高壓軟管智能化檢驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)

(江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

高壓軟管作為壓力容器的連接件，廣泛應(yīng)用于石油、化工、罐車、農(nóng)業(yè)、食品、飲料、醫(yī)藥等行業(yè)，其介質(zhì)為氣、水、油、砂粒等。高壓軟管常用尺寸和壓力參數(shù)如下，長(zhǎng)度：1 m≤L≤12 m，公稱尺寸：15 mm≤DN≤150 mm，設(shè)計(jì)壓力：0.6 MPa≤Ps≤30 MPa。在高壓或危險(xiǎn)介質(zhì)場(chǎng)合下，如果介質(zhì)泄漏或軟管耐壓不足導(dǎo)致破裂將極有可能造成安全事故，根據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)方法規(guī)定：高壓軟管在出廠前需要進(jìn)行檢驗(yàn)，在使用過程中也需要定期檢驗(yàn)[1]。

目前，對(duì)高壓軟管的檢驗(yàn)多數(shù)都停留在手動(dòng)檢驗(yàn)階段，也有少數(shù)對(duì)自動(dòng)化檢驗(yàn)的研究，但國(guó)內(nèi)很多研究對(duì)其性能試驗(yàn)的精度和效率難以提高，總結(jié)為以下4點(diǎn)：① 檢驗(yàn)時(shí)夾緊需要手工(擰螺栓)方式完成，工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大；② 均采用指針式的儀表讀數(shù)，無法實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄與追溯；③ 升壓過程全部人工操作，升壓過程隨機(jī)且易導(dǎo)致升壓過頭或達(dá)不到試驗(yàn)壓力[2-4]；④ 耐壓與氣密兩項(xiàng)試驗(yàn)用不同設(shè)備分開做。這就造成了效率低、精度低的問題。

因此，本文從智能檢驗(yàn)的原理進(jìn)行分析，解決夾緊裝置的優(yōu)化問題，研發(fā)出一套耐壓與氣密性能檢驗(yàn)的智能測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓軟管性能試驗(yàn)快速有效的檢驗(yàn)和智能判定，獲得保證高效率、高精度性能檢驗(yàn)的關(guān)鍵可靠性技術(shù)。該智能檢驗(yàn)系統(tǒng)也可作為典型的檢測(cè)設(shè)備的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有很高的實(shí)際意義與價(jià)值。

1 智能化檢驗(yàn)的原理

區(qū)別于現(xiàn)有的檢驗(yàn)方法，本檢驗(yàn)系統(tǒng)采用下位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位機(jī)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)組合的方式：在管路系統(tǒng)中安裝壓力傳感器，采集實(shí)測(cè)壓力并傳遞給PLC；PLC接收到壓力電信號(hào)后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后進(jìn)行邏輯處理并將結(jié)果傳輸?shù)缴衔粰C(jī)顯示器；上位機(jī)操作軟件實(shí)時(shí)顯示檢驗(yàn)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)輸入的參數(shù)和檢驗(yàn)結(jié)果，并可查詢已檢驗(yàn)的信息[5-6]；同時(shí)，設(shè)計(jì)了一種壓入式液壓自動(dòng)夾緊裝置，取代了手動(dòng)擰螺栓的夾緊方式，該裝置夾緊端面裝有含密封槽的密封墊塊，檢驗(yàn)時(shí)在密封槽內(nèi)加裝密封圈可實(shí)現(xiàn)密封；氣液雙相管道采用厚壁型可耐高壓。

本智能化檢驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從手動(dòng)檢驗(yàn)到自動(dòng)檢驗(yàn)，從測(cè)試數(shù)據(jù)手工記錄到自動(dòng)記錄與追溯，從耐壓與氣密性能單一檢驗(yàn)到兩項(xiàng)檢驗(yàn)一體化，整體檢驗(yàn)時(shí)間從原來的近90 min降到近55 min，縮短了約40%，節(jié)省的時(shí)間主要源自自動(dòng)夾緊替代手動(dòng)夾緊方式、兩項(xiàng)檢驗(yàn)一體化、檢驗(yàn)結(jié)果報(bào)告自動(dòng)生成替代人工記錄；采用自動(dòng)化壓力閉環(huán)控制，可持續(xù)修正系統(tǒng)壓力，控制軟件實(shí)時(shí)顯示壓力精確值，取代了壓力控制不準(zhǔn)的手動(dòng)升壓-保壓及壓力表讀數(shù)的傳統(tǒng)方式，從粗略估計(jì)到精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。智能檢驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖1所示。

2 智能化檢驗(yàn)的下位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1 檢驗(yàn)系統(tǒng)硬件

檢驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)硬件部分主要由觸摸屏、歐姆龍CP1H(XA)型PLC、傳感器、電動(dòng)閥門、增壓泵等組成，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

