基于PLC的水壓復合設備壓力控制系統*

李 賀，張立新，胡 雪，曾海峰，張勝利，董 峰

(1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832003; 2.石河子市勝利硬面工程技術有限公司,新疆 石河子 832000)

0 引言

雙金屬復合管由兩種不同金屬材質管復合加工而成，從而使雙金屬復合管具有外管強度高和內襯管耐蝕性優異的性能特點[1]，而且制造成本低，因此，其在民用輸水、輸氣以及石油、化工等行業被廣泛應用。雙金屬復合管的研發與生產，已經成為金屬管制造行業的重要關注點[2]。雙金屬復合管目前主要采用機械擠壓和靜水液壓兩種復合方式進行材質復合。機械擠壓復合采用機械擴徑裝置對內襯管進行擠壓復合。靜水液壓復合采用靜水壓擴大內襯管與外基管進行復合。由于水壓復合技術采用靜水液壓復合，復合過程水壓均勻，復合效果較好，不會對內襯管表面產生損傷，因此水壓復合技術在雙金屬管復合技術領域被廣泛使用。但是，如果水壓復合加工過程中壓力控制不當，水壓復合效果可能達不到加工要求，甚至可能造成工業事故。為了使水壓復合設備能夠快速精準調節水壓和雙金屬復合管水壓復合壓力層間接觸力的大小，本文提出了一種基于PLC的水壓復合設備壓力控制系統，該控制系統采用PID控制方式實現水壓的閉環控制[3]。

1 壓力控制系統功能需求分析與總體架構設計

1.1 系統功能需求分析

本系統要求實現水壓復合設備的注水功能、復合加工壓力增壓與保壓功能、卸壓功能以及加工介質自動回收功能。

(1) 注水功能：當系統與待加工復合管管體連接好后，向空的管體內進行注水，使水充斥整個管體，將空氣排出，此時管體內壓力幾乎為零。

(2) 復合加工壓力增壓與保壓功能：當水注滿整個管體后，需繼續對管體內注水，增加管內壓力至復合加工所需壓力。復合加工需要進行一段時間高壓保持，在這個階段，系統需要保證加壓壓力保持在一定區間內，如果壓力低于或高于設定閾值，則需要進行壓力調節，使壓力保持穩定。

(3) 卸壓功能：復合管道加工完成后，則逐漸降低壓力，系統進入低壓保持階段。

(4) 加工介質自動回收功能：卸壓完成后，系統自動把管內的水抽回系統的水箱內。

(5) 系統壓力實時顯示在人機交互設備上。

1.2 控制系統總體架構設計

基于雙金屬管水壓復合工藝流程以及功能需求，設計水壓復合設備壓力控制系統，控制系統架構如圖1所示。

水壓復合設備壓力控制系統采用Samkoon AK070MG觸摸屏作為人機交互設備，以PLC為控制器。通過RS232數據線實現觸摸屏與PLC的通訊，觸摸屏可以實現遠程數據傳輸。水壓復合設備壓力控制系統由以下部分組成:

(1) 觸摸屏。觸摸屏是實現人機交互的設備，通過在觸摸屏中運行組態軟件，實現參數設定、工況監控、數據存儲等功能。

(2) PLC。即可編程控制器，其核心是微處理器，其邏輯功能強，同時還具有數據傳輸功能、數據處理功能[4]。PLC可接收控制指令以及傳感器采集的信息，以數字量或模擬量的輸入輸出實現對水壓復合工藝流程的控制。

