安全閥離線校驗系統(tǒng)設(shè)計

徐尉富 丁衛(wèi)撐 李姝彬 陳文秀 侯臘梅 李佳聰

摘要：針對安全閥離線校驗操作管理不便、工作效率低下、數(shù)據(jù)不準確、安全閥不便運輸?shù)葐栴}，開發(fā)了OA系統(tǒng)、安全閥校驗操作軟件和以STM32單片機為控制核心的小型安全閥離線校驗臺構(gòu)成的安全閥離線校驗系統(tǒng)。以WIFI無線通信技術(shù)作為傳輸手段，結(jié)合傳感器技術(shù)，將下位機采集到的安全閥壓力數(shù)據(jù)傳輸給上位機，并在安全閥校驗操作軟件上用曲線圖實時顯示，實現(xiàn)安全閥校驗系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、信息化、校驗結(jié)果準確程度高、校驗效率高和降低成本。該研究將為特種承壓設(shè)備校驗提供可靠的數(shù)據(jù)支持，對安全閥離線校驗操作規(guī)范提出新的參考。

關(guān)鍵詞：安全閥離線校驗;操作規(guī)范;自動控制;高效率

中圖分類號：TK223.2;TP216.1 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）06-0121-04

收稿日期：2018-01-04;收到修改稿日期：2018-09-26

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（41774140）

作者簡介：徐尉富（1993-），男，四川達州市人，碩士研究生，專業(yè)方向為儀器儀表。

0 引言

安全閥是工業(yè)中一種不可代替的超壓泄放裝置，被廣泛應(yīng)用在化工、制藥、食品、動力等多個領(lǐng)域，防止設(shè)備超壓失控，保證作業(yè)安全。安全閥在長期運行過程中，會出現(xiàn)整定壓力隨時間的推移發(fā)生某些偏差，或閥瓣受粘、彈簧剛度過硬或軟化、閥桿不對中、導(dǎo)向套生銹及密封損壞等問題，為確保承受設(shè)備的安全，國家規(guī)定必須對安全閥進行強制性定期校驗[1]。

安全閥離線校驗是指將被保護的設(shè)備停車，把安全閥拆解下來進行校驗。離線校驗是安全閥校驗中最常用的方法，經(jīng)過多次校驗，將當前整定壓力調(diào)校到實際工作要求壓力值，并檢測其密封性能[2]。

目前，絕大部分安全閥的離線校驗方式相對復(fù)雜落后，許多校驗部門的校驗臺仍然使用指針式壓力表，采用人工讀數(shù)。林橋等[3]提出了高智能化、自動化和網(wǎng)絡(luò)化的安全閥校驗管理系統(tǒng)，結(jié)合OA系統(tǒng)[4]，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化管理和自動化檢測;但該系統(tǒng)部件眾多，可移動性差，安全閥操作軟件界面復(fù)雜。陳松生提出小型安全閥便攜離線校驗設(shè)備研制[5]解決了離線校驗臺不便移動的問題，使用傳感器測量，提高了數(shù)據(jù)的可靠性;但該設(shè)備是通過手工旋轉(zhuǎn)閥門手柄進行加壓減壓操作，升壓速率完全憑經(jīng)驗和感覺操作，無法保證安全閥升壓到整定壓力的90%后以0.01MPa/s的速度上升[6]，且其檢測范圍只有0～4MPa，另外校驗設(shè)備采用觸摸液晶顯示屏作為人機交互接口，安全閥基本信息和數(shù)據(jù)無法直觀展示，操作較復(fù)雜。針對上述問題，本文提出一種安全、檢驗結(jié)果準確、操作規(guī)范、離線校驗靈活的安全閥離線檢驗系統(tǒng)，可增加排氣閥、進氣閥、電機、傳感器，最大可增加60MPa傳感器，以適用不同量程要求。

1 安全閥離線校驗系統(tǒng)構(gòu)成

安全閥離線校驗系統(tǒng)分為OA系統(tǒng)、安全閥校驗操作軟件和小型安全閥離線校驗臺3個模塊。OA系統(tǒng)的功能是對安全閥校驗的任務(wù)委托、任務(wù)受理、收費、任務(wù)下發(fā)，安全閥資料錄入，校驗記錄生成和校驗報告的生成、審核、審批、發(fā)放、打印等進行網(wǎng)絡(luò)化管理。安全閥校驗操作軟件負責(zé)控制下位機，整理保存下位機發(fā)送的數(shù)據(jù)并上傳至云服務(wù)器，一般情況下采用筆記本電腦作為上位機安裝該軟件。小型安全閥離線校驗臺連接并控制閥門的升壓速度以及實時上傳安全閥當前的壓力值。

