荊學(xué)東　畢亞強(qiáng)

摘要：針對(duì)目前缺乏爆破片泄壓測(cè)試裝置方面的充分研究，要進(jìn)行高壓爆破片的泄壓性能測(cè)試具有較大困難這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種高壓爆破片泄壓測(cè)試裝置，其采用氣液增壓系統(tǒng)來(lái)輸出測(cè)試時(shí)所需的高壓壓力介質(zhì)。結(jié)合爆破片測(cè)試的要求，考慮到該系統(tǒng)的非線性特征，建立一種基于模糊邏輯控制器以實(shí)現(xiàn)參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整的PID控制器，并采用LabvIEW為上位機(jī)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以PLC作為下位機(jī)，結(jié)合串口通信協(xié)議，開(kāi)發(fā)一套適用于該爆破片壓力測(cè)試裝置的控制程序，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該控制系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果，基本符合國(guó)標(biāo)中對(duì)爆破片測(cè)試時(shí)線性增壓的要求，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：LabVIEw；PLC；氣液增壓；模糊參數(shù)自適應(yīng)PID控制

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2018）05_0083-05

0引言

爆破片作為一種非重復(fù)閉合泄放裝置，主要用于保護(hù)壓力容器、管道或其他密閉系統(tǒng)，使其避免超壓或真空而破壞。由于爆破片具有準(zhǔn)確可靠、適用面廣等特點(diǎn)，近些年來(lái)被廣泛用于化工、能源、醫(yī)藥等領(lǐng)域。國(guó)外對(duì)爆破片的研究始于上世紀(jì)30年代，國(guó)內(nèi)則是從60年代開(kāi)始，且所做研究大都集中在爆破片的設(shè)計(jì)、工藝及安裝使用等方面，針對(duì)爆破片泄壓測(cè)試的研究較少。王東方研究了壓力變化對(duì)爆破片性能昀影響，提出爆破片隨所受壓力和施壓次數(shù)增加的爆破壓力銳減系數(shù)，并使用水壓試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，但其設(shè)備笨重且輸出壓力有限：XU等分析了傳統(tǒng)拱形爆破片材料對(duì)爆破壓力的影響，并進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，但對(duì)其所用的測(cè)試設(shè)備介紹極少，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的壓力值也均較低：王路逸等針對(duì)爆破片疲勞特性做了一定研究，所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置亦可進(jìn)行泄壓測(cè)試，但其能達(dá)到的最大壓力為64 MPa，對(duì)高壓及超高壓爆破片的泄壓測(cè)試則無(wú)能為力。

針對(duì)爆破片的安全運(yùn)行問(wèn)題，本文參考與爆破片設(shè)計(jì)及測(cè)試相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW和PLC控制的爆破片泄壓測(cè)試裝置對(duì)爆破片質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估測(cè)試。該泄壓測(cè)試裝置采用了氣液增壓技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)超高壓輸出，且考慮到非線性系統(tǒng)的控制問(wèn)題，采用了模糊參數(shù)自適應(yīng)PID的控制策略，重點(diǎn)解決如何進(jìn)行參數(shù)在線調(diào)整以及減小系統(tǒng)輸出偏差。

1爆破片泄壓測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)

爆破片泄壓測(cè)試裝置是由氣液增壓伺服系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成，其基本原理如圖1所示。爆破片泄壓測(cè)試裝置的硬件組成主要包括氣動(dòng)回路及液壓回路中的氣動(dòng)三元件、氣動(dòng)比例閥、氣動(dòng)液壓泵、閥以及控制系統(tǒng)中的上位機(jī)、下位機(jī)及傳感器。在該測(cè)試裝置對(duì)爆破片進(jìn)行泄壓測(cè)試時(shí)，下位機(jī)PLC在接收到來(lái)自上位機(jī)的信號(hào)后控制兩個(gè)電磁閥共同得電。一方面使氣控針閥在驅(qū)動(dòng)氣體的作用下閉合，實(shí)現(xiàn)液壓回路的保壓：另一方面經(jīng)氣動(dòng)比例閥調(diào)節(jié)后的低壓驅(qū)動(dòng)氣體驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)液壓泵開(kāi)始工作，使液壓回路中的壓力逐漸上升。液壓回路中的壓力傳感器以及氣動(dòng)比例閥中內(nèi)置的空氣壓力傳感器采集壓力數(shù)據(jù)，并反饋給控制系統(tǒng)，完成對(duì)輸出壓力的閉環(huán)控制。

1.1爆破片泄壓測(cè)試裝置的硬件設(shè)計(jì)

