膨脹節性能試驗裝置控制系統設計

張丹丹，劉 英，楊雨圖，李宇廷

（南京林業大學 機械電子工程學院，南京 210037）

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膨脹節性能試驗裝置控制系統設計

張丹丹，劉 英，楊雨圖，李宇廷

（南京林業大學 機械電子工程學院，南京 210037）

摘 要：針對江蘇省安全檢驗研究院現有膨脹節性能試驗裝置存在的法蘭螺栓安裝困難、工作量大、效率低等問題，給出了一種滿足《壓力管道元件型式試驗規則》膨脹節性能試驗要求的設計方案，根據其工作原理，完成了該控制系統的設計。控制系統采用PLC實現可編程自動化控制，西門子S7-200PLC作為下位機，PC機作上位機的兩級分布式控制，上位機配置組態軟件對控制系統實行監控管理。此控制系統自動化程度高、效率高，具有很好的應用價值。

關鍵詞：膨脹節；性能試驗；控制系統；PLC；組態王

0　引言

管道在城建、石油、化工等領域已經得到廣泛的應用，膨脹節作為一種補償因溫度差與機械振動引起的附加應力而設置在管道上的撓性結構［1］需求量也越來越大，TSGD7002-2006《壓力管道元件型式試驗規則》明確規定所有膨脹節需進行型式試驗合格才能投入使用。

疲勞試驗是膨脹節性能型式試驗中的一個主要試驗項目，膨脹節性能試驗裝置是用于對膨脹節進行疲勞試驗的裝置，是保證檢測合格膨脹節的關鍵，提高試驗裝置的智能化、自動化水平保證試驗安全可靠的進行、提高試驗效率具有重要的現實意義。

1　膨脹節性能試驗裝置

系統裝置主要由立板、滑塊、驅動連接板、試驗件、水路系統、控制系統等組成。如圖1所示。

各部分的主要功能如下：

1）滑塊驅動機構是用來控制滑塊在水平方向的位置和運動的，由油缸驅動，油缸伸出端固定在滑塊上，由油缸驅動滑塊在水平方向運動，以實現膨脹節另一端面的位移。

圖1　試驗裝置的總體結構

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

3）左滑塊用來安裝和固定膨脹節試驗件的一端面，它可在水平方向滑動，以適應不同長度膨脹節的安裝要求。

4）導向柱為滑塊和驅動連接板提供支撐和導向作用，滑塊和驅動連接板可在導向柱上滑動。

5）驅動連接板的兩端分別安裝膨脹節試驗件的一個端面，它可在水平方向往復滑動，以達到對膨脹節的疲勞試驗要求。

6）地基為試驗平臺提供支撐。

7）膨脹節性能試驗的試驗件。

8）導向槽是利于滑塊、驅動連接板在水平方向的運動，以適應不同長度的膨脹節管道。

9）滑塊夾緊機構是用來夾緊試驗件，并保持試驗件的同心軸。

10）雙輸出桿油缸提供試驗的加載，液壓加載方式。

11）試驗驅動與加載機構連接在驅動連接板與立板之間，結構上可連接測力傳感器和拉繩編碼器等部件，實現試驗加載和試驗位移的測量。

另外試驗設備還包括水路系統、設備的控制系統。水路系統是向膨脹節試驗件內部提供試驗壓力的系統，設有壓力檢測，可實時檢測觀察試驗過程中的壓力變化，以及試驗過程中泄壓報警。

2　控制原理

設備的控制系統采用PC機控制，主要是通過對上述滑塊、驅動連接板、加載機構智能化控制達到膨脹節性能試驗精確、自動化的效果，并采用遠程操作和人機結合，在組態軟件界面顯示和輸入試驗參數，并實時顯示、采集和處理試驗數據［2］。

系統對滑塊和驅動連接板控制的參數較多，圖2和圖3分別為膨脹節性能試驗裝置滑塊和驅動連接板的結構圖。

圖2　滑塊

當試驗件口徑小于900mm時，用圖2所示的四個夾緊塊夾緊，當試驗口徑大于900mm時，用八個夾緊塊夾緊，每個夾緊機構由夾緊電機獨立驅動，由接近開關實現精確的位置控制。標尺上面有刻度，用于檢測試驗件的口徑。

圖3　驅動連接板

翻轉機構和連接法蘭機構由各電機獨立控制，由接近開關實現連接法蘭機構精確定位。

系統總體組成如圖4所示，包括總體總體設計結構、總體控制模塊。膨脹節性能試驗設備的控制建立在對試驗設備設計的基礎上。試驗流程如圖5所示，試驗結束后給試驗件放水，松開滑塊夾緊機構，連接法蘭機構，打開驅動連接板翻轉機構，人工吊裝更換試驗件，重復圖5的步驟進行新的試驗件的疲勞性能試驗。

