(江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫 214122)

高壓軟管作為壓力容器的連接件，廣泛應用于石油、化工、罐車、農(nóng)業(yè)、食品、飲料、醫(yī)藥等行業(yè)，其介質(zhì)為氣、水、油、砂粒等。高壓軟管常用尺寸和壓力參數(shù)如下，長度：1 m≤L≤12 m，公稱尺寸：15 mm≤DN≤150 mm，設計壓力：0.6 MPa≤Ps≤30 MPa。在高壓或危險介質(zhì)場合下，如果介質(zhì)泄漏或軟管耐壓不足導致破裂將極有可能造成安全事故，根據(jù)相關國家標準中的試驗方法規(guī)定：高壓軟管在出廠前需要進行檢驗，在使用過程中也需要定期檢驗[1]。

目前，對高壓軟管的檢驗多數(shù)都停留在手動檢驗階段，也有少數(shù)對自動化檢驗的研究，但國內(nèi)很多研究對其性能試驗的精度和效率難以提高，總結(jié)為以下4點：① 檢驗時夾緊需要手工(擰螺栓)方式完成，工作效率低、勞動強度大；② 均采用指針式的儀表讀數(shù)，無法實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的自動記錄與追溯；③ 升壓過程全部人工操作，升壓過程隨機且易導致升壓過頭或達不到試驗壓力[2-4]；④ 耐壓與氣密兩項試驗用不同設備分開做。這就造成了效率低、精度低的問題。

因此，本文從智能檢驗的原理進行分析，解決夾緊裝置的優(yōu)化問題，研發(fā)出一套耐壓與氣密性能檢驗的智能測試系統(tǒng)，實現(xiàn)對高壓軟管性能試驗快速有效的檢驗和智能判定，獲得保證高效率、高精度性能檢驗的關鍵可靠性技術。該智能檢驗系統(tǒng)也可作為典型的檢測設備的計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有很高的實際意義與價值。

1 智能化檢驗的原理

區(qū)別于現(xiàn)有的檢驗方法，本檢驗系統(tǒng)采用下位機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位機數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)組合的方式：在管路系統(tǒng)中安裝壓力傳感器，采集實測壓力并傳遞給PLC；PLC接收到壓力電信號后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后進行邏輯處理并將結(jié)果傳輸?shù)缴衔粰C顯示器；上位機操作軟件實時顯示檢驗數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)庫存儲輸入的參數(shù)和檢驗結(jié)果，并可查詢已檢驗的信息[5-6]；同時，設計了一種壓入式液壓自動夾緊裝置，取代了手動擰螺栓的夾緊方式，該裝置夾緊端面裝有含密封槽的密封墊塊，檢驗時在密封槽內(nèi)加裝密封圈可實現(xiàn)密封；氣液雙相管道采用厚壁型可耐高壓。

本智能化檢驗系統(tǒng)實現(xiàn)了從手動檢驗到自動檢驗，從測試數(shù)據(jù)手工記錄到自動記錄與追溯，從耐壓與氣密性能單一檢驗到兩項檢驗一體化，整體檢驗時間從原來的近90 min降到近55 min，縮短了約40%，節(jié)省的時間主要源自自動夾緊替代手動夾緊方式、兩項檢驗一體化、檢驗結(jié)果報告自動生成替代人工記錄；采用自動化壓力閉環(huán)控制，可持續(xù)修正系統(tǒng)壓力，控制軟件實時顯示壓力精確值，取代了壓力控制不準的手動升壓-保壓及壓力表讀數(shù)的傳統(tǒng)方式，從粗略估計到精準數(shù)據(jù)。智能檢驗系統(tǒng)原理如圖1所示。

2 智能化檢驗的下位機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1 檢驗系統(tǒng)硬件

檢驗臺控制系統(tǒng)硬件部分主要由觸摸屏、歐姆龍CP1H(XA)型PLC、傳感器、電動閥門、增壓泵等組成，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構如圖2所示。

為了保證檢驗系統(tǒng)的精度和效率，采用了功能強大、處理速度快、穩(wěn)定可靠的歐姆龍CP1H(XA)型PLC作為檢驗臺的下位機。CP1H(XA)PLC是整個檢驗系統(tǒng)的核心，主要負責系統(tǒng)壓力的檢測與控制、各類電動閥門的開關、增壓泵的啟停、設備運行狀態(tài)監(jiān)視。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構框圖

