基于PLC的水壓復(fù)合設(shè)備壓力控制系統(tǒng)*

李 賀，張立新，胡 雪，曾海峰，張勝利，董 峰

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003; 2.石河子市勝利硬面工程技術(shù)有限公司,新疆 石河子 832000)

0 引言

雙金屬復(fù)合管由兩種不同金屬材質(zhì)管復(fù)合加工而成，從而使雙金屬復(fù)合管具有外管強(qiáng)度高和內(nèi)襯管耐蝕性優(yōu)異的性能特點(diǎn)[1]，而且制造成本低，因此，其在民用輸水、輸氣以及石油、化工等行業(yè)被廣泛應(yīng)用。雙金屬復(fù)合管的研發(fā)與生產(chǎn)，已經(jīng)成為金屬管制造行業(yè)的重要關(guān)注點(diǎn)[2]。雙金屬復(fù)合管目前主要采用機(jī)械擠壓和靜水液壓兩種復(fù)合方式進(jìn)行材質(zhì)復(fù)合。機(jī)械擠壓復(fù)合采用機(jī)械擴(kuò)徑裝置對(duì)內(nèi)襯管進(jìn)行擠壓復(fù)合。靜水液壓復(fù)合采用靜水壓擴(kuò)大內(nèi)襯管與外基管進(jìn)行復(fù)合。由于水壓復(fù)合技術(shù)采用靜水液壓復(fù)合，復(fù)合過程水壓均勻，復(fù)合效果較好，不會(huì)對(duì)內(nèi)襯管表面產(chǎn)生損傷，因此水壓復(fù)合技術(shù)在雙金屬管復(fù)合技術(shù)領(lǐng)域被廣泛使用。但是，如果水壓復(fù)合加工過程中壓力控制不當(dāng)，水壓復(fù)合效果可能達(dá)不到加工要求，甚至可能造成工業(yè)事故。為了使水壓復(fù)合設(shè)備能夠快速精準(zhǔn)調(diào)節(jié)水壓和雙金屬復(fù)合管水壓復(fù)合壓力層間接觸力的大小，本文提出了一種基于PLC的水壓復(fù)合設(shè)備壓力控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)采用PID控制方式實(shí)現(xiàn)水壓的閉環(huán)控制[3]。

1 壓力控制系統(tǒng)功能需求分析與總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能需求分析

本系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)水壓復(fù)合設(shè)備的注水功能、復(fù)合加工壓力增壓與保壓功能、卸壓功能以及加工介質(zhì)自動(dòng)回收功能。

(1) 注水功能：當(dāng)系統(tǒng)與待加工復(fù)合管管體連接好后，向空的管體內(nèi)進(jìn)行注水，使水充斥整個(gè)管體，將空氣排出，此時(shí)管體內(nèi)壓力幾乎為零。

(2) 復(fù)合加工壓力增壓與保壓功能：當(dāng)水注滿整個(gè)管體后，需繼續(xù)對(duì)管體內(nèi)注水，增加管內(nèi)壓力至復(fù)合加工所需壓力。復(fù)合加工需要進(jìn)行一段時(shí)間高壓保持，在這個(gè)階段，系統(tǒng)需要保證加壓壓力保持在一定區(qū)間內(nèi)，如果壓力低于或高于設(shè)定閾值，則需要進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，使壓力保持穩(wěn)定。

(3) 卸壓功能：復(fù)合管道加工完成后，則逐漸降低壓力，系統(tǒng)進(jìn)入低壓保持階段。

(4) 加工介質(zhì)自動(dòng)回收功能：卸壓完成后，系統(tǒng)自動(dòng)把管內(nèi)的水抽回系統(tǒng)的水箱內(nèi)。

(5) 系統(tǒng)壓力實(shí)時(shí)顯示在人機(jī)交互設(shè)備上。

1.2 控制系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于雙金屬管水壓復(fù)合工藝流程以及功能需求，設(shè)計(jì)水壓復(fù)合設(shè)備壓力控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

水壓復(fù)合設(shè)備壓力控制系統(tǒng)采用Samkoon AK070MG觸摸屏作為人機(jī)交互設(shè)備，以PLC為控制器。通過RS232數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)觸摸屏與PLC的通訊，觸摸屏可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。水壓復(fù)合設(shè)備壓力控制系統(tǒng)由以下部分組成:

(1) 觸摸屏。觸摸屏是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的設(shè)備，通過在觸摸屏中運(yùn)行組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、工況監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。

(2) PLC。即可編程控制器，其核心是微處理器，其邏輯功能強(qiáng)，同時(shí)還具有數(shù)據(jù)傳輸功能、數(shù)據(jù)處理功能[4]。PLC可接收控制指令以及傳感器采集的信息，以數(shù)字量或模擬量的輸入輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)水壓復(fù)合工藝流程的控制。

(3) 執(zhí)行元件。執(zhí)行元件由電磁閥、低壓水泵、高壓水泵、變頻器等組成。PLC根據(jù)用戶指令結(jié)合傳感器的采集信號(hào)對(duì)設(shè)備執(zhí)行元件進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水壓復(fù)合的工藝流程。

2 系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 硬件選型

人機(jī)交互設(shè)備選用穩(wěn)定可靠的顯控Samkoon AK070MG觸摸屏，其具有2個(gè)RS232接口。PLC系統(tǒng)包括供電電源、CPU、內(nèi)部存儲(chǔ)器、數(shù)字量與模擬量輸入輸出模塊。在進(jìn)行PLC選型時(shí)，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)功能需求和控制流程確定PLC的數(shù)字量和模擬量輸入輸出點(diǎn)數(shù)。同時(shí)，為了保證壓力控制系統(tǒng)穩(wěn)定性以及響應(yīng)速度，需要考慮PLC的存儲(chǔ)容量以及處理速度。查閱資料可知，通常PLC存儲(chǔ)容量是所需輸入輸出點(diǎn)數(shù)的10～15倍。由系統(tǒng)功能需求分析可知，PLC的模擬量輸入模塊需要2個(gè)點(diǎn)用于采集水壓傳感器檢測(cè)到的實(shí)時(shí)水壓以及保壓水壓；模擬量輸出模塊需要1個(gè)點(diǎn)用于輸出模擬量信號(hào)；數(shù)字量輸入模塊需要6個(gè)點(diǎn)用于設(shè)備基本工況顯示；數(shù)字量輸出模塊需要6個(gè)點(diǎn)用于對(duì)繼電器、電磁閥、水泵等的控制。模擬量和數(shù)字量輸入輸出模塊除所需要的點(diǎn)數(shù)外，還需要預(yù)留一定點(diǎn)數(shù)。綜合考慮后，選取PLC型號(hào)為:領(lǐng)控ZK2N-20MR-4AD2DA。

在水壓復(fù)合設(shè)備工作時(shí)，通過變頻器頻率改變實(shí)現(xiàn)高壓水泵轉(zhuǎn)速控制。在這個(gè)過程中，變頻器可能會(huì)出現(xiàn)過載現(xiàn)象，因此對(duì)變頻器進(jìn)行選型時(shí)，應(yīng)選擇過載能力強(qiáng)、可靠性高的變頻器。本系統(tǒng)采用萬川變頻器，其具備多種保護(hù)功能，可防止產(chǎn)生變頻器過載、線路短路、設(shè)備高溫、設(shè)備過電壓或欠電壓等。水壓傳感器是壓力控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，本系統(tǒng)采用美控MIK-P300水壓傳感器，其測(cè)量范圍為0.1 MPa～100 MPa，測(cè)量范圍廣，滿足水壓復(fù)合高壓力工況；水壓復(fù)合時(shí)，產(chǎn)生水壓較大，傳感器需要具備較好防水性，密封等級(jí)為IP68,可靠性較高。

2.1.2 硬件構(gòu)架

通過對(duì)水壓復(fù)合設(shè)備壓力控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)管材注水、復(fù)合管水壓增壓以及卸壓三個(gè)加工流程，控制系統(tǒng)的硬件組成如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件組成

PLC與卸壓閥連接，控制卸壓管道上卸壓閥的啟閉以完成卸壓。PLC輸出端子與低壓水路中的電磁閥1連接，以控制電磁閥1開閉，實(shí)現(xiàn)管材注水工藝的啟停。