1.1 OA系統(tǒng)

企業(yè)單位可以自己安排校驗時間，在OA系統(tǒng)上登錄被分配的權(quán)限賬號，勾選需要校驗的安全閥，提交校驗申請和繳費，校驗部門通過審核后確認收費，給校驗人員下發(fā)校驗任務(wù)，校驗人員確認接受校驗任務(wù)后，在指定時間之前到達目的地進行校驗工作。減少數(shù)據(jù)輸入的重復(fù)性，提高工作效率，縮短安全閥受理時間，同時也確保了安全閥信息登記的準確性。

1.2 安全閥校驗操作軟件

校驗人員登錄OA系統(tǒng)導(dǎo)出需要校驗的安全閥基本信息并打開安全閥校驗操作軟件。若該單位是第一次使用該校驗系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫無該單位信息，需校驗人員到場地后，用軟件部分手動錄入資料、校驗和保存，最后一起上傳云平臺。下次約檢時，直接勾選需要校驗的安全閥，避免再次填寫安全閥的基本信息。選擇好安全閥編號后，打開硬件部分開關(guān)，與硬件部分通過ESP8266建立TCP連接。在整定壓力檢測時，先調(diào)校，調(diào)校合格后再復(fù)核。安全閥開啟時，壓力變化會有一個明顯的特征——壓力變化會出現(xiàn)一個明顯的“拐點”，這個特征可以作為對開啟壓力進行自動識別的依據(jù)，這個點的數(shù)據(jù)被認為是整定壓力[n。然后降低壓力值為整定壓力的90%，通過儀表及安全閥操作軟件測量有無壓力降，如3min內(nèi)沒有，則該安全閥的密封性能合格[8]。根據(jù)GB/T 12243-2005《彈簧式直接載荷式安全閥》5.6.3.2[9]和GB/T 24920-2010《石化工業(yè)用鋼制壓力釋放閥》622.1[10]的要求，利用泄漏的氣泡/min或cm³/min來檢測安全閥的密封性能。在這兩個標準里，100個氣泡與29.9mL氣體的體積很接近。而壓力與體積成線性關(guān)系，可以用壓力檢測密封性。連續(xù)3次檢測，每次自動計算出當前實際整定壓力和泄漏率的平均值。泄漏率計算公式為：

泄漏率=式中：P₁——起始壓力值;

P₂——結(jié)束壓力值。

校驗合格，選擇新的ID對下一個安全閥進行校驗。待校驗完成后，將數(shù)據(jù)上傳保存至云系統(tǒng)。

1.3 小型安全閥離線校驗臺

小型安全閥離線校驗臺原理圖如圖1所示，采用ST公司的ARM處理芯片STM32F103RCT6作為主控芯片，BOOST.PSC.0103傳感器完成壓力信號的采集。液晶屏作為輸入模塊，電機模塊控制安全閥的進氣閥和排氣閥的閉合，絕對式光電編碼器固定在電機轉(zhuǎn)軸外圈，決定電機轉(zhuǎn)動的角度，達到控制加壓設(shè)備壓力輸入速率的目的。ESP8266WIFI模塊與上位機安全閥校驗操作軟件采用TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，執(zhí)行上位機下發(fā)的命令，并上傳至安全閥校驗操作軟件。為了使測試結(jié)果更加可靠，保留壓力表作為參照。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)控制部分包括觸摸屏輸入、電機驅(qū)動、ESP8266模塊、傳感器采集、電機位置檢測、中斷等子程序。圖2為STM32控制流程圖，整個系統(tǒng)程序用C語言編寫實現(xiàn)。

打開上位機上的軟件，開啟服務(wù)器（TCP server）模式，開始監(jiān)聽是否有在同一個網(wǎng)段的客戶端（TCPclient）模式。當單片機第一次連接該路由器時，手動在觸摸屏上輸入該熱點的名稱和密碼，成功連接路由器后，輸入上位機的IP地址。使用STM32內(nèi)部Flash保存當前熱點的名稱、密碼和上位機的IP地址。若不改變連接熱點，下次開機將自動連接該熱點。上位機與單片機通過TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換。當啟動測量后，單片機輸出PWM1控制電機打開進氣閥的速度，當壓力將達到整定壓力的90%時，停止PWM1輸出，輸出 PWM2反轉(zhuǎn)電機，使進氣閥升壓速度控制在0.01MPa/s以下。當壓強達到100%，關(guān)閉進氣閥。安全閥校驗操作軟件顯示當前壓強，并用曲線圖實時展示出來，通過傳感器動態(tài)補償方法[11]，使動態(tài)測量數(shù)據(jù)更加精確。測量完當前整定壓力后一段時間，進行密封性檢測試驗，通過進氣閥加壓至整定壓力的90%，然后關(guān)閉進氣閥，開始3min密封性檢測[1]。