(3) 執行元件。執行元件由電磁閥、低壓水泵、高壓水泵、變頻器等組成。PLC根據用戶指令結合傳感器的采集信號對設備執行元件進行控制，進而實現水壓復合的工藝流程。

2 系統硬件與軟件設計

2.1 系統硬件設計

2.1.1 硬件選型

人機交互設備選用穩定可靠的顯控Samkoon AK070MG觸摸屏，其具有2個RS232接口。PLC系統包括供電電源、CPU、內部存儲器、數字量與模擬量輸入輸出模塊。在進行PLC選型時，應根據系統功能需求和控制流程確定PLC的數字量和模擬量輸入輸出點數。同時，為了保證壓力控制系統穩定性以及響應速度，需要考慮PLC的存儲容量以及處理速度。查閱資料可知，通常PLC存儲容量是所需輸入輸出點數的10～15倍。由系統功能需求分析可知，PLC的模擬量輸入模塊需要2個點用于采集水壓傳感器檢測到的實時水壓以及保壓水壓；模擬量輸出模塊需要1個點用于輸出模擬量信號；數字量輸入模塊需要6個點用于設備基本工況顯示；數字量輸出模塊需要6個點用于對繼電器、電磁閥、水泵等的控制。模擬量和數字量輸入輸出模塊除所需要的點數外，還需要預留一定點數。綜合考慮后，選取PLC型號為:領控ZK2N-20MR-4AD2DA。

在水壓復合設備工作時，通過變頻器頻率改變實現高壓水泵轉速控制。在這個過程中，變頻器可能會出現過載現象，因此對變頻器進行選型時，應選擇過載能力強、可靠性高的變頻器。本系統采用萬川變頻器，其具備多種保護功能，可防止產生變頻器過載、線路短路、設備高溫、設備過電壓或欠電壓等。水壓傳感器是壓力控制系統的關鍵部件，本系統采用美控MIK-P300水壓傳感器，其測量范圍為0.1 MPa～100 MPa，測量范圍廣，滿足水壓復合高壓力工況；水壓復合時，產生水壓較大，傳感器需要具備較好防水性，密封等級為IP68,可靠性較高。

2.1.2 硬件構架

通過對水壓復合設備壓力控制系統進行硬件設計，以實現管材注水、復合管水壓增壓以及卸壓三個加工流程，控制系統的硬件組成如圖2所示。

圖2 控制系統硬件組成

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，實現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。本文控制系統選取模擬量輸出的控制方式對變頻器頻率進行調節，變頻器的給定信號為4 mA～20 mA的電流信號[5]。PLC輸出模擬量信號為4 mA～20 mA的電流信號，設置變頻器參數時，使4 mA～20 mA的電流信號對應變頻器輸出頻率0～50 Hz。設置模擬量4 mA對應變頻器輸出頻率0 Hz，設置模擬量20 mA對應變頻器輸出頻率50 Hz。變頻器參數設置完成后，將PLC和變頻器進行連線。PLC數字量輸出模塊與變頻器的啟停控制端子連接，以實現對高壓水泵的啟停控制。PLC模擬量輸出模塊與變頻器模擬量輸入端子連接，以實現對高壓水泵轉速的調節。

2.2 軟件設計

對水壓復合設備壓力控制系統進行軟件設計之前，需要結合控制系統功能需求和控制方案，選擇合適的軟件設計工具。由功能需求分析知，水壓復合設備壓力控制系統的人機交互設備需具有工況實時顯示、加工數據存儲與查詢、加工參數設定等功能。通過系統構架可知，人機交互設備需能與PLC建立通訊連接。同時，人機交互設備應具備上傳數據到數據庫的功能，便于數據的存儲與查詢。結合以上分析，這里選用AKWorkshop軟件進行人機交互界面設計，該軟件支持ODBC數據庫訪問接口標準，可以滿足軟件設計需求。本文采用的領控PLC兼容三菱FX2N系列PLC，因此，系統控制程序采用三菱系統編程GX Works2軟件進行編寫。

由上述分析可知，采用AKWorkshop軟件在Windows系統環境下進行人機交互界面開發，實現工況實時顯示、加工參數人工設定。通過AKWorkshop軟件與ACCESS數據庫相結合，實現現場工況數據查詢與存儲功能。將調試好的控制程序下載到PLC中，實現水壓復合設備實時控制與工作狀態和加工數據采集功能。系統軟件架構如圖3所示。

