可編程序控制器在自動控制閥門多功能試驗平臺中的應用

蔡振宇

（上海輕葉工程科技有限公司，上海 201800）

0 引言

國內的自動控制閥門的設計加工起步較晚，但發展比較迅速。20 世紀中后期，開始研制單座閥、雙座閥等產品，主要通過仿制前蘇聯同類閥門產品的設計及生產環節，但由于機械加工工業水平落后，機械加工精度低，僅能滿足當時工業生產過程的一般控制要求。

近年來，隨著國內化工、能源電力和石油天然氣行業經濟建設的迅猛發展和工業自動化進程的不斷加快，自動化控制系統已經覆蓋應用到上述行業生產過程的各個工藝環節中。在這些自動控制系統中，用來控制流體的方向、壓力、流量，使配管和設備內的介質流動或停止并能控制其流量的重要執行控制設備，是為滿足工藝要求，保證安全順利生產而必須設置的管道元件。

確保各類閥門產品在現場安全無誤的工作，對確保石油化工企業生產裝置安全、穩定運行起著重要作用。石油化工企業用自動控制閥門主要有以下幾個特點：

◇ 種類、規格、型式多。

◇ 所處的工況環境惡劣、復雜。

◇ 本身結構繁雜，技術要求及價格精度高，制造困難。

◇ 在生產控制環節中所處的地位重要。

化工行業具有易燃易爆、有毒有害、高溫高壓等特點，極具危險性，一旦事故發生，導致的后果極其嚴重。這些自動控制閥門生產制造質量的優劣，都直接影響生產裝置的運行，甚至危及裝置現場和操作人員的生命安全。因此，自動控制閥門的質量對石油化工生產裝置的重要性是不言而喻的。

閥門行業作為典型的傳統制造業，競爭非常激烈。國內閥門生產廠家視產品質量如生命，以降低企業生產成本、提升產品質量，在市場競爭的機制下更大份額的占領市場成為企業發展的目標和動力。為解決閥門生產企業對提升產品質量需求與現有產品設計、檢測試驗設備、手段落后的局面，閥門生產企業都在各自進行技術挖潛，積極進行技術改造，特別對關系到產品質量的環節更是加大技術升級投入的力度。產品質量檢測水平的程度，是衡量企業市場競爭力的核心指標。

1 自動閥門檢測現況

當前國內自動閥門生產廠家閥門的試驗標準和內容，主要依據國標 GB22/T 17213《工業過程控制閥》中所要求的試驗。主要的試驗項目有：鑄件質量、殼體試驗和密封試驗及耐壓、泄漏試驗以及行程測試等功能性試驗[1]。除了鑄件檢測外，上述其他功能檢測都在專門的、功能性的試驗設備上進行。

以上對自動閥門的檢測功能，只是對自動閥門出廠前進行的基本質量測試方法，已經不能滿足現代閥門生產企業在新形勢下，對產品質量檢測各項功能細化及對產品測試的數據進行科學分析、共享以便改善產品設計的需求。同時，隨著計算機網絡技術、大數據分析等技術的發展，產品質量檢測的網絡化管理必然成為傳統閥門生產企業發展的一種趨勢。

針對以上情況，國內某大型閥門生產企業對本單位內現使用的自動閥門試驗設備進行了全面的技術升級改造。

2 解決方案

圖1 閥門壓力試驗設備結構框圖Fig.1 Block diagram of valve pressure test equipment

自動控制閥門主要由閥門執行機構（利用能源去驅動的裝置）和閥門本體兩部分組成。DCS、SIS、PLC 或者其他工藝生產控制系統通過DO、AO 模塊輸出信號，控制自動閥門的閥門執行機構，達到控制閥門開關或開度的目的。隨著微電子技術的發展，執行機構的設計和使用功能更加復雜。執行機構不再是單純的帶有位置感應開關的馬達齒輪傳動裝置。如今的執行機構分為：電動、氣動、氣液動、電液動等多種形式，同時也具備了更多先進的功能，在滿足基本的開、關功能之外，還具備檢測閥門與執行機構的工作狀態功能，可以為自動閥門的使用單位的預測性維護提供相關的數據。所選用的檢查辦法根據國家規范或是國際規范，如美國規范（ANSI/ASME,API）、德國規范（DIN）、歐洲規范（EN）以及國際規范（ISO）。