2.2 數(shù)據(jù)采集

下位機數(shù)據(jù)采集以歐姆龍PLC作為數(shù)據(jù)采集器，采集系統(tǒng)主要由4個部分組成：信號檢測、PLC A/D轉(zhuǎn)換、PLC邏輯處理部分和串口通信。

(1) 信號檢測。信號檢測主要完成對測試壓力的采集。壓力傳感器是將壓力信號轉(zhuǎn)換成PLC能接收的電信號。壓力傳感器的關鍵參數(shù)是量程和精度，量程選擇大于檢驗設備最高壓力的1.2倍，精度選擇在±0.05%以內(nèi)。

(2) A/D轉(zhuǎn)換。PLC輸入端接收到的是傳感器傳來的模擬量(電信號)，模擬量信號必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號才能進行下一步邏輯處理判斷。

(3) 邏輯處理。數(shù)字量信號經(jīng)過邏輯處理與判斷后才可將結(jié)果顯示于上位機界面。

(4) 串口通信。將邏輯處理過的數(shù)字量信號通過RS232無協(xié)議通信上傳給上位機[7]。

2.3 壓力控制

下位機歐姆龍PLC程序通過編程系統(tǒng)CX-Programmer V9.3實現(xiàn)，CX-Programmer中有相應的功能模塊便于壓力的閉環(huán)控制。

① 通過PLC程序?qū)⑸衔粰C錄入的設定壓力轉(zhuǎn)換成電流信號傳遞到電液比例閥，從而在檢驗臺中生成對應的壓力；

② 壓力傳感器的實測壓力值與上位機設定壓力值在PLC中進行比較處理，算出偏差壓力值；

③ 控制器不斷修正先前的電流以完成對先前壓力的修正，這便達到了閉環(huán)控制壓力的需求。

壓力閉環(huán)控制結(jié)構如圖3所示。

圖3 檢驗臺壓力閉環(huán)控制結(jié)構圖

3 智能化檢驗的上位機數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

上位機數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要負責提前錄入待檢驗軟管的相關參數(shù)、與下位機建立通信、實時顯示壓力曲線、存儲檢驗結(jié)果、查詢以往檢驗記錄并在檢驗結(jié)束后自動生成圖文并茂的檢驗報告。

在Windows操作系統(tǒng)的基礎上，采用C#及SQL Server2012開發(fā)上位機數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。C#是微軟為其.NET體系專門開發(fā)并主推的一種新的程序開發(fā)語言，具有簡單、面向?qū)ο?、功能強大、安全、兼容性和靈活性等特性，適合上位機操作軟件用戶界面的開發(fā)[8]；SQL Server2012不僅具有優(yōu)良的集成性、靈活性，而且性價比高、使用便捷，適合數(shù)據(jù)庫的開發(fā)。

上位機操作軟件主要包括以下5個部分。

(1) 檢驗參數(shù)的錄入。檢驗參數(shù)包括設備和系統(tǒng)的參數(shù)以及待檢驗高壓軟管的測試參數(shù)，這些參數(shù)將會被存儲，方便以后再使用時直接讀出，避免了重復性錄入。

(2) 傳感器的校正。軟件中設置有傳感器校正功能，采用多點校正法提高了傳感器的使用精度。

(3) 檢驗過程的管控。根據(jù)提前錄入的檢驗參數(shù)信息，高壓軟管檢驗的“升壓-保壓-卸壓”過程將自動完成，并且升壓與卸壓速率相對穩(wěn)定、保壓的壓力值精確，壓力值與圧力曲線實時顯示。

(4) 檢驗數(shù)據(jù)的存儲。產(chǎn)品的檢測數(shù)據(jù)與錄入信息一起自動添加到數(shù)據(jù)庫中存儲，方便以后查詢調(diào)用。