圖4　系統總體組成

圖5　系統控制流程圖

3　試驗裝置控制系統的設計

控制系統的設計是建立在機械系統的設計基礎上的，由PC機配以組態軟件作上位機，西門子S7-200 PLC作下位機，實現智能化控制、集中管理。

3.1下位機控制系統的設計與實現

下位機主要由PLC及其拓展模塊組成，由上位機編程控制滑塊、驅動連接板、加載機構的動作，并采集如膨脹節試驗件內壓、加載力、加載位移傳感器輸出的0～10V電壓信號或4mA～20mA電流信號傳送至上位機經PLCCPU內部轉換輸出實際試驗數值［4，5］，另外對試驗過程中出現緊急故障時做出聲光報警反應。

根據系統的控制要求分配下位機PLC的I/O接口，如表1所示。

本控制系統選用西門子S 7 - 2 0 0功能最強的CPU226AC/DC/繼電器模塊，有24個輸入點，16個輸出點，由于系統控制點數較多，選用一個32輸入輸出數字量拓展模塊EM223，選用兩個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，試驗數據以電壓信號或者電流信號輸入轉換為數字量輸出，EM231模塊上有撥碼開關，一般傳感器有多種信號輸出形式，普遍可以電流信號或電壓信號輸出，選擇哪一種輸出形式則相應的EM231模塊撥碼開關撥到電流輸入或者電壓輸入，每個EM231模塊只能實現一種輸入模式，本系統一致選用電流信號輸入。根據控制系統硬件的選型、端口的分配和軟件的設計，連接PLC系統原理接線圖，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PLC I/O分配表

圖6　PLC接線原理圖

3.2上位機控制系統的設計與實現

上位機采用計算機配以組態軟件實現，組態王軟件系統由北京亞控科技發展有限公司研發，具有數據采集、存儲、管理、顯示以及現場動態畫面組態、實時報警等功能，可視化程度高［6，7］。上位機與下位機通過RS485總線連接，在組態軟件界面完成與下位機的網絡通訊以及與PLC數據相匹配的地址設置，從而實現數據采集、管理與監控，隨時生成數據報表，并能實現打印、存儲功能。組態王在系統中完成的功能如圖7所示。

圖7　組態王監控系統總體框架

根據《壓力管道元件型式試驗規則》的規定，試驗系統對膨脹節內壓、加載力、試驗位移和試驗次數有規定，滿足要求才能合理有效進行試驗。因此需要源源不斷的采集試驗數據，試驗內壓按實際值輸出，實際試驗加載和試驗位移并求均的結果輸出顯示出來，數據求均由上位機編程實現，由組態軟件直觀輸出。并當超出規定值時組態軟件作報警反應，保證膨脹節性能試驗安全有效的進行。組態王對膨脹節性能試驗數據采集及監控組態畫面如圖8所示。

圖8　膨脹節性能試驗數據采集及監控組態畫面

4　結束語

本文詳細敘述了上位機與下位機為一體的膨脹節性能試驗裝置控制系統的設計，整個系統能實現膨脹節性能試驗主要參數的顯示與處理、上下限報警等，數據采集精度高，確保了檢測系統的平穩安全運行，滿足膨脹節性能試驗標準。采用上下位機為一體的控制系統操作方便，明顯提高了試驗效率。類似的機械設計控制系統也可參考本文進行設計。

參考文獻：

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［3］ Yang Ling， XieShouyong，Yang Mingjin，Liu Feng，Yang Guocai，Chen Jian. Research onOptimization Design of Expansion Joint Bellows［J］.Transactionsof the Chinese Society of Agricultural Machinery，2006，37（9）：153-156.

［4］ 汪歡歡，胡國清，周青輝.基于PLC的氣動機械手控制系統設計與研究［J］.液壓與氣動，2012，（9）：38-40.

［5］ 李偉光，聶小軍.基于PLC的脈沖電場控制系統的研制［J］.機械設計與制造，2012，（4）：127-129.

［6］ 陳曦，何益.化工精餾塔的PLC溫度控制系統設計［J］.儀表技術與傳感器，2011，（11）：77-79.

［7］ 婁鵬，李文強，盧光建.基于組態王和PLC的空壓站在線監控系統［J］.機床與液壓，2014，（14）：119-123.

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

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

中圖分類號：TH-39

文獻標識碼：A

文章編號：1009-0134（2016）05-0016-04

收稿日期：2016-01-15

基金項目：國家質量監督檢驗檢疫總局技改項目：膨脹節性能試驗設備及操作系統研發（2014JIANGS09）；基于雙目視覺的波紋膨脹節波距檢測系統研究及開發：江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院項目（KJ（Y）2014013）

作者簡介：張丹丹（1991 -），女，安徽安慶人，碩士研究生，主要從事先進制造技術和機電一體化技術研究。