的進(jìn)行、提高試驗(yàn)效率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1　膨脹節(jié)性能試驗(yàn)裝置

系統(tǒng)裝置主要由立板、滑塊、驅(qū)動(dòng)連接板、試驗(yàn)件、水路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。如圖1所示。

各部分的主要功能如下：

1）滑塊驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是用來(lái)控制滑塊在水平方向的位置和運(yùn)動(dòng)的，由油缸驅(qū)動(dòng)，油缸伸出端固定在滑塊上，由油缸驅(qū)動(dòng)滑塊在水平方向運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)膨脹節(jié)另一端面的位移。

圖1　試驗(yàn)裝置的總體結(jié)構(gòu)

2）立板主要提供支撐和各組部件的安裝基礎(chǔ)以及整個(gè)設(shè)備的連接框架，為臥式安裝。

3）左滑塊用來(lái)安裝和固定膨脹節(jié)試驗(yàn)件的一端面，它可在水平方向滑動(dòng)，以適應(yīng)不同長(zhǎng)度膨脹節(jié)的安裝要求。

4）導(dǎo)向柱為滑塊和驅(qū)動(dòng)連接板提供支撐和導(dǎo)向作用，滑塊和驅(qū)動(dòng)連接板可在導(dǎo)向柱上滑動(dòng)。

5）驅(qū)動(dòng)連接板的兩端分別安裝膨脹節(jié)試驗(yàn)件的一個(gè)端面，它可在水平方向往復(fù)滑動(dòng)，以達(dá)到對(duì)膨脹節(jié)的疲勞試驗(yàn)要求。

6）地基為試驗(yàn)平臺(tái)提供支撐。

7）膨脹節(jié)性能試驗(yàn)的試驗(yàn)件。

8）導(dǎo)向槽是利于滑塊、驅(qū)動(dòng)連接板在水平方向的運(yùn)動(dòng)，以適應(yīng)不同長(zhǎng)度的膨脹節(jié)管道。

9）滑塊夾緊機(jī)構(gòu)是用來(lái)夾緊試驗(yàn)件，并保持試驗(yàn)件的同心軸。

10）雙輸出桿油缸提供試驗(yàn)的加載，液壓加載方式。

11）試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)與加載機(jī)構(gòu)連接在驅(qū)動(dòng)連接板與立板之間，結(jié)構(gòu)上可連接測(cè)力傳感器和拉繩編碼器等部件，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)加載和試驗(yàn)位移的測(cè)量。

另外試驗(yàn)設(shè)備還包括水路系統(tǒng)、設(shè)備的控制系統(tǒng)。水路系統(tǒng)是向膨脹節(jié)試驗(yàn)件內(nèi)部提供試驗(yàn)壓力的系統(tǒng)，設(shè)有壓力檢測(cè)，可實(shí)時(shí)檢測(cè)觀察試驗(yàn)過(guò)程中的壓力變化，以及試驗(yàn)過(guò)程中泄壓報(bào)警。

2　控制原理

設(shè)備的控制系統(tǒng)采用PC機(jī)控制，主要是通過(guò)對(duì)上述滑塊、驅(qū)動(dòng)連接板、加載機(jī)構(gòu)智能化控制達(dá)到膨脹節(jié)性能試驗(yàn)精確、自動(dòng)化的效果，并采用遠(yuǎn)程操作和人機(jī)結(jié)合，在組態(tài)軟件界面顯示和輸入試驗(yàn)參數(shù)，并實(shí)時(shí)顯示、采集和處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)［2］。

系統(tǒng)對(duì)滑塊和驅(qū)動(dòng)連接板控制的參數(shù)較多，圖2和圖3分別為膨脹節(jié)性能試驗(yàn)裝置滑塊和驅(qū)動(dòng)連接板的結(jié)構(gòu)圖。

圖2　滑塊

當(dāng)試驗(yàn)件口徑小于900mm時(shí)，用圖2所示的四個(gè)夾緊塊夾緊，當(dāng)試驗(yàn)口徑大于900mm時(shí)，用八個(gè)夾緊塊夾緊，每個(gè)夾緊機(jī)構(gòu)由夾緊電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，由接近開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)精確的位置控制。標(biāo)尺上面有刻度，用于檢測(cè)試驗(yàn)件的口徑。

圖3　驅(qū)動(dòng)連接板

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和連接法蘭機(jī)構(gòu)由各電機(jī)獨(dú)立控制，由接近開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)連接法蘭機(jī)構(gòu)精確定位。

系統(tǒng)總體組成如圖4所示，包括總體總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、總體控制模塊。膨脹節(jié)性能試驗(yàn)設(shè)備的控制建立在對(duì)試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上。試驗(yàn)流程如圖5所示，試驗(yàn)結(jié)束后給試驗(yàn)件放水，松開(kāi)滑塊夾緊機(jī)構(gòu)，連接法蘭機(jī)構(gòu)，打開(kāi)驅(qū)動(dòng)連接板翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，人工吊裝更換試驗(yàn)件，重復(fù)圖5的步驟進(jìn)行新的試驗(yàn)件的疲勞性能試驗(yàn)。

圖4　系統(tǒng)總體組成

圖5　系統(tǒng)控制流程圖

3　試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是建立在機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的，由PC機(jī)配以組態(tài)軟件作上位機(jī)，西門(mén)子S7-200 PLC作下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)智能化控制、集中管理。