(5) 檢驗數(shù)據(jù)的處理。檢驗數(shù)據(jù)的處理包括檢驗報告、測試數(shù)據(jù)表格以及圧力曲線的生成與打印[9]。

4 試驗流程簡易分析

4.1 耐壓試驗

安裝好待檢驗軟管之后，整個管路系統(tǒng)中存在一定量空氣，而空氣有可壓縮性，若不排空則會影響系統(tǒng)的快速響應性能。試驗人員通過上位機操作軟件進入耐壓試驗界面，設置好試驗額定壓力、保壓時間等試驗參數(shù)。單擊“注水”按鈕，當管路末端安裝的電子液位計檢測到水位信號時，表明管路系統(tǒng)空氣已排盡，排氣管段安裝的電動球閥將自動關閉，系統(tǒng)正式進入“升壓-保壓-卸壓”階段。耐壓試驗界面實時顯示壓力值和圧力曲線，實驗結(jié)果可存儲和打印[10]。

4.2 氣密試驗

根據(jù)相關檢驗規(guī)定，高壓軟管氣密試驗需在耐壓試驗完成后才可進行。耐壓試驗結(jié)束后，試驗人員通過上位機操作軟件進入氣密試驗界面，設置好試驗參數(shù)，單擊“干燥”按鈕，管路系統(tǒng)持續(xù)通入高壓氣體5 min，以吹干耐壓試驗結(jié)束后殘留的水漬，隨后正式進入“升壓-保壓-卸壓”階段，壓力值和圧力曲線實時顯示并可存儲與打印。

傳統(tǒng)的高壓軟管檢驗將耐壓與氣密試驗用不同的設備單獨做，而本檢驗系統(tǒng)將兩者放在同一設備上順序完成。

5 實驗驗證

通過試驗實測數(shù)據(jù)，驗證軟管耐壓與氣密性智能檢驗系統(tǒng)的可靠性。在常溫常壓下，采用傳統(tǒng)檢驗和智能檢驗兩種方式對DN50和DN100的高壓軟管進行耐壓與氣密性試驗。根據(jù)相關國家標準中的試驗方法規(guī)定：高壓軟管分別在1.5倍設計壓力Ps下進行耐壓試驗和1.0倍設計壓力Ps下進行氣密試驗，結(jié)果應無滲漏(漏氣)、無異常變形、壓降在2%以內(nèi)為合格[1]。

在傳統(tǒng)檢驗實際操作過程中，工人師傅并不會嚴格通過精確計算評判檢驗是否合格，往往依據(jù)軟管表面是否有滲漏、保壓前后壓力表示數(shù)是否有明顯降低來粗略判斷合格與否；而智能檢驗過程會自動記錄保壓前后系統(tǒng)壓力精確值，并計算壓力差、壓降百分比，壓降在2%以內(nèi)自動判斷為合格，否則判斷為不合格。高壓軟管耐壓試驗結(jié)果如表1所示，氣密試驗結(jié)果如表2所示。

表1 高壓軟管耐壓試驗結(jié)果

表2 高壓軟管氣密試驗結(jié)果

由表1、表2中保壓前后的壓降比是否大于2%可判斷該檢驗是否合格。傳統(tǒng)校驗時壓力表可顯示保壓前后壓力值，但卻無法顯示壓降比，實際中操作人員只會估測壓降比以大致判斷合格與否。以表1中DN100 mm軟管耐壓檢驗數(shù)據(jù)為例，其壓降比略大于2%，傳統(tǒng)檢驗時人工會粗略判斷為“合格”；而智能檢驗則會自動計算壓降比精確值并與2%比較，最后顯示為“不合格”?？梢娭悄軝z驗的精確性明顯高于傳統(tǒng)檢驗。

6 結(jié)束語

本文從高壓軟管傳統(tǒng)檢驗方式面臨的幾點不足之處出發(fā)，開發(fā)了一套智能檢驗系統(tǒng)，顯著地提高了檢驗精度和檢驗效率；耐壓與氣密檢驗系統(tǒng)結(jié)合了傳感器技術、PLC控制技術與計算機技術，上位機自動顯示檢測數(shù)據(jù)與處理結(jié)果并生成報告與存儲，取代了人工讀數(shù)與記錄；根據(jù)設定參數(shù)自動穩(wěn)定升壓，取代了不穩(wěn)定的手動升壓；較大地降低了測試誤差、保證了測試的可靠性。該智能檢驗系統(tǒng)也可作為典型的檢測設備的計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有很高的實際意義與價值。