為了保證檢驗(yàn)系統(tǒng)的精度和效率，采用了功能強(qiáng)大、處理速度快、穩(wěn)定可靠的歐姆龍CP1H(XA)型PLC作為檢驗(yàn)臺(tái)的下位機(jī)。CP1H(XA)PLC是整個(gè)檢驗(yàn)系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)壓力的檢測(cè)與控制、各類電動(dòng)閥門的開關(guān)、增壓泵的啟停、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 數(shù)據(jù)采集

下位機(jī)數(shù)據(jù)采集以歐姆龍PLC作為數(shù)據(jù)采集器，采集系統(tǒng)主要由4個(gè)部分組成：信號(hào)檢測(cè)、PLC A/D轉(zhuǎn)換、PLC邏輯處理部分和串口通信。

(1) 信號(hào)檢測(cè)。信號(hào)檢測(cè)主要完成對(duì)測(cè)試壓力的采集。壓力傳感器是將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成PLC能接收的電信號(hào)。壓力傳感器的關(guān)鍵參數(shù)是量程和精度，量程選擇大于檢驗(yàn)設(shè)備最高壓力的1.2倍，精度選擇在±0.05%以內(nèi)。

(2) A/D轉(zhuǎn)換。PLC輸入端接收到的是傳感器傳來的模擬量(電信號(hào))，模擬量信號(hào)必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)才能進(jìn)行下一步邏輯處理判斷。

(3) 邏輯處理。數(shù)字量信號(hào)經(jīng)過邏輯處理與判斷后才可將結(jié)果顯示于上位機(jī)界面。

(4) 串口通信。將邏輯處理過的數(shù)字量信號(hào)通過RS232無協(xié)議通信上傳給上位機(jī)[7]。

2.3 壓力控制

下位機(jī)歐姆龍PLC程序通過編程系統(tǒng)CX-Programmer V9.3實(shí)現(xiàn)，CX-Programmer中有相應(yīng)的功能模塊便于壓力的閉環(huán)控制。

① 通過PLC程序?qū)⑸衔粰C(jī)錄入的設(shè)定壓力轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)傳遞到電液比例閥，從而在檢驗(yàn)臺(tái)中生成對(duì)應(yīng)的壓力；

② 壓力傳感器的實(shí)測(cè)壓力值與上位機(jī)設(shè)定壓力值在PLC中進(jìn)行比較處理，算出偏差壓力值；

③ 控制器不斷修正先前的電流以完成對(duì)先前壓力的修正，這便達(dá)到了閉環(huán)控制壓力的需求。

壓力閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 檢驗(yàn)臺(tái)壓力閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

3 智能化檢驗(yàn)的上位機(jī)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

上位機(jī)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)提前錄入待檢驗(yàn)軟管的相關(guān)參數(shù)、與下位機(jī)建立通信、實(shí)時(shí)顯示壓力曲線、存儲(chǔ)檢驗(yàn)結(jié)果、查詢以往檢驗(yàn)記錄并在檢驗(yàn)結(jié)束后自動(dòng)生成圖文并茂的檢驗(yàn)報(bào)告。

在Windows操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用C#及SQL Server2012開發(fā)上位機(jī)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。C#是微軟為其.NET體系專門開發(fā)并主推的一種新的程序開發(fā)語言，具有簡(jiǎn)單、面向?qū)ο?、功能?qiáng)大、安全、兼容性和靈活性等特性，適合上位機(jī)操作軟件用戶界面的開發(fā)[8]；SQL Server2012不僅具有優(yōu)良的集成性、靈活性，而且性價(jià)比高、使用便捷，適合數(shù)據(jù)庫的開發(fā)。

上位機(jī)操作軟件主要包括以下5個(gè)部分。

(1) 檢驗(yàn)參數(shù)的錄入。檢驗(yàn)參數(shù)包括設(shè)備和系統(tǒng)的參數(shù)以及待檢驗(yàn)高壓軟管的測(cè)試參數(shù)，這些參數(shù)將會(huì)被存儲(chǔ)，方便以后再使用時(shí)直接讀出，避免了重復(fù)性錄入。

(2) 傳感器的校正。軟件中設(shè)置有傳感器校正功能，采用多點(diǎn)校正法提高了傳感器的使用精度。

(3) 檢驗(yàn)過程的管控。根據(jù)提前錄入的檢驗(yàn)參數(shù)信息，高壓軟管檢驗(yàn)的“升壓-保壓-卸壓”過程將自動(dòng)完成，并且升壓與卸壓速率相對(duì)穩(wěn)定、保壓的壓力值精確，壓力值與圧力曲線實(shí)時(shí)顯示。

(4) 檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。產(chǎn)品的檢測(cè)數(shù)據(jù)與錄入信息一起自動(dòng)添加到數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)，方便以后查詢調(diào)用。

(5) 檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理。檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理包括檢驗(yàn)報(bào)告、測(cè)試數(shù)據(jù)表格以及圧力曲線的生成與打印[9]。

4 試驗(yàn)流程簡(jiǎn)易分析

4.1 耐壓試驗(yàn)

