基于PLC控制的壓力容器水壓泄漏檢測系統(tǒng)的設(shè)計*

周靜紅

(蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院 中德工程學(xué)院，江蘇 太倉 215411)

0 引言

壓力容器的用途極為廣泛，它在工業(yè)、民用、軍工等許多部門以及科學(xué)研究的許多領(lǐng)域都具有重要的地位和作用。常見的壓力容器有熱交換器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器、加熱器、消毒鍋、染色器等，如果壓力容器在使用中發(fā)生爆炸，會造成災(zāi)難性事故。因此需要在出廠前對壓力容器進行嚴格的檢測，保證壓力容器產(chǎn)品質(zhì)量。

進入21世紀，隨著自動化水平的進一步提高，基于PLC與組態(tài)軟件的壓力容器泄漏檢測系統(tǒng)日漸成熟。本文以此為背景，將西門子S7-200 PLC和西門子WINCC Flexible組態(tài)軟件運用到壓力容器泄漏檢測系統(tǒng)中，該系統(tǒng)的投用能夠有效提升壓力容器泄漏檢測的自動化水平，減少人員投入，增強安全性。

1 壓力容器水壓泄漏檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能要求

本系統(tǒng)要求實現(xiàn)筒體(壓力容器)的注水功能、試驗壓力保壓功能、設(shè)計壓力保壓測試功能以及筒體內(nèi)的水自動回收功能。

(1)注水功能：當系統(tǒng)與被測筒體連接好后，由于此時筒體是空的，需要對筒體進行快速注水，充滿整個筒體，此時筒體內(nèi)壓力幾乎為零。

(2)試驗壓力保壓功能：當水注滿整個筒體后，繼續(xù)對筒體內(nèi)注水，加壓至試驗壓力。此時關(guān)閉注水功能和出水口閥門，系統(tǒng)進入試驗壓力保壓功能階段，在規(guī)定的時間內(nèi)，如果壓力低于設(shè)定值，則試驗壓力保壓成功，進入下一階段；如果壓力高于設(shè)定值，則試驗壓力保壓失敗，系統(tǒng)停止測試并報警。

(3)設(shè)計壓力保壓測試功能：如果試驗壓力保壓測試成功，則降壓至設(shè)計壓力。此時關(guān)閉出水口閥門，系統(tǒng)進入設(shè)計壓力保壓功能階段，在規(guī)定的時間內(nèi)，如果壓力低于設(shè)定值，則設(shè)計壓力保壓成功，進入下一階段；如果壓力高于設(shè)定值，則設(shè)計壓力保壓失敗，系統(tǒng)停止測試并報警。

(4)筒體內(nèi)的水自動回收功能：設(shè)計壓力保壓測試成功之后，系統(tǒng)自動將筒體內(nèi)的水抽到系統(tǒng)的水箱內(nèi)。

(5)系統(tǒng)要有壓力保護功能，以防止系統(tǒng)出現(xiàn)故障或異常時損壞被測系統(tǒng)。

(6)系統(tǒng)壓力可隨時被顯示。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于系統(tǒng)功能方面提出的種種需求，做出以下原理設(shè)計，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖

(1)注水功能：系統(tǒng)采用一個大排量的注水泵給被測筒體進行快速注水。氣動閥V1作為注水功能與其他功能的隔離器件，當需要時打開。其工作原理為：開啟注水泵，開啟氣動閥V1，關(guān)閉加壓泵，關(guān)閉氣動閥V2，關(guān)閉排水泵，關(guān)閉氣動閥V3，關(guān)閉氣動閥V4，開啟氣動閥V5，往被測筒體中快速注水。

(2)試驗壓力保壓功能：系統(tǒng)采用一個小排量的加壓泵，對被測筒體進行慢速注水，以防止系統(tǒng)壓力過充(壓力過高)。氣動閥V2作為試驗壓力保壓功能與其他功能的隔離器件，當需要時打開。其工作原理為：當水流開關(guān)檢測到有水通過時，關(guān)閉注水泵，關(guān)閉注水閥V1；關(guān)閉氣動閥V5，打開加壓泵，打開氣動閥V2，加壓至試驗壓力；當壓力傳感器檢測到當前壓力達到試驗壓力時，關(guān)閉加壓泵，關(guān)閉氣動閥V2；經(jīng)過系統(tǒng)規(guī)定的時間后，壓力傳感器檢測當前壓力，并與試驗壓力做比較，如果低于設(shè)定值則保壓成功，否則保壓失敗。

(3)設(shè)計壓力保壓測試功能：為了實現(xiàn)精確降壓，系統(tǒng)采用一個小孔針閥緩慢對系統(tǒng)進行壓力釋放，直到降壓到設(shè)計壓力。其工作原理為：打開氣動閥V4，系統(tǒng)通過針閥和V4開始緩慢泄壓，當壓力傳感器檢測到當前壓力達到設(shè)計壓力時，關(guān)閉氣動閥V4；經(jīng)過系統(tǒng)規(guī)定的時間后，壓力傳感器檢測當前壓力，并與試驗壓力做比較，如果低于設(shè)定值則保壓成功，否則保壓失敗。

(4)筒體內(nèi)的水自動回收功能：系統(tǒng)采用一個大排量的氣動隔膜泵，將被測筒體內(nèi)的水快速抽回水箱。其工作原理為：打開排水泵及氣動閥V3，進行排水；在設(shè)定的排水時間到后，關(guān)閉排水泵及氣動閥V3。整個測試過程結(jié)束。

2 壓力容器水壓泄漏檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本文以PLC控制系統(tǒng)為核心，通過閥門、泵、壓力傳感器與PLC和觸摸屏的有機組合完成測試系統(tǒng)的一系列動作。