在本項目中，對提升自動控制閥門的試驗水平及出廠質量檢驗的方法及檢測設備所增加的檢測功能項的分析會上，技術人員充分聽取了閥門廠家設計人員、質檢人員及電氣維護人員的意見，并結合自動控制閥門的結構、功能等技術特點，將該廠技術改造分兩部分執行：

1）可編程序控制器（Programmable Controller），簡稱PLC，是20 世紀60 年代末研制并發展起來的一種實時數字控制的數位邏輯控制器，具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。把PLC 技術應用于傳統自動閥門壓力試驗設備的電氣控制部分的改造上，對原設備中的電氣部分進行改造，取代原有的控制系統。原壓力試驗設備電氣控制部分主要由功能儀表、交流接觸器、時間繼電器、繼電器、液壓驅動及電機等部件構成，功能單一、布線復雜，控制的精度差、可靠性差，沒有數據存儲、操作可視化顯示等現代化試驗設備必備的元素。根據實際改造資金的投入情況，改造中，在滿足技術指標的前提下，PLC 和試驗設備改造新增加的儀表變送器等都選擇了國產品牌，本次采用的國產PLC 具有多個通訊口，可實現數據RS232、RS485、TPICP 多種通訊模式。設備結構圖如圖1 所示。

圖2 自動閥門試驗臺控制系統框圖Fig.2 Block diagram of the control system of the automatic valve test bench

2）用PLC 系統取消原來的繼電器邏輯控制方式，試驗臺的控制全部都由PLC 完成，將壓力表測量壓力方式改為由壓力變送器檢測方式，壓力變送器的4mA ～20mA 信號進PLC，系統增加了供氣氣源的壓力檢測、油壓檢測功能。為了方便操作，保留原來的操作面板按鈕，同時將操作按鈕功能引進觸摸屏，在觸摸屏上也可以實現功能按鈕操作功能。油泵電機等全部由PLC 根據試驗程序控制輸出，系統根據輸入的閥門公稱通徑和壓力調整油缸壓緊壓力，完成壓緊工件、打開低水泵快速注水、打開高壓水泵、保壓計時、卸壓、復位試驗流程。在試驗過程中如發現異常情況，點擊試驗設備上的急停按鈕，可以馬上結束測試。當壓力值達到規定值時，本裝置會自動關閉電動試壓泵的開關，同時報警裝置進行報警[2]。控制系統框圖如圖2 所示。

原試驗臺的電機、液壓驅動電氣部分的控制也由PLC的DO 控制繼電器替代，完成移動、夾緊等動作控制。自動閥門試驗臺電氣控制原理框圖如圖3 所示。

自動閥門的試驗數據通過PLC 的以太網接口接入該閥門生產企業的數字化平臺，完成自動閥門試驗數據的分析、質量判斷工作。改造后的試驗臺操作界面如圖4 所示。

改造后的自動閥門試驗臺集機電、液壓、試壓、液體介質貯存循環使用于一體，具有功能完善、性能穩定、自動化程度高等特點，為保證新出產閥門和檢修后閥門的牢靠的密封性質量，提供了有力的數據支持，系統數據界面如圖5 所示。

3）程控閥主要用于各種變壓或變溫氣體分離裝置，以及要求頻繁開關的各種工業流體輸送場合。根據石化行業近年兩次關于大型芳烴裝置吸附分離程控閥國產化會議要求，設計一臺程控閥性能調速同步試驗臺，能夠實現檢測譬如程控閥執行機構及電磁閥頻繁開關數據與開關壽命試驗，確認檢測電磁閥和執行結構能否滿足程控閥使用的不低于30 萬次的技術指標，測試過程與結果符合有關規定和要求，確保程控閥的生產質量[3]。調速同步試驗臺系統圖如圖6 所示。

圖3 自動閥門試驗臺電氣控制原理框圖Fig.3 Block diagram of electrical control principle of automatic valve test bench

圖4 操作界面Fig.4 Operation interface

圖5 系統測試數據界面Fig.5 System test data interface

圖6 調速同步試驗臺系統圖Fig.6 System diagram of speed control synchronous test bench

程控閥性能調速同步試驗臺由蒸汽供送單元、PLC 控制單元（PLC 系統設備選型依據和方案1 一致）、壓力變送器、溫度變送器等組成的儀表單元、閥門夾具單元和液壓介質儲存循環水箱組成。測試臺采用法蘭端面密封，抱壓爪直接夾緊閥門法蘭背面壓緊。夾緊機構由夾爪的夾緊油缸直接驅動來工作，夾爪軸向可以進退，不受法蘭厚度限制。徑向移動由油缸和杠桿組成，實現各夾爪徑向同步移動，徑向夾爪可以進退，不受閥門法蘭直徑限制，對測試閥門無外力影響。

