張丹丹，劉 英，楊雨圖，李宇廷

（南京林業(yè)大學(xué) 機械電子工程學(xué)院，南京 210037）

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膨脹節(jié)性能試驗裝置控制系統(tǒng)設(shè)計

張丹丹，劉 英，楊雨圖，李宇廷

（南京林業(yè)大學(xué) 機械電子工程學(xué)院，南京 210037）

摘 要：針對江蘇省安全檢驗研究院現(xiàn)有膨脹節(jié)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(guī)則》膨脹節(jié)性能試驗要求的設(shè)計方案，根據(jù)其工作原理，完成了該控制系統(tǒng)的設(shè)計。控制系統(tǒng)采用PLC實現(xiàn)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(tài)軟件對控制系統(tǒng)實行監(jiān)控管理。此控制系統(tǒng)自動化程度高、效率高，具有很好的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：膨脹節(jié)；性能試驗；控制系統(tǒng)；PLC；組態(tài)王

0　引言

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

疲勞試驗是膨脹節(jié)性能型式試驗中的一個主要試驗項目，膨脹節(jié)性能試驗裝置是用于對膨脹節(jié)進行疲勞試驗的裝置，是保證檢測合格膨脹節(jié)的關(guān)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(xiàn)實意義。

1　膨脹節(jié)性能試驗裝置

系統(tǒng)裝置主要由立板、滑塊、驅(qū)動連接板、試驗件、水路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。如圖1所示。

各部分的主要功能如下：

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

圖1　試驗裝置的總體結(jié)構(gòu)

2）立板主要提供支撐和各組部件的安裝基礎(chǔ)以及整個設(shè)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(jié)試驗件的一端面，它可在水平方向滑動，以適應(yīng)不同長度膨脹節(jié)的安裝要求。

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

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

6）地基為試驗平臺提供支撐。

7）膨脹節(jié)性能試驗的試驗件。

8）導(dǎo)向槽是利于滑塊、驅(qū)動連接板在水平方向的運動，以適應(yīng)不同長度的膨脹節(jié)管道。

9）滑塊夾緊機構(gòu)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(qū)動與加載機構(gòu)連接在驅(qū)動連接板與立板之間，結(jié)構(gòu)上可連接測力傳感器和拉繩編碼器等部件，實現(xiàn)試驗加載和試驗位移的測量。

另外試驗設(shè)備還包括水路系統(tǒng)、設(shè)備的控制系統(tǒng)。水路系統(tǒng)是向膨脹節(jié)試驗件內(nèi)部提供試驗壓力的系統(tǒng)，設(shè)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(shè)備的控制系統(tǒng)采用PC機控制，主要是通過對上述滑塊、驅(qū)動連接板、加載機構(gòu)智能化控制達到膨脹節(jié)性能試驗精確、自動化的效果，并采用遠程操作和人機結(jié)合，在組態(tài)軟件界面顯示和輸入試驗參數(shù)，并實時顯示、采集和處理試驗數(shù)據(jù)［2］。

系統(tǒng)對滑塊和驅(qū)動連接板控制的參數(shù)較多，圖2和圖3分別為膨脹節(jié)性能試驗裝置滑塊和驅(qū)動連接板的結(jié)構(gòu)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(gòu)由夾緊電機獨立驅(qū)動，由接近開關(guān)實現(xiàn)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(qū)動連接板

翻轉(zhuǎn)機構(gòu)和連接法蘭機構(gòu)由各電機獨立控制，由接近開關(guān)實現(xiàn)連接法蘭機構(gòu)精確定位。

系統(tǒng)總體組成如圖4所示，包括總體總體設(shè)計結(jié)構(gòu)、總體控制模塊。膨脹節(jié)性能試驗設(shè)備的控制建立在對試驗設(shè)備設(shè)計的基礎(chǔ)上。試驗流程如圖5所示，試驗結(jié)束后給試驗件放水，松開滑塊夾緊機構(gòu)，連接法蘭機構(gòu)，打開驅(qū)動連接板翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，人工吊裝更換試驗件，重復(fù)圖5的步驟進行新的試驗件的疲勞性能試驗。

圖4　系統(tǒng)總體組成

圖5　系統(tǒng)控制流程圖

3　試驗裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計

控制系統(tǒng)的設(shè)計是建立在機械系統(tǒng)的設(shè)計基礎(chǔ)上的，由PC機配以組態(tài)軟件作上位機，西門子S7-200 PLC作下位機，實現(xiàn)智能化控制、集中管理。

3.1下位機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

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(qū)動連接板、加載機構(gòu)的動作，并采集如膨脹節(jié)試驗件內(nèi)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(jīng)PLCCPU內(nèi)部轉(zhuǎn)換輸出實際試驗數(shù)值［4，5］，另外對試驗過程中出現(xiàn)緊急故障時做出聲光報警反應(yīng)。

根據(jù)系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)控制點數(shù)較多，選用一個32輸入輸出數(shù)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(shù)據(jù)以電壓信號或者電流信號輸入轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出，EM231模塊上有撥碼開關(guān)，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(yīng)的EM231模塊撥碼開關(guān)撥到電流輸入或者電壓輸入，每個EM231模塊只能實現(xiàn)一種輸入模式，本系統(tǒng)一致選用電流信號輸入。根據(jù)控制系統(tǒng)硬件的選型、端口的分配和軟件的設(shè)計，連接PLC系統(tǒng)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(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

上位機采用計算機配以組態(tài)軟件實現(xiàn)，組態(tài)王軟件系統(tǒng)由北京亞控科技發(fā)展有限公司研發(fā)，具有數(shù)據(jù)采集、存儲、管理、顯示以及現(xiàn)場動態(tài)畫面組態(tài)、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(tài)軟件界面完成與下位機的網(wǎng)絡(luò)通訊以及與PLC數(shù)據(jù)相匹配的地址設(shè)置，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、管理與監(jiān)控，隨時生成數(shù)據(jù)報表，并能實現(xiàn)打印、存儲功能。組態(tài)王在系統(tǒng)中完成的功能如圖7所示。

圖7　組態(tài)王監(jiān)控系統(tǒng)總體框架

根據(jù)《壓力管道元件型式試驗規(guī)則》的規(guī)定，試驗系統(tǒng)對膨脹節(jié)內(nèi)壓、加載力、試驗位移和試驗次數(shù)有規(guī)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(shù)據(jù)，試驗內(nèi)壓按實際值輸出，實際試驗加載和試驗位移并求均的結(jié)果輸出顯示出來，數(shù)據(jù)求均由上位機編程實現(xiàn)，由組態(tài)軟件直觀輸出。并當超出規(guī)定值時組態(tài)軟件作報警反應(yīng)，保證膨脹節(jié)性能試驗安全有效的進行。組態(tài)王對膨脹節(jié)性能試驗數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控組態(tài)畫面如圖8所示。

圖8　膨脹節(jié)性能試驗數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控組態(tài)畫面

4　結(jié)束語

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

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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(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局技改項目：膨脹節(jié)性能試驗設(shè)備及操作系統(tǒng)研發(fā)（2014JIANGS09）；基于雙目視覺的波紋膨脹節(jié)波距檢測系統(tǒng)研究及開發(fā)：江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)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(shù)和機電一體化技術(shù)研究。