周靜紅
(蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院 中德工程學(xué)院,江蘇 太倉(cāng) 215411)
壓力容器的用途極為廣泛,它在工業(yè)、民用、軍工等許多部門以及科學(xué)研究的許多領(lǐng)域都具有重要的地位和作用。常見(jiàn)的壓力容器有熱交換器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器、加熱器、消毒鍋、染色器等,如果壓力容器在使用中發(fā)生爆炸,會(huì)造成災(zāi)難性事故。因此需要在出廠前對(duì)壓力容器進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè),保證壓力容器產(chǎn)品質(zhì)量。
進(jìn)入21世紀(jì),隨著自動(dòng)化水平的進(jìn)一步提高,基于PLC與組態(tài)軟件的壓力容器泄漏檢測(cè)系統(tǒng)日漸成熟。本文以此為背景,將西門子S7-200 PLC和西門子WINCC Flexible組態(tài)軟件運(yùn)用到壓力容器泄漏檢測(cè)系統(tǒng)中,該系統(tǒng)的投用能夠有效提升壓力容器泄漏檢測(cè)的自動(dòng)化水平,減少人員投入,增強(qiáng)安全性。
本系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)筒體(壓力容器)的注水功能、試驗(yàn)壓力保壓功能、設(shè)計(jì)壓力保壓測(cè)試功能以及筒體內(nèi)的水自動(dòng)回收功能。
(1)注水功能:當(dāng)系統(tǒng)與被測(cè)筒體連接好后,由于此時(shí)筒體是空的,需要對(duì)筒體進(jìn)行快速注水,充滿整個(gè)筒體,此時(shí)筒體內(nèi)壓力幾乎為零。
(2)試驗(yàn)壓力保壓功能:當(dāng)水注滿整個(gè)筒體后,繼續(xù)對(duì)筒體內(nèi)注水,加壓至試驗(yàn)壓力。此時(shí)關(guān)閉注水功能和出水口閥門,系統(tǒng)進(jìn)入試驗(yàn)壓力保壓功能階段,在規(guī)定的時(shí)間內(nèi),如果壓力低于設(shè)定值,則試驗(yàn)壓力保壓成功,進(jìn)入下一階段;如果壓力高于設(shè)定值,則試驗(yàn)壓力保壓失敗,系統(tǒng)停止測(cè)試并報(bào)警。
(3)設(shè)計(jì)壓力保壓測(cè)試功能:如果試驗(yàn)壓力保壓測(cè)試成功,則降壓至設(shè)計(jì)壓力。此時(shí)關(guān)閉出水口閥門,系統(tǒng)進(jìn)入設(shè)計(jì)壓力保壓功能階段,在規(guī)定的時(shí)間內(nèi),如果壓力低于設(shè)定值,則設(shè)計(jì)壓力保壓成功,進(jìn)入下一階段;如果壓力高于設(shè)定值,則設(shè)計(jì)壓力保壓失敗,系統(tǒng)停止測(cè)試并報(bào)警。
(4)筒體內(nèi)的水自動(dòng)回收功能:設(shè)計(jì)壓力保壓測(cè)試成功之后,系統(tǒng)自動(dòng)將筒體內(nèi)的水抽到系統(tǒng)的水箱內(nèi)。
(5)系統(tǒng)要有壓力保護(hù)功能,以防止系統(tǒng)出現(xiàn)故障或異常時(shí)損壞被測(cè)系統(tǒng)。
(6)系統(tǒng)壓力可隨時(shí)被顯示。
基于系統(tǒng)功能方面提出的種種需求,做出以下原理設(shè)計(jì),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖
(1)注水功能:系統(tǒng)采用一個(gè)大排量的注水泵給被測(cè)筒體進(jìn)行快速注水。氣動(dòng)閥V1作為注水功能與其他功能的隔離器件,當(dāng)需要時(shí)打開(kāi)。其工作原理為:開(kāi)啟注水泵,開(kāi)啟氣動(dòng)閥V1,關(guān)閉加壓泵,關(guān)閉氣動(dòng)閥V2,關(guān)閉排水泵,關(guān)閉氣動(dòng)閥V3,關(guān)閉氣動(dòng)閥V4,開(kāi)啟氣動(dòng)閥V5,往被測(cè)筒體中快速注水。