利用PLC控制變頻器具有多種方式，所以需要選擇一種控制方式。本文控制系統(tǒng)選取模擬量輸出的控制方式對(duì)變頻器頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，變頻器的給定信號(hào)為4 mA～20 mA的電流信號(hào)[5]。PLC輸出模擬量信號(hào)為4 mA～20 mA的電流信號(hào)，設(shè)置變頻器參數(shù)時(shí)，使4 mA～20 mA的電流信號(hào)對(duì)應(yīng)變頻器輸出頻率0～50 Hz。設(shè)置模擬量4 mA對(duì)應(yīng)變頻器輸出頻率0 Hz，設(shè)置模擬量20 mA對(duì)應(yīng)變頻器輸出頻率50 Hz。變頻器參數(shù)設(shè)置完成后，將PLC和變頻器進(jìn)行連線。PLC數(shù)字量輸出模塊與變頻器的啟?？刂贫俗舆B接，以實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓水泵的啟?？刂?。PLC模擬量輸出模塊與變頻器模擬量輸入端子連接，以實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

對(duì)水壓復(fù)合設(shè)備壓力控制系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)之前，需要結(jié)合控制系統(tǒng)功能需求和控制方案，選擇合適的軟件設(shè)計(jì)工具。由功能需求分析知，水壓復(fù)合設(shè)備壓力控制系統(tǒng)的人機(jī)交互設(shè)備需具有工況實(shí)時(shí)顯示、加工數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查詢、加工參數(shù)設(shè)定等功能。通過系統(tǒng)構(gòu)架可知，人機(jī)交互設(shè)備需能與PLC建立通訊連接。同時(shí)，人機(jī)交互設(shè)備應(yīng)具備上傳數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫的功能，便于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與查詢。結(jié)合以上分析，這里選用AKWorkshop軟件進(jìn)行人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)，該軟件支持ODBC數(shù)據(jù)庫訪問接口標(biāo)準(zhǔn)，可以滿足軟件設(shè)計(jì)需求。本文采用的領(lǐng)控PLC兼容三菱FX2N系列PLC，因此，系統(tǒng)控制程序采用三菱系統(tǒng)編程GX Works2軟件進(jìn)行編寫。

由上述分析可知，采用AKWorkshop軟件在Windows系統(tǒng)環(huán)境下進(jìn)行人機(jī)交互界面開發(fā)，實(shí)現(xiàn)工況實(shí)時(shí)顯示、加工參數(shù)人工設(shè)定。通過AKWorkshop軟件與ACCESS數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)工況數(shù)據(jù)查詢與存儲(chǔ)功能。將調(diào)試好的控制程序下載到PLC中，實(shí)現(xiàn)水壓復(fù)合設(shè)備實(shí)時(shí)控制與工作狀態(tài)和加工數(shù)據(jù)采集功能。系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

3 系統(tǒng)的工作原理與工作過程

3.1 工作原理

在進(jìn)行水壓復(fù)合時(shí)需按照加工基準(zhǔn)壓力值對(duì)復(fù)合管材進(jìn)行增壓。水壓增壓與保壓是水壓復(fù)合加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，水壓增壓環(huán)節(jié)是由PLC、變頻器、水壓傳感器實(shí)現(xiàn)的?？刂葡到y(tǒng)利用高壓水泵向復(fù)合管材內(nèi)注入高壓水對(duì)管材進(jìn)行材質(zhì)復(fù)合。查閱文獻(xiàn)可知，高壓水泵的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表達(dá)式為:

(1)

其中：n為高壓水泵的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；f為電動(dòng)機(jī)頻率，Hz；s為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率，%；p為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。

由式(1)可得出:當(dāng)其他參數(shù)固定時(shí)，轉(zhuǎn)速與頻率成正比，因此只需改變頻率就可調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速[6]。水壓復(fù)合加工主要利用高壓水泵進(jìn)行復(fù)合加工壓力控制，所以可采用變頻器對(duì)高壓水泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過頻率的變化改變水泵轉(zhuǎn)速確定水泵輸出流量以控制復(fù)合水壓大小。為實(shí)現(xiàn)高壓水泵壓力精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，這里采用PID控制器對(duì)變頻器頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。水壓控制系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)原理如圖4所示。