爆破片壓力測(cè)試系統(tǒng)是一個(gè)集氣液增壓、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與分析為—體的綜合檢測(cè)系統(tǒng)。其中，氣動(dòng)比例閥作為氣液增壓系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一，選用了SMC公司的ITV3050系列的01F4CS3，其由電流控制，氣動(dòng)增壓泵選用Haskel公司的DSTV-1.5HP型雙作用增壓泵，壓力傳感器選用WIKA的A-10型。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)是壓力數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理的核心部分，其型號(hào)為研華UNO-3074A，所搭載的操作系統(tǒng)為Win7 64位，其CPU型號(hào)為Intel 13，內(nèi)存容量40 GB，并且支持RS232串口通信：在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中利用LabVIEW軟件可以輕松開(kāi)發(fā)出具有良好人機(jī)界面的上位機(jī)程序，完成壓力數(shù)據(jù)的接收、處理、顯示和打印。下位機(jī)選用性?xún)r(jià)比較高的三菱FX3GA作為主控單元，AD轉(zhuǎn)換模塊選用三菱FX3U-4AD，DA轉(zhuǎn)換模塊選用三菱FX2N-2DA，串口通信模塊選用三菱FX3G-232-BD。

1.2爆破片泄壓測(cè)試裝置控制程序設(shè)計(jì)

爆破片泄壓測(cè)試裝置的工作流程如圖2所示，根據(jù)系統(tǒng)的需求，該測(cè)試系統(tǒng)的控制程序主要是控制氣液回路的升壓、保壓和泄壓，以及完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集、處理與顯示。

該測(cè)試裝置對(duì)爆破片進(jìn)行測(cè)試時(shí)通過(guò)上、下位機(jī)控制完成，其中上位機(jī)采用LabVIEW進(jìn)行開(kāi)發(fā)，其軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。LabVIEW程序的執(zhí)行順序根據(jù)數(shù)據(jù)流的方式確定，整個(gè)程序是基于多線程設(shè)計(jì)的，可以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的并行，將數(shù)據(jù)接收、存儲(chǔ)放在一個(gè)子VI中，而將數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示放在另外的子VI中，這就決定了其易于實(shí)現(xiàn)程序的模塊化設(shè)計(jì)。

考慮到PLC數(shù)據(jù)處理能力較弱等因素，期望輸出由上位機(jī)計(jì)算后實(shí)時(shí)發(fā)送至PLC中。由于LabVIEW按照數(shù)據(jù)流模式運(yùn)行VI，如何合理地將循環(huán)中計(jì)算的期望輸出發(fā)送給PLC成為重要考量。在充分考慮串口發(fā)送速度等因素后，采用的定時(shí)中斷結(jié)構(gòu)如圖4所示。

上位機(jī)與三菱FX-3GA的通信方式一般有兩種：OPC服務(wù)器通信與串口通信。通過(guò)OPC服務(wù)器實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的通信雖然方便，但成本較高，而使用Modbus協(xié)議通信等相對(duì)較繁瑣。綜合考慮之下，使用自由口通信協(xié)議進(jìn)行上下位機(jī)的通信。由于三菱FX-3GA在進(jìn)行自由口通信模式時(shí)，報(bào)頭報(bào)尾默認(rèn)為十六進(jìn)制字符串，因此將傳輸數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制。在進(jìn)行測(cè)試時(shí)為減少工程技術(shù)人員的工作量，輸入的壓力數(shù)據(jù)為十進(jìn)制數(shù)值，因此，需要在上位機(jī)中對(duì)發(fā)往PLC的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由于LabVIEW中字節(jié)數(shù)組至字符串轉(zhuǎn)換函數(shù)只能識(shí)別八位，為了盡量節(jié)省工控機(jī)資源并結(jié)合實(shí)際需求，使用LabVlEW公式節(jié)點(diǎn)對(duì)輸入壓力值進(jìn)行類(lèi)型轉(zhuǎn)換。

在實(shí)際壓力測(cè)試與數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中，由于系統(tǒng)本身的振動(dòng)以及外界電磁干擾等因素的影響，若未采取濾波措施或?yàn)V波效果較差，則采集到的數(shù)據(jù)中將包含大量的噪聲。為解決這一問(wèn)題，除在PLC的AD模塊中進(jìn)行初步的濾波外，該系統(tǒng)還在上位機(jī)程序中利用LabVIEW設(shè)計(jì)了Butterworth濾波器和Chebyshev濾波器等來(lái)進(jìn)一步對(duì)采集到的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

壓力數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)濾波處理后，爆破片壓力測(cè)試系統(tǒng)的人機(jī)交互界面中將會(huì)實(shí)時(shí)顯示，并即時(shí)繪制出壓力的變化曲線。依據(jù)實(shí)際需求，為便于對(duì)采集處理后壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)的分析，系統(tǒng)將采集的所有壓力數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)時(shí)間寫(xiě)入文本文檔中進(jìn)行保存?zhèn)浞荨?/p>

1.3爆破片泄壓測(cè)試裝置控制策略設(shè)計(jì)