(2)試驗(yàn)壓力保壓功能:系統(tǒng)采用一個(gè)小排量的加壓泵,對(duì)被測(cè)筒體進(jìn)行慢速注水,以防止系統(tǒng)壓力過(guò)充(壓力過(guò)高)。氣動(dòng)閥V2作為試驗(yàn)壓力保壓功能與其他功能的隔離器件,當(dāng)需要時(shí)打開(kāi)。其工作原理為:當(dāng)水流開(kāi)關(guān)檢測(cè)到有水通過(guò)時(shí),關(guān)閉注水泵,關(guān)閉注水閥V1;關(guān)閉氣動(dòng)閥V5,打開(kāi)加壓泵,打開(kāi)氣動(dòng)閥V2,加壓至試驗(yàn)壓力;當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到當(dāng)前壓力達(dá)到試驗(yàn)壓力時(shí),關(guān)閉加壓泵,關(guān)閉氣動(dòng)閥V2;經(jīng)過(guò)系統(tǒng)規(guī)定的時(shí)間后,壓力傳感器檢測(cè)當(dāng)前壓力,并與試驗(yàn)壓力做比較,如果低于設(shè)定值則保壓成功,否則保壓失敗。
(3)設(shè)計(jì)壓力保壓測(cè)試功能:為了實(shí)現(xiàn)精確降壓,系統(tǒng)采用一個(gè)小孔針閥緩慢對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行壓力釋放,直到降壓到設(shè)計(jì)壓力。其工作原理為:打開(kāi)氣動(dòng)閥V4,系統(tǒng)通過(guò)針閥和V4開(kāi)始緩慢泄壓,當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到當(dāng)前壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力時(shí),關(guān)閉氣動(dòng)閥V4;經(jīng)過(guò)系統(tǒng)規(guī)定的時(shí)間后,壓力傳感器檢測(cè)當(dāng)前壓力,并與試驗(yàn)壓力做比較,如果低于設(shè)定值則保壓成功,否則保壓失敗。
(4)筒體內(nèi)的水自動(dòng)回收功能:系統(tǒng)采用一個(gè)大排量的氣動(dòng)隔膜泵,將被測(cè)筒體內(nèi)的水快速抽回水箱。其工作原理為:打開(kāi)排水泵及氣動(dòng)閥V3,進(jìn)行排水;在設(shè)定的排水時(shí)間到后,關(guān)閉排水泵及氣動(dòng)閥V3。整個(gè)測(cè)試過(guò)程結(jié)束。
本文以PLC控制系統(tǒng)為核心,通過(guò)閥門、泵、壓力傳感器與PLC和觸摸屏的有機(jī)組合完成測(cè)試系統(tǒng)的一系列動(dòng)作。
(1)PLC的選擇。本系統(tǒng)選擇西門子S7-200系列CPU226 PLC,該P(yáng)LC具有24路數(shù)字量輸入點(diǎn)及16路數(shù)字量輸出點(diǎn)。同時(shí),為了能夠采集壓力傳感器信號(hào),還配置了1個(gè)EM231模擬量輸入模塊,該模塊可采集4路模擬量信號(hào)。
(2)觸摸屏的選擇。本系統(tǒng)選擇西門子TP1200觸摸屏,該觸摸屏為12寸彩屏,具有12 MB的用戶內(nèi)存,可以實(shí)現(xiàn)4 000個(gè)報(bào)警、500個(gè)畫面、300個(gè)配方以及2 048個(gè)變量。
(3)壓力傳感器的選擇。本系統(tǒng)選擇易福門PT5400系列壓力傳感器,該傳感器能可靠檢測(cè)工業(yè)應(yīng)用中的系統(tǒng)壓力,具有較高的抗沖擊和震動(dòng)能力、優(yōu)秀的重復(fù)性和低線性誤差,高于6千萬(wàn)次壓力周期的使用壽命,適合在空間受限情況下安裝,具有耐用不銹鋼緊湊外殼。該傳感器的測(cè)量范圍為0 MPa~40 MPa,電源電壓為8.5 VDC~36 VDC,4 mA~20 mA模擬量輸出,有短路保護(hù)及過(guò)載保護(hù),重復(fù)精度為0.05%,線性偏差為0.1%。