PLC 的輸出端DO 點，因為需要頻繁輸出控制信號，用以驅動電磁閥動作。為了保護PLC 的DO 輸出點，在DO點和負載之間，設計一個中間繼電器，完成在控制系統中傳遞中間信號、增加接點容量的作用。本項目中，中間繼電器采用固態繼電器。固態繼電器是無觸點、無線圈的，無工作噪聲，內部通過晶閘管控制開閉的。所以可以高頻率地開閉，無火花、壽命長，一般用于頻率變化較快的場合。

將測試的程控閥安裝在試驗設備上，將PLC 的DO 接點通過中間固態繼電器輸入到換向元件（電磁閥），程控閥調速同步試驗臺模擬工況條件下，PLC 按事先編好的試驗程序對電磁閥輸出一個電信號，該電磁閥換向動作，使帶壓儀表空氣通過電磁閥的切換進入氣動執行機構的氣缸下腔推動活塞向上運動，活塞帶動閥桿，閥桿提動閥芯使閥門開啟；切斷電磁閥電信號，活塞反向運行使閥門關閉。

用PLC 做的觸發時間檢測，測量開到關與關到開全行程時間是否同步或可調，往復動作3 次，取平均值，完成開啟關閉時間測試。進行無壓空載冷態動作試驗頻次20s/次，動作10000 次，且將被測程控閥入口端輸入額定蒸汽壓力1.1 倍，并保持壓力恒定5min，另一端排大氣、反向也同上。

冷態試驗和熱態試驗，即是程控閥試驗條件為無壓空載或者模擬工況條件。在冷態試驗中時，即無壓空載條件下PLC 控制程控閥V2V3 單獨動作；程控閥應在試驗開始前和動作10000 次后測試泄漏量。在熱態試驗時，在模擬工況條件下（蒸汽溫度177℃，壓力0.9 MPa ～1.34MPa）動作程控閥V2V3，控制閥V1、V4 用來保持工況條件。程控閥在試驗開始前，動作500 次和1000 次，分別測試閥門泄漏量。上述的檢測數據都必須達到符合API 598 或ANSI/FCI 70-2 Class VI 級要求，同時滿足ISO 15848-1 中Class B低泄漏要求。調速同步試驗臺冷態操作界面如圖7 所示。

圖7 調速同步試驗臺冷態操作界面Fig.7 Cold state operation interface of speed control synchronous test bench

圖8 調速同步試驗臺熱態操作界面Fig.8 Thermal operation interface of speed control synchronous test bench

PLC 程序采用梯形圖編程，在程序中，工藝選擇條件具備啟動要求后，DO 輸出同時，也啟動定時器，記錄電磁閥開、關的頻率，并將數據實時傳遞到觸摸屏上顯示、記錄。調速同步試驗臺熱態操作界面如圖8 所示。

閥門試驗完成后，可在數字平臺的系統或者本地對試驗、測試數據打印。打印前，可以查看打印報告，試驗、測試數據不可更改。打印后，相關試驗數據存入系統并保存。

3 結束語

此次針對自動閥門檢測、試驗設備的技改技措，從自動控制理論出發，結合自動控制閥門研發與應用中的實際，對自動閥門試驗、測試設備進行了優化和改造。為實現對國外同類閥門的替代提供了依據，符合“十一五”期間國家發改委等國家有關部門提出的“爭取逐步實現重大裝備閥門國產化計劃”。

改造后經運行證明：自動閥門試驗設備的自動化程度大大優于原系統控制效果，控制可靠性大大提高，減輕了現場操作人員的勞動強度，使自動控制閥門在設計階段及出廠檢測階段的相關重要指標的測試數據更加精細豐富及可靠；通過改造平臺后，出廠銷售的自動化閥門，在現場使用后的維修、故障率明顯降低，對閥門生產質量提升具有非常重要的意義，也為國內閥門生產企業生產及質量管理開創了一條嶄新的道路，總體上提高了閥門生產企業的經濟效益。