由于氣液增壓伺服系統(tǒng)是一個(gè)強(qiáng)非線性的高階系統(tǒng)，其工作狀態(tài)和特性參數(shù)實(shí)時(shí)變化，而常規(guī)的定參數(shù)PID控制器具有線性特性，只在工作點(diǎn)附近保持良好的控制性能，因此在偏離工作點(diǎn)較遠(yuǎn)的位置，常規(guī)固定參數(shù)的PID控制器將因控制對(duì)象的時(shí)滯特性以及非線性特征而變得難以保持所設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)控制品質(zhì)?；谝陨戏治觯疚牟捎昧艘环N模糊參數(shù)自適應(yīng)PID控制器。其中，模糊控制器的設(shè)計(jì)包括語(yǔ)言變量及其范圍的選擇、隸屬度函數(shù)的設(shè)計(jì)、控制規(guī)則設(shè)計(jì)和去模糊化方法的選擇。該模糊參數(shù)自適應(yīng)PID控制器控制原理如圖5所示。

該控制器以工作點(diǎn)附近的PID參數(shù)作為其起始參數(shù)，通過(guò)獲取輸入量偏差e、偏差變化量ec，并通過(guò)計(jì)算得到該P(yáng)ID控制器的參數(shù)調(diào)整系數(shù)△K_p、△T_i、△T_d，表達(dá)式為（1）式中μ為模糊控制器的輸出。

對(duì)PID控制器參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整，使該控制器能夠圖5模糊參數(shù)自適應(yīng)P1D控制器控制原理更好適用于氣液增壓伺服系統(tǒng)的控制表達(dá)式為

用PLC對(duì)模擬量進(jìn)行PID控制時(shí)通?？梢圆捎肞ID控制模塊、PID指令或通過(guò)自編程序?qū)崿F(xiàn)PID控制等。PID過(guò)程控制模塊是由PLC廠家設(shè)計(jì)并存放在模塊中，盡管使用方便但價(jià)格昂貴。PID指令由PLC主控單元提供，其與模擬/數(shù)字和數(shù)字/模擬模塊組合使用時(shí)，可以獲得近似于使用PID控制模塊的效果，成本卻低得多；但其博而不專(zhuān)，調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)且準(zhǔn)確度不佳。因此，在上位機(jī)中設(shè)計(jì)了與系統(tǒng)相適應(yīng)的模糊控制器，并將模糊控制器的輸出發(fā)送至PLC中，對(duì)PLC中的PID控制器的參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整。

2系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析

該爆破片壓力測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，通過(guò)建立該系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，利用Mariab/simulink工具進(jìn)行PID控制器設(shè)計(jì)，計(jì)算并選取出一組合理的PID參數(shù)值，在經(jīng)過(guò)反復(fù)地試驗(yàn)和調(diào)試后，完成對(duì)參數(shù)自適應(yīng)PTD控制器的起始參數(shù)整定。

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行泄壓測(cè)試系統(tǒng)性能測(cè)試以驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的爆破片泄壓測(cè)試裝置的實(shí)際效果。在爆破片泄壓測(cè)試裝置的上位機(jī)界面中，輸入測(cè)試壓力700 bar（1 bar=100 kPa），然后對(duì)通信參數(shù)進(jìn)行配置，在界面中點(diǎn)擊確定壓力輸入后，該測(cè)試裝置開(kāi)始控制氣液回路按測(cè)試要求進(jìn)行升壓，完成對(duì)爆破片的泄壓測(cè)試，測(cè)試結(jié)束后保存并記錄上位機(jī)接收的壓力數(shù)據(jù)。圖6所示為測(cè)試裝置壓力線性上升階段的上位機(jī)運(yùn)行圖。從圖中可以看出，壓力基本為線性上升，但由于元器件動(dòng)態(tài)響應(yīng)等因素的影響，系統(tǒng)輸出仍有一定的偏差，壓力值仍存在一定程度上的波動(dòng)。在后續(xù)實(shí)際的壓力測(cè)試試驗(yàn)時(shí)，該系統(tǒng)可以完成0～100 MPa之間的爆破片壓力測(cè)試，并且輸出準(zhǔn)確度高、響應(yīng)速度快，基本滿(mǎn)足了與爆破片設(shè)計(jì)及測(cè)試相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)爆破試驗(yàn)的要求。

3結(jié)束語(yǔ)

綜上對(duì)爆破片泄壓測(cè)試裝置設(shè)計(jì)的分析和研究，在其硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，綜合考慮了控制準(zhǔn)確度、成本和可靠性。通過(guò)實(shí)際的測(cè)試證明，基于LabvIEw和PLc開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)輸出壓力的線性升壓，并且具有穩(wěn)態(tài)誤差小、輸出準(zhǔn)確度高以及可靠性好的優(yōu)點(diǎn)，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。該測(cè)試系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)方便、成本低等特點(diǎn)，且基本能夠滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)中對(duì)爆破片壓力測(cè)試的要求，在檢驗(yàn)爆破片生產(chǎn)質(zhì)量及促進(jìn)生產(chǎn)工藝進(jìn)步等方面將發(fā)揮一定的作用。

（編輯：商丹丹）