(4)加壓泵的選擇。本系統(tǒng)選擇浙江海門4DY-165/6.3~15/80型電動(dòng)試壓泵,該泵是專供各類壓力容器、管道、閥門、蒸氣鍋爐等做水壓試驗(yàn)和試驗(yàn)室中獲得高壓液體的設(shè)備。該泵是按水壓試驗(yàn)要求而特殊設(shè)計(jì)的,在試壓的初始階段能迅速充液和升壓,以縮短試驗(yàn)時(shí)間,具有較大流量,當(dāng)壓力超過(guò)1.6 MPa(此壓力可以調(diào)低)后,為使試壓過(guò)程能較平衡而緩慢地進(jìn)行,流量自動(dòng)減小。因此本泵在高、低壓時(shí)具有兩種流量,并能自動(dòng)變換。凡在額定排出壓力以下,可進(jìn)行任意數(shù)值的水壓試驗(yàn)。額定排出壓力為6.3 MPa,高壓時(shí)流量為165 L/h,低壓時(shí)流量為500 L/h,配套電機(jī)型號(hào)為Y90L-4,電機(jī)額定功率為1.5 kW。加壓泵如圖2所示。
圖2 加壓泵
(5)氣動(dòng)閥的選擇。本系統(tǒng)選擇上海巨良閥門集團(tuán)的JL600-Q5系列氣動(dòng)V型對(duì)夾式氣動(dòng)球閥,該閥具有操作頻繁、啟閉迅速、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積輕巧、配合度高、回差小、V級(jí)泄漏等優(yōu)點(diǎn)。公稱壓力可達(dá)到2.5 MPa,閥體材質(zhì)為不銹鋼,密封材質(zhì)為聚四氟乙烯,如圖3所示。
圖3 氣動(dòng)閥
表1為系統(tǒng)I/O分配表。
表1 I/O分配表
本系統(tǒng)共有9個(gè)輸入信號(hào),包括6個(gè)按鈕和3個(gè)開(kāi)關(guān);10個(gè)輸出信號(hào),包括注水閥、氣動(dòng)閥、指示燈等。PLC外圍接線圖如圖4所示。
圖4 PLC外圍接線圖
本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)遵循以下流程,以自動(dòng)為例,當(dāng)水壓試壓工藝參數(shù)已知的情況下方可執(zhí)行自動(dòng)循環(huán)。通過(guò)兩次保壓判斷,當(dāng)符合條件,則執(zhí)行排水,否則不斷循環(huán),直至條件符合。系統(tǒng)測(cè)試流程如圖5所示。
圖5 系統(tǒng)測(cè)試流程
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)有5個(gè)組態(tài)畫面,分別是流程圖畫面、系統(tǒng)1壓力曲線、系統(tǒng)2壓力曲線、維修畫面和報(bào)警信息畫面。
3.2.1 流程圖畫面
根據(jù)系統(tǒng)的工藝要求及工作原理,畫出了系統(tǒng)流程圖,系統(tǒng)中各部件工作時(shí)為綠色,不工作時(shí)為灰色。畫面還可實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的工作壓力及系統(tǒng)目前處于什么階段,如準(zhǔn)備好、注水、一段保壓、降壓、二段保壓、泄壓及排水等,如圖6所示。
圖6 流程圖畫面 圖7 維修畫面 圖8 報(bào)警畫面
3.2.2 維修畫面
在維修畫面中可以對(duì)每個(gè)被控對(duì)象進(jìn)行手動(dòng)控制,可用于系統(tǒng)的調(diào)試及系統(tǒng)的手動(dòng)操作及應(yīng)急操作,如注水泵隔離閥啟動(dòng)/停止操作、加壓泵隔離閥啟動(dòng)/停止操作、排水泵隔離閥啟動(dòng)/停止操作、排空閥啟動(dòng)/停止操作、降壓閥啟動(dòng)/停機(jī)操作、注水泵啟動(dòng)/停止操作、加壓泵啟動(dòng)/停止操作、排水泵啟動(dòng)/停止操作、出水閥啟動(dòng)/停止操作及回水閥啟動(dòng)/停止操作等,如圖7所示。
3.2.3 報(bào)警信息畫面
該畫面顯示系統(tǒng)的實(shí)時(shí)報(bào)警信息,如工位1壓力傳感器報(bào)警、工位2壓力傳感器報(bào)警等,如圖8所示。
本次設(shè)計(jì)完成了對(duì)閥門、泵、壓力傳感器的信號(hào)采集與控制,實(shí)現(xiàn)了基于PLC與組態(tài)軟件的水壓泄漏檢測(cè)系統(tǒng),并且該系統(tǒng)已在某企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)可靠使用,觸摸屏上可顯示每個(gè)輸入、輸出信號(hào)的狀態(tài)變化,方便狀態(tài)監(jiān)控,并在觸摸屏上實(shí)現(xiàn)了各泵及閥門的手動(dòng)控制。