劉艷軍，韓志凌，趙海賢

(1.承德石油高等?？茖W校機械工程系，河北 承德 067000;2.承德石油高等?？茖W校電氣與電子工程系，河北 承德 067000;3.河北省儀器儀表工程技術研究中心，河北 承德 067000)

聚乙烯閥門具有重量輕、耐腐蝕、耐低溫、耐應力開裂、抗老化、電絕緣、耐磨性好、易安裝等優(yōu)點，在全國范圍內得到了迅速應用［1］，圖1所示為聚乙烯閥門的結構。閥門損壞引起燃氣泄露會危害人身、財產安全，國家標準規(guī)定此類閥門在出廠前要逐個進行密封性及開閉閥門的操作扭矩檢測［2］。由于聚乙烯閥門自身存在焊縫，在軸向力作用下焊縫容易受損影響密封性，故在檢測試驗過程中閥門要避免承受軸向力。為此，試驗設備除了采用特殊的機械結構設計之外，其控制系統(tǒng)必須滿足定位精確，運行穩(wěn)定可靠的要求。

1 試驗機的組成結構及工作原理

此試驗機用來完成聚乙烯閥門密封性能檢測及開閉閥門時旋轉扭矩的測量，適用于dn160規(guī)格的閥門，亦可通過更換夾具檢測dn63、dn90、dn110三種規(guī)格。如圖2為試驗機的主體結構示意圖，其運動機構包括封堵閥門兩端部的橫向運動機構，開閉閥門的縱向升降機構和旋轉機構。閥門兩端封堵后可進行密封性檢測試驗，縱向機構實現(xiàn)閥門的開閉，檢測操作扭矩。

2 控制系統(tǒng)組成

試驗機橫向和縱向運動采用電缸做驅動，電缸相對于氣缸具有定位精確，穩(wěn)定耐用的優(yōu)點。開閉閥門的旋轉運動由異步電機拖動減速機實現(xiàn)。閥門內部的充放氣通過四位二通電磁閥控制氣源的通斷來實現(xiàn)。

本試驗機測試的閥門為 90°旋轉閥門。按照GB15558.3－2008規(guī)定的試驗條件，開閉閥門的最大操作扭矩為300 N·m?？刂葡到y(tǒng)由檢測環(huán)節(jié)、控制環(huán)節(jié)和執(zhí)行機構三部分組成，如圖3所示。檢測環(huán)節(jié)包括對電缸行程進行定位的接近開關，檢測開閉閥門是否到位的接近開關，測量開閉閥門操作扭矩的扭矩傳感器以及檢測充放氣壓力的壓力傳感器?？刂骗h(huán)節(jié)包括可編程邏輯控制器(Programmable Logical Controller，PLC)和人機交互界面(Human-machine Interface，HMI)，PLC負責采集傳感器的檢測信息并據此進行相應的動作控制，HMI供操作者操控、記錄試驗機運行狀態(tài)，PLC與HMI組成控制系統(tǒng)的核心。執(zhí)行機構為電缸、減速電機、電磁閥。

3 PLC與HMI選型及I/O地址定義

本試驗機要求運動定位精度高，開閉閥門時的扭矩能夠實現(xiàn)動態(tài)測量記錄。具備手動與自動兩種工作模式，手動操作利用觸摸屏上的觸摸按鍵控制相應機構動作。自動模式下除裝卸閥門外其它動作均能夠自動完成。因此，控制系統(tǒng)采用PLC+HMI的方案，其中PLC選用臺達DVP-SA2系列，本系列PLC主機點數(shù)是12(8DI+4DO)，最大I/O點數(shù)492個，程序容量16K Steps，內置1個RS-232口與2個RS-485口［3］。HMI型號為DOP-B07S410，其具有存儲容量大，傳輸速度快，內置USB接口，能夠連接打印機等特點。

依據試驗機的控制要求，PLC的I/O地址定義如表1所示。其中輸入元件分別用于檢測位置信息和操作扭矩，輸出元件分別用于控制電機和電磁閥的動作。圖4是對應的PLC輸入輸出口接線圖。