圖4 PID調(diào)節(jié)原理

PLC的數(shù)字量輸出端子與變頻器啟停控制端子連接，通過PLC與變頻器控制高壓水泵的開啟與關(guān)閉。PLC的模擬量輸入模塊接收水壓傳感器采集的模擬量，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。PLC的中央處理器通過計(jì)算得到傳感器采集到的實(shí)時(shí)水壓與設(shè)定加工水壓偏差值，然后利用PID控制器結(jié)合偏差值計(jì)算得出輸出值。通過模擬量輸出模塊將輸出值的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量并發(fā)送到變頻器模擬量接收端子中。通過模擬量的變化調(diào)節(jié)變頻器頻率從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，進(jìn)而達(dá)到控制加工水壓的目的。

3.2 工作過程

雙金屬管水壓復(fù)合設(shè)備壓力控制系統(tǒng)具有手動(dòng)與自動(dòng)控制兩種模式。當(dāng)選擇手動(dòng)控制模式時(shí)，需要操作人員手工操作完成每一個(gè)加工步驟。為保證安全生產(chǎn)，工作人員應(yīng)嚴(yán)格遵守設(shè)備操作規(guī)范，同時(shí)，在設(shè)計(jì)手動(dòng)控制程序時(shí)應(yīng)設(shè)置緊急報(bào)警停機(jī)程序，避免危險(xiǎn)發(fā)生。在選擇自動(dòng)控制模式時(shí)，水壓復(fù)合設(shè)備各系統(tǒng)將按照加工步驟依次啟動(dòng)。系統(tǒng)主要工作流程如圖5所示。

系統(tǒng)的具體工作步驟如下：

(1) 啟動(dòng)水壓復(fù)合設(shè)備，固定管材，密封管道端口。

(2) 卸壓閥和低壓水路電磁閥1打開，啟動(dòng)低壓水泵向復(fù)合管材內(nèi)注水。

(3) 注水完成后，關(guān)閉卸壓閥。高壓水路電磁閥2打開，利用變頻器頻率改變調(diào)節(jié)高壓水泵轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)水壓大小。

(4) 當(dāng)水壓達(dá)到預(yù)設(shè)定的加工壓力值時(shí)，高壓水路電磁閥2關(guān)閉，高壓水泵關(guān)閉，進(jìn)入保壓環(huán)節(jié)。

(5) 在系統(tǒng)保壓過程中，水壓傳感器需要按照一定頻率采集系統(tǒng)水壓，比較實(shí)時(shí)水壓值與加工設(shè)定壓力值，當(dāng)水壓值低于設(shè)定的壓力閾值時(shí)，重新啟動(dòng)高壓水泵進(jìn)行加壓。

(6) 保壓時(shí)間到達(dá)后，卸壓閥打開卸壓，加工介質(zhì)回流水箱。

(7) 夾緊裝置、密封裝置等裝置復(fù)位，加工過程完成。

圖5 系統(tǒng)工作流程

4 結(jié)論

本文采用觸摸屏、PLC、傳感器等構(gòu)建的水壓復(fù)合設(shè)備壓力控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)雙金屬管水壓復(fù)合過程水壓自動(dòng)調(diào)節(jié)，有效提高了加工效率，在一定程度上提高了雙金屬管水壓復(fù)合加工設(shè)備的自動(dòng)化程度。本次設(shè)計(jì)完成了對(duì)閥門、泵、壓力傳感器的信號(hào)采集與控制，研究了基于PLC與組態(tài)軟件的水壓復(fù)合設(shè)備壓力控制系統(tǒng)，使用AKWorkshop軟件進(jìn)行了監(jiān)控界面設(shè)計(jì)，觸摸屏上可顯示工作狀態(tài)變化，便于對(duì)工況監(jiān)控，并在觸摸屏上實(shí)現(xiàn)了閥門啟停以及泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的手動(dòng)控制以及自動(dòng)控制，利用PID控制能夠有效提升控制精度，實(shí)現(xiàn)了水壓復(fù)合增壓、保壓過程的水壓穩(wěn)定，有效保障了水壓復(fù)合的加工質(zhì)量。