3.1下位機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

下位機(jī)主要由PLC及其拓展模塊組成，由上位機(jī)編程控制滑塊、驅(qū)動(dòng)連接板、加載機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，并采集如膨脹節(jié)試驗(yàn)件內(nèi)壓、加載力、加載位移傳感器輸出的0～10V電壓信號(hào)或4mA～20mA電流信號(hào)傳送至上位機(jī)經(jīng)PLCCPU內(nèi)部轉(zhuǎn)換輸出實(shí)際試驗(yàn)數(shù)值［4，5］，另外對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)緊急故障時(shí)做出聲光報(bào)警反應(yīng)。

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求分配下位機(jī)PLC的I/O接口，如表1所示。

本控制系統(tǒng)選用西門(mén)子S 7 - 2 0 0功能最強(qiáng)的CPU226AC/DC/繼電器模塊，有24個(gè)輸入點(diǎn)，16個(gè)輸出點(diǎn)，由于系統(tǒng)控制點(diǎn)數(shù)較多，選用一個(gè)32輸入輸出數(shù)字量拓展模塊EM223，選用兩個(gè)4輸入的模擬量拓展模塊EM231，模擬量拓展模塊能夠采集電壓或者電流模擬量信號(hào)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)以電壓信號(hào)或者電流信號(hào)輸入轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出，EM231模塊上有撥碼開(kāi)關(guān)，一般傳感器有多種信號(hào)輸出形式，普遍可以電流信號(hào)或電壓信號(hào)輸出，選擇哪一種輸出形式則相應(yīng)的EM231模塊撥碼開(kāi)關(guān)撥到電流輸入或者電壓輸入，每個(gè)EM231模塊只能實(shí)現(xiàn)一種輸入模式，本系統(tǒng)一致選用電流信號(hào)輸入。根據(jù)控制系統(tǒng)硬件的選型、端口的分配和軟件的設(shè)計(jì)，連接PLC系統(tǒng)原理接線圖，由于篇幅原因接線原理相同的部分接線省略，如圖6所示。

表1　下位機(jī)PLC I/O分配表

圖6　PLC接線原理圖

3.2上位機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)采用計(jì)算機(jī)配以組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)，組態(tài)王軟件系統(tǒng)由北京亞控科技發(fā)展有限公司研發(fā)，具有數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、管理、顯示以及現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)畫(huà)面組態(tài)、實(shí)時(shí)報(bào)警等功能，可視化程度高［6，7］。上位機(jī)與下位機(jī)通過(guò)RS485總線連接，在組態(tài)軟件界面完成與下位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊以及與PLC數(shù)據(jù)相匹配的地址設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、管理與監(jiān)控，隨時(shí)生成數(shù)據(jù)報(bào)表，并能實(shí)現(xiàn)打印、存儲(chǔ)功能。組態(tài)王在系統(tǒng)中完成的功能如圖7所示。

圖7　組態(tài)王監(jiān)控系統(tǒng)總體框架

根據(jù)《壓力管道元件型式試驗(yàn)規(guī)則》的規(guī)定，試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)膨脹節(jié)內(nèi)壓、加載力、試驗(yàn)位移和試驗(yàn)次數(shù)有規(guī)定，滿足要求才能合理有效進(jìn)行試驗(yàn)。因此需要源源不斷的采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)內(nèi)壓按實(shí)際值輸出，實(shí)際試驗(yàn)加載和試驗(yàn)位移并求均的結(jié)果輸出顯示出來(lái)，數(shù)據(jù)求均由上位機(jī)編程實(shí)現(xiàn)，由組態(tài)軟件直觀輸出。并當(dāng)超出規(guī)定值時(shí)組態(tài)軟件作報(bào)警反應(yīng)，保證膨脹節(jié)性能試驗(yàn)安全有效的進(jìn)行。組態(tài)王對(duì)膨脹節(jié)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控組態(tài)畫(huà)面如圖8所示。

圖8　膨脹節(jié)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控組態(tài)畫(huà)面

4　結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)敘述了上位機(jī)與下位機(jī)為一體的膨脹節(jié)性能試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)膨脹節(jié)性能試驗(yàn)主要參數(shù)的顯示與處理、上下限報(bào)警等，數(shù)據(jù)采集精度高，確保了檢測(cè)系統(tǒng)的平穩(wěn)安全運(yùn)行，滿足膨脹節(jié)性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。采用上下位機(jī)為一體的控制系統(tǒng)操作方便，明顯提高了試驗(yàn)效率。類(lèi)似的機(jī)械設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)也可參考本文進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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The control system’s design of expansion joint performance test device

ZHANG Dan-dan， LIU Ying， YANG Yu-tu， LI Yu-ting

中圖分類(lèi)號(hào)：TH-39

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-0134（2016）05-0016-04

收稿日期：2016-01-15

基金項(xiàng)目：國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局技改項(xiàng)目：膨脹節(jié)性能試驗(yàn)設(shè)備及操作系統(tǒng)研發(fā)（2014JIANGS09）；基于雙目視覺(jué)的波紋膨脹節(jié)波距檢測(cè)系統(tǒng)研究及開(kāi)發(fā)：江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院項(xiàng)目（KJ（Y）2014013）

作者簡(jiǎn)介：張丹丹（1991 -），女，安徽安慶人，碩士研究生，主要從事先進(jìn)制造技術(shù)和機(jī)電一體化技術(shù)研究。