表1 I/O地址分配表

4 控制流程與程序設計

閥門最初處于關閉狀態(tài)，左右腔室不導通。自動檢測閥門的動作過程分六個步驟。第一，橫縱兩向推桿回原位。即橫縱兩向推桿分別處于后限位的位置。第二，閥門的定位和固定。首先，橫向推桿前進到位將閥門兩端預封堵。其次，縱向推桿下降將開閉閥門的專用接口與閥門頂部的旋轉帽連接可靠。最后，通過閥門兩端的高性能密封裝置將閥門內腔可靠密封，為后續(xù)檢測做好準備。第三，閥門左腔室密封性及開閉閥門的操作扭矩檢測。閥門左腔室充氣加壓到0.6 MPa，保壓一定時間，在保壓期間檢測閥門的密封性，保壓時間到開啟閥門至全通狀態(tài)，開啟過程中記錄操作扭矩變化，最后閥門內部排氣減壓至零，關閉閥門至全關狀態(tài)。第四，閥門右腔室密封性及開閉閥門的操作扭矩檢測。此步驟與前一步驟類似，區(qū)別在于從閥門右腔室加壓，排完氣后閥門依然處于全開狀態(tài)。第五，閥門左右腔室導通的情況下檢測密封性及關閉閥門的操作扭矩。首先，閥門內部加壓至0.6 MPa保壓一定時間，在保壓期間檢測閥門的密封性。其次，保壓時間到關閉閥門至全斷狀態(tài)，關閉過程中記錄操作扭矩變化。最后，閥門內部排氣減壓至零。第六，橫縱兩向推桿回原位。至此一個循環(huán)周期結束，下一個閥門的檢測依次重復上述第二至第六步的動作。

依據控制流程編寫PLC程序。由于一個完整的流程中各動作節(jié)點有嚴格的先后順序，并且在一個循環(huán)周期內存在相同動作重復出現(xiàn)的情況，如閥門的開閉，閥門內腔的充放氣?；谶@一特點，在程序設計過程中可利用PLC內部輔助繼電器M設置相應動作節(jié)點的標志位，只有相關聯(lián)的標志位M置位滿足后續(xù)動作的運行條件才能夠觸發(fā)相應后續(xù)動作，后續(xù)動作產生的標志位將前面動作產生的標志位復位。這種程序設計方法既滿足控制流程的邏輯關系又提高了系統(tǒng)運行的可靠性和抗干擾能力。

通過圖5閥門左腔室充氣保壓至右腔室充氣保壓過程控制部分程序分析標志位的設置與應用。在這一程序段中，閥門左側充氣置位M160，當充氣壓力達到0.6 MPa觸發(fā)M161保壓標志位1置位，啟動定時器T0。延時時間到設定值，觸發(fā)M162保壓時間到標志1置位，旋轉電機動作打開閥門(此段程序未列出)。旋轉電機開啟閥門到位觸發(fā)X4，當M162和X4均導通的情況下觸發(fā)M163閥門排氣標志1置位，同時當閥門內壓力降為了零M10置位，觸發(fā)M164關閉閥門標志1置位。當閥門關閉到位X5導通時，觸發(fā)M165閥門右側充氣標志1置位，當充氣壓力達到設定值時M170置位，觸發(fā)保壓啟動標志2。據此思路可以完成整過流程的控制程序設計。

5 HMI控制畫面設計

采用臺達DOP-B07S410人機界面作為上位機，通過與PLC通訊實現(xiàn)試驗機的操作控制及扭矩記錄輸出。在上位機組態(tài)設計過程中，可利用PLC自帶的輔助繼電器M實現(xiàn)雙機之間的開關量信息傳遞，這樣可以大量降低對PLC硬輸入點的需求，從而節(jié)省了PLC的I/O點數(shù)，減少硬件數(shù)量降低成本［4-5］?？刂飘嬅婊谂_達DopSoft軟件進行設計。共設計手動操作畫面、自動操作畫面及輸出曲線畫面。

6 結論

本文提出了基于PLC+HMI的控制方案，應用于聚乙烯閥門密封及扭轉試驗機。重點分析了控制系統(tǒng)組成、控制流程及程序設計方法，提出了利用PLC內部輔助繼電器充當標志位的程序設計方法?？刂凭?、可靠性方面滿足GB15558.3－2008規(guī)定的試驗條件，現(xiàn)場使用證明，試驗機的控制系統(tǒng)運行可靠，操作方便，能滿足用戶使用要求。

［1］郝冰，周迎義，白春動.淺談聚乙烯壓力管件閥門制造的監(jiān)督檢驗［J］.裝備制造技術，2010(4):165.

［2］馬洲，陳裕豐.燃氣用埋地聚乙烯(PE)管道系統(tǒng)第3部分:閥門［S］.GB15558.3－2008.

［3］DVP-PLC應用技術手冊(程序篇)［Z］.臺達電子工業(yè)股份有限公司，2013.

［4］薛迎成.PLC與觸摸屏控制技術［M］.北京:中國電力出版社，2008.

［5］臺達觸摸屏編程手冊［M］.臺達電子工業(yè)股份有限公司，2013.