3 運行結(jié)果分析

進行了重慶某作業(yè)區(qū)庫房的先導(dǎo)式安全閥校驗實驗，如圖3所示。隨著加壓設(shè)備對安全閥加壓，可以在校驗操作軟件上收集到當前整定壓力的數(shù)據(jù)變化，可以直觀地觀察整定壓力校驗整個的過程，當壓力值達到最大，閥門開啟，圖3中的紅線表示測得的整定壓力。閥門開啟的瞬間會泄掉一部分安全閥內(nèi)部的氣體，壓力值瞬間下降某個值。隨后電機將關(guān)閉進氣閥，安全閥當前壓力保持不變?？梢钥闯鲈摪踩y的壓力和實際要求的整定壓力基本吻合，但由于傳感器偶然誤差和自動控制系統(tǒng)的震蕩等原因，測得結(jié)果有一定的波動[12]，經(jīng)過3次測量結(jié)果的計算，滿足精度要求，達到了檢測的目的。

圖4為進行了安全閥密封性校驗的界面。若當前壓力值小于整定壓力的90%，進氣閥打開增壓到快接近整定壓力的90%時關(guān)閉。等待3s檢測進氣閥是否關(guān)緊以及等待安全閥內(nèi)部的氣體保持穩(wěn)定，開始進行密封性檢測。從圖4可直觀地觀察安全閥密封性是否合格，綠線表示密封性檢測開始值，紅線表示密封性檢測結(jié)束值。

表1是對口徑和整定壓力都不相同的安全閥進行校驗的實驗數(shù)據(jù)，根據(jù)GB/T 24920-2010《石化工業(yè)用鋼制壓力釋放閥》6.1[10]的要求，當整定壓力大于或等于0.5MPa時，其偏差不應(yīng)超過士3%整定壓力。通過表1實驗數(shù)據(jù)可見，本文所論述的校驗設(shè)備測得的數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，整定壓力相對誤差較低，滿足當前安全閥離線校驗要求。

本系統(tǒng)將目前我國現(xiàn)有的安全閥離線校驗系統(tǒng)比較分散的優(yōu)點整合在一起，實現(xiàn)了體積小、可移動性高、網(wǎng)絡(luò)化管理。通過無線網(wǎng)絡(luò)進行控制，減免了接線繁瑣或連接線因為操作不規(guī)范等破損無法使用的情況，以便應(yīng)對惡劣的工作環(huán)境。電腦實時保存數(shù)據(jù)，相比液晶屏，讀取數(shù)據(jù)更加方便。還在此基礎(chǔ)上增加電機控制閥門開關(guān)，自動化程度更高。且系統(tǒng)能在整定壓力達到90%以后升壓速度保持不高于0.01MPa/s，相較于人工操作可能產(chǎn)生誤差，本系統(tǒng)更加符合要求，操作更規(guī)范簡單。

4 結(jié)束語

安全閥離線校驗系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、成本低廉、操作簡單、安全、規(guī)范等優(yōu)點，可以提高我國安全閥在校驗工作中的工作效率，為企業(yè)節(jié)省成本和不必要的人力資源，降低了校驗人員的工作強度，提升了安全閥校驗單位的管理水平，保證了整定壓力和密封性的可靠性，從而保證我國特種承壓設(shè)備的安全性。

參考文獻

[1]安全閥安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程：TSG ZF001-2006[S].北京：中國計量出版社，2006.

[2]李林賢.安全閥密封試驗壓力體現(xiàn)節(jié)能原則[J].中國特種設(shè)備安全，2017，33（7）：7-10.

[3]林橋，張勝軍，肖超波，等.高智能化、自動化和網(wǎng)絡(luò)化的安全閥校驗管理系統(tǒng)[J].化工自動化及儀表2。14，41（8）：935-938.

[4]劉蕓.OA系統(tǒng)與醫(yī)院檔案管理的鏈接研究[J].檔案管理，2017（2）：61-63.

[5]陳松生.小型安全閥便攜離線校驗設(shè)備研制[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2015.

[6]謝鐵軍.壓力容器定期檢驗規(guī)則[M].北京：新華出版社，2013：48-71

[7]丁衛(wèi)撐，陳浩峰，鄧友，等.彈簧式安全閥在線校驗閥瓣微啟識別技術(shù)[J].測控技術(shù)，2016，35（4）：132-135.

[8]孫仁凡，陳中榮，陳翠梅.智能型安全閥校驗操作與管理系統(tǒng)的應(yīng)用[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2012，38（10）：35-37.

[9]彈簧式直接載荷式安全閥：GB/T 12243-2005[S].北京：中國質(zhì)檢出版社，2005.

[10]石化工業(yè)用鋼制壓力釋放閥：GB/T 24920-2010[S].北京：中國質(zhì)檢出版社，2010.

[11]軒春青，軒志偉，陳保立.基于最小二乘與粒子群算法的壓力傳感器動態(tài)補償方法[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2014，27（10）：1363-1367.

[12]CHENG Y，LI X C，LIZ J，et al.Aircloud：acloud-based air-quality monitoring system for everyone[C]//Proceedings of the12th ACM Conference on Embedded Network SensorSystems，2014.

（編輯：李剛）