安裝好待檢驗(yàn)軟管之后，整個(gè)管路系統(tǒng)中存在一定量空氣，而空氣有可壓縮性，若不排空則會(huì)影響系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能。試驗(yàn)人員通過上位機(jī)操作軟件進(jìn)入耐壓試驗(yàn)界面，設(shè)置好試驗(yàn)額定壓力、保壓時(shí)間等試驗(yàn)參數(shù)。單擊“注水”按鈕，當(dāng)管路末端安裝的電子液位計(jì)檢測(cè)到水位信號(hào)時(shí)，表明管路系統(tǒng)空氣已排盡，排氣管段安裝的電動(dòng)球閥將自動(dòng)關(guān)閉，系統(tǒng)正式進(jìn)入“升壓-保壓-卸壓”階段。耐壓試驗(yàn)界面實(shí)時(shí)顯示壓力值和圧力曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可存儲(chǔ)和打印[10]。

4.2 氣密試驗(yàn)

根據(jù)相關(guān)檢驗(yàn)規(guī)定，高壓軟管氣密試驗(yàn)需在耐壓試驗(yàn)完成后才可進(jìn)行。耐壓試驗(yàn)結(jié)束后，試驗(yàn)人員通過上位機(jī)操作軟件進(jìn)入氣密試驗(yàn)界面，設(shè)置好試驗(yàn)參數(shù)，單擊“干燥”按鈕，管路系統(tǒng)持續(xù)通入高壓氣體5 min，以吹干耐壓試驗(yàn)結(jié)束后殘留的水漬，隨后正式進(jìn)入“升壓-保壓-卸壓”階段，壓力值和圧力曲線實(shí)時(shí)顯示并可存儲(chǔ)與打印。

傳統(tǒng)的高壓軟管檢驗(yàn)將耐壓與氣密試驗(yàn)用不同的設(shè)備單獨(dú)做，而本檢驗(yàn)系統(tǒng)將兩者放在同一設(shè)備上順序完成。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證軟管耐壓與氣密性智能檢驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性。在常溫常壓下，采用傳統(tǒng)檢驗(yàn)和智能檢驗(yàn)兩種方式對(duì)DN50和DN100的高壓軟管進(jìn)行耐壓與氣密性試驗(yàn)。根據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)方法規(guī)定：高壓軟管分別在1.5倍設(shè)計(jì)壓力Ps下進(jìn)行耐壓試驗(yàn)和1.0倍設(shè)計(jì)壓力Ps下進(jìn)行氣密試驗(yàn)，結(jié)果應(yīng)無滲漏(漏氣)、無異常變形、壓降在2%以內(nèi)為合格[1]。

在傳統(tǒng)檢驗(yàn)實(shí)際操作過程中，工人師傅并不會(huì)嚴(yán)格通過精確計(jì)算評(píng)判檢驗(yàn)是否合格，往往依據(jù)軟管表面是否有滲漏、保壓前后壓力表示數(shù)是否有明顯降低來粗略判斷合格與否；而智能檢驗(yàn)過程會(huì)自動(dòng)記錄保壓前后系統(tǒng)壓力精確值，并計(jì)算壓力差、壓降百分比，壓降在2%以內(nèi)自動(dòng)判斷為合格，否則判斷為不合格。高壓軟管耐壓試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，氣密試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 高壓軟管耐壓試驗(yàn)結(jié)果

表2 高壓軟管氣密試驗(yàn)結(jié)果

由表1、表2中保壓前后的壓降比是否大于2%可判斷該檢驗(yàn)是否合格。傳統(tǒng)校驗(yàn)時(shí)壓力表可顯示保壓前后壓力值，但卻無法顯示壓降比，實(shí)際中操作人員只會(huì)估測(cè)壓降比以大致判斷合格與否。以表1中DN100 mm軟管耐壓檢驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，其壓降比略大于2%，傳統(tǒng)檢驗(yàn)時(shí)人工會(huì)粗略判斷為“合格”；而智能檢驗(yàn)則會(huì)自動(dòng)計(jì)算壓降比精確值并與2%比較，最后顯示為“不合格”。可見智能檢驗(yàn)的精確性明顯高于傳統(tǒng)檢驗(yàn)。

6 結(jié)束語

本文從高壓軟管傳統(tǒng)檢驗(yàn)方式面臨的幾點(diǎn)不足之處出發(fā)，開發(fā)了一套智能檢驗(yàn)系統(tǒng)，顯著地提高了檢驗(yàn)精度和檢驗(yàn)效率；耐壓與氣密檢驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)合了傳感器技術(shù)、PLC控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)，上位機(jī)自動(dòng)顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)與處理結(jié)果并生成報(bào)告與存儲(chǔ)，取代了人工讀數(shù)與記錄；根據(jù)設(shè)定參數(shù)自動(dòng)穩(wěn)定升壓，取代了不穩(wěn)定的手動(dòng)升壓；較大地降低了測(cè)試誤差、保證了測(cè)試的可靠性。該智能檢驗(yàn)系統(tǒng)也可作為典型的檢測(cè)設(shè)備的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有很高的實(shí)際意義與價(jià)值。