圖3 系統軟件架構

3 系統的工作原理與工作過程

3.1 工作原理

在進行水壓復合時需按照加工基準壓力值對復合管材進行增壓。水壓增壓與保壓是水壓復合加工的關鍵環節，水壓增壓環節是由PLC、變頻器、水壓傳感器實現的。控制系統利用高壓水泵向復合管材內注入高壓水對管材進行材質復合。查閱文獻可知，高壓水泵的電動機轉速表達式為:

(1)

其中：n為高壓水泵的電動機轉速，r/min；f為電動機頻率，Hz；s為電動機轉差率，%；p為電動機極對數。

由式(1)可得出:當其他參數固定時，轉速與頻率成正比，因此只需改變頻率就可調節水泵的轉速[6]。水壓復合加工主要利用高壓水泵進行復合加工壓力控制，所以可采用變頻器對高壓水泵轉速進行調節，通過頻率的變化改變水泵轉速確定水泵輸出流量以控制復合水壓大小。為實現高壓水泵壓力精準調節，這里采用PID控制器對變頻器頻率進行調節。水壓控制系統PID調節原理如圖4所示。

圖4 PID調節原理

PLC的數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閉。PLC的模擬量輸入模塊接收水壓傳感器采集的模擬量，進行A/D轉換。PLC的中央處理器通過計算得到傳感器采集到的實時水壓與設定加工水壓偏差值，然后利用PID控制器結合偏差值計算得出輸出值。通過模擬量輸出模塊將輸出值的數字量轉化為模擬量并發送到變頻器模擬量接收端子中。通過模擬量的變化調節變頻器頻率從而實現對高壓水泵轉速的調節，進而達到控制加工水壓的目的。

3.2 工作過程

雙金屬管水壓復合設備壓力控制系統具有手動與自動控制兩種模式。當選擇手動控制模式時，需要操作人員手工操作完成每一個加工步驟。為保證安全生產，工作人員應嚴格遵守設備操作規范，同時，在設計手動控制程序時應設置緊急報警停機程序，避免危險發生。在選擇自動控制模式時，水壓復合設備各系統將按照加工步驟依次啟動。系統主要工作流程如圖5所示。

系統的具體工作步驟如下：

(1) 啟動水壓復合設備，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，啟動低壓水泵向復合管材內注水。

(3) 注水完成后，關閉卸壓閥。高壓水路電磁閥2打開，利用變頻器頻率改變調節高壓水泵轉速，進而調節水壓大小。

(4) 當水壓達到預設定的加工壓力值時，高壓水路電磁閥2關閉，高壓水泵關閉，進入保壓環節。

(5) 在系統保壓過程中，水壓傳感器需要按照一定頻率采集系統水壓，比較實時水壓值與加工設定壓力值，當水壓值低于設定的壓力閾值時，重新啟動高壓水泵進行加壓。

(6) 保壓時間到達后，卸壓閥打開卸壓，加工介質回流水箱。

(7) 夾緊裝置、密封裝置等裝置復位，加工過程完成。

圖5 系統工作流程

4 結論

本文采用觸摸屏、PLC、傳感器等構建的水壓復合設備壓力控制系統，能夠實現雙金屬管水壓復合過程水壓自動調節，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合加工設備的自動化程度。本次設計完成了對閥門、泵、壓力傳感器的信號采集與控制，研究了基于PLC與組態軟件的水壓復合設備壓力控制系統，使用AKWorkshop軟件進行了監控界面設計，觸摸屏上可顯示工作狀態變化，便于對工況監控，并在觸摸屏上實現了閥門啟停以及泵轉速調節的手動控制以及自動控制，利用PID控制能夠有效提升控制精度，實現了水壓復合增壓、保壓過程的水壓穩定，有效保障了水壓復合的加工質量。