2.1 系統(tǒng)硬件選擇

(1)PLC的選擇。本系統(tǒng)選擇西門子S7-200系列CPU226 PLC,該PLC具有24路數(shù)字量輸入點及16路數(shù)字量輸出點。同時，為了能夠采集壓力傳感器信號，還配置了1個EM231模擬量輸入模塊，該模塊可采集4路模擬量信號。

(2)觸摸屏的選擇。本系統(tǒng)選擇西門子TP1200觸摸屏，該觸摸屏為12寸彩屏，具有12 MB的用戶內(nèi)存，可以實現(xiàn)4 000個報警、500個畫面、300個配方以及2 048個變量。

(3)壓力傳感器的選擇。本系統(tǒng)選擇易福門PT5400系列壓力傳感器，該傳感器能可靠檢測工業(yè)應(yīng)用中的系統(tǒng)壓力，具有較高的抗沖擊和震動能力、優(yōu)秀的重復(fù)性和低線性誤差，高于6千萬次壓力周期的使用壽命，適合在空間受限情況下安裝，具有耐用不銹鋼緊湊外殼。該傳感器的測量范圍為0 MPa～40 MPa,電源電壓為8.5 VDC～36 VDC，4 mA～20 mA模擬量輸出，有短路保護及過載保護，重復(fù)精度為0.05%，線性偏差為0.1%。

(4)加壓泵的選擇。本系統(tǒng)選擇浙江海門4DY-165/6.3～15/80型電動試壓泵，該泵是專供各類壓力容器、管道、閥門、蒸氣鍋爐等做水壓試驗和試驗室中獲得高壓液體的設(shè)備。該泵是按水壓試驗要求而特殊設(shè)計的，在試壓的初始階段能迅速充液和升壓，以縮短試驗時間，具有較大流量，當壓力超過1.6 MPa(此壓力可以調(diào)低)后，為使試壓過程能較平衡而緩慢地進行，流量自動減小。因此本泵在高、低壓時具有兩種流量，并能自動變換。凡在額定排出壓力以下，可進行任意數(shù)值的水壓試驗。額定排出壓力為6.3 MPa，高壓時流量為165 L/h，低壓時流量為500 L/h，配套電機型號為Y90L-4，電機額定功率為1.5 kW。加壓泵如圖2所示。

圖2 加壓泵

(5)氣動閥的選擇。本系統(tǒng)選擇上海巨良閥門集團的JL600-Q5系列氣動V型對夾式氣動球閥，該閥具有操作頻繁、啟閉迅速、結(jié)構(gòu)簡單、體積輕巧、配合度高、回差小、V級泄漏等優(yōu)點。公稱壓力可達到2.5 MPa，閥體材質(zhì)為不銹鋼，密封材質(zhì)為聚四氟乙烯，如圖3所示。

圖3 氣動閥

2.2 系統(tǒng)I/O分配及外圍接線圖

表1為系統(tǒng)I/O分配表。

表1 I/O分配表

本系統(tǒng)共有9個輸入信號，包括6個按鈕和3個開關(guān)；10個輸出信號，包括注水閥、氣動閥、指示燈等。PLC外圍接線圖如圖4所示。

圖4 PLC外圍接線圖

3 壓力容器水壓泄漏檢測控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)流程

本系統(tǒng)軟件設(shè)計遵循以下流程，以自動為例，當水壓試壓工藝參數(shù)已知的情況下方可執(zhí)行自動循環(huán)。通過兩次保壓判斷，當符合條件，則執(zhí)行排水，否則不斷循環(huán)，直至條件符合。系統(tǒng)測試流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)測試流程

3.2 觸摸屏組態(tài)畫面設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計有5個組態(tài)畫面，分別是流程圖畫面、系統(tǒng)1壓力曲線、系統(tǒng)2壓力曲線、維修畫面和報警信息畫面。

3.2.1 流程圖畫面

根據(jù)系統(tǒng)的工藝要求及工作原理，畫出了系統(tǒng)流程圖，系統(tǒng)中各部件工作時為綠色，不工作時為灰色。畫面還可實時顯示系統(tǒng)的工作壓力及系統(tǒng)目前處于什么階段，如準備好、注水、一段保壓、降壓、二段保壓、泄壓及排水等，如圖6所示。

圖6 流程圖畫面 圖7 維修畫面 圖8 報警畫面

3.2.2 維修畫面

在維修畫面中可以對每個被控對象進行手動控制，可用于系統(tǒng)的調(diào)試及系統(tǒng)的手動操作及應(yīng)急操作，如注水泵隔離閥啟動/停止操作、加壓泵隔離閥啟動/停止操作、排水泵隔離閥啟動/停止操作、排空閥啟動/停止操作、降壓閥啟動/停機操作、注水泵啟動/停止操作、加壓泵啟動/停止操作、排水泵啟動/停止操作、出水閥啟動/停止操作及回水閥啟動/停止操作等,如圖7所示。

3.2.3 報警信息畫面

該畫面顯示系統(tǒng)的實時報警信息，如工位1壓力傳感器報警、工位2壓力傳感器報警等，如圖8所示。

4 結(jié)束語

本次設(shè)計完成了對閥門、泵、壓力傳感器的信號采集與控制，實現(xiàn)了基于PLC與組態(tài)軟件的水壓泄漏檢測系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)已在某企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場可靠使用，觸摸屏上可顯示每個輸入、輸出信號的狀態(tài)變化，方便狀態(tài)監(jiān)控，并在觸摸屏上實現(xiàn)了各泵及閥門的手動控制。