劉艷軍，韓志凌，趙海賢

(1.承德石油高等?？茖W(xué)校機(jī)械工程系，河北 承德 067000;2.承德石油高等專科學(xué)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(shù)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(yīng)力開裂、抗老化、電絕緣、耐磨性好、易安裝等優(yōu)點(diǎn)，在全國范圍內(nèi)得到了迅速應(yīng)用［1］，圖1所示為聚乙烯閥門的結(jié)構(gòu)。閥門損壞引起燃?xì)庑孤稌：θ松怼⒇?cái)產(chǎn)安全，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定此類閥門在出廠前要逐個進(jìn)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(yàn)過程中閥門要避免承受軸向力。為此，試驗(yàn)設(shè)備除了采用特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之外，其控制系統(tǒng)必須滿足定位精確，運(yùn)行穩(wěn)定可靠的要求。

1 試驗(yàn)機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及工作原理

此試驗(yàn)機(jī)用來完成聚乙烯閥門密封性能檢測及開閉閥門時旋轉(zhuǎn)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(yàn)機(jī)的主體結(jié)構(gòu)示意圖，其運(yùn)動機(jī)構(gòu)包括封堵閥門兩端部的橫向運(yùn)動機(jī)構(gòu)，開閉閥門的縱向升降機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。閥門兩端封堵后可進(jìn)行密封性檢測試驗(yàn)，縱向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)閥門的開閉，檢測操作扭矩。

2 控制系統(tǒng)組成

試驗(yàn)機(jī)橫向和縱向運(yùn)動采用電缸做驅(qū)動，電缸相對于氣缸具有定位精確，穩(wěn)定耐用的優(yōu)點(diǎn)。開閉閥門的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動由異步電機(jī)拖動減速機(jī)實(shí)現(xiàn)。閥門內(nèi)部的充放氣通過四位二通電磁閥控制氣源的通斷來實(shí)現(xiàn)。

本試驗(yàn)機(jī)測試的閥門為 90°旋轉(zhuǎn)閥門。按照GB15558.3－2008規(guī)定的試驗(yàn)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(jī)構(gòu)三部分組成，如圖3所示。檢測環(huán)節(jié)包括對電缸行程進(jìn)行定位的接近開關(guān)，檢測開閉閥門是否到位的接近開關(guān)，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。控制環(huán)節(jié)包括可編程邏輯控制器(Programmable Logical Controller，PLC)和人機(jī)交互界面(Human-machine Interface，HMI)，PLC負(fù)責(zé)采集傳感器的檢測信息并據(jù)此進(jìn)行相應(yīng)的動作控制，HMI供操作者操控、記錄試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，PLC與HMI組成控制系統(tǒng)的核心。執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電缸、減速電機(jī)、電磁閥。

3 PLC與HMI選型及I/O地址定義

本試驗(yàn)機(jī)要求運(yùn)動定位精度高，開閉閥門時的扭矩能夠?qū)崿F(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(yīng)機(jī)構(gòu)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(dá)DVP-SA2系列，本系列PLC主機(jī)點(diǎn)數(shù)是12(8DI+4DO)，最大I/O點(diǎn)數(shù)492個，程序容量16K Steps，內(nèi)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(nèi)置USB接口，能夠連接打印機(jī)等特點(diǎn)。

依據(jù)試驗(yàn)機(jī)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(jī)和電磁閥的動作。圖4是對應(yīng)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(shè)計(jì)

閥門最初處于關(guān)閉狀態(tài)，左右腔室不導(dǎo)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(jìn)到位將閥門兩端預(yù)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(zhuǎn)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(nèi)腔可靠密封，為后續(xù)檢測做好準(zhǔn)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(nèi)部排氣減壓至零，關(guān)閉閥門至全關(guān)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(dǎo)通的情況下檢測密封性及關(guān)閉閥門的操作扭矩。首先，閥門內(nèi)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(guān)閉閥門至全斷狀態(tài)，關(guān)閉過程中記錄操作扭矩變化。最后，閥門內(nèi)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(jié)束，下一個閥門的檢測依次重復(fù)上述第二至第六步的動作。

依據(jù)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(diǎn)有嚴(yán)格的先后順序，并且在一個循環(huán)周期內(nèi)存在相同動作重復(fù)出現(xiàn)的情況，如閥門的開閉，閥門內(nèi)腔的充放氣?；谶@一特點(diǎn)，在程序設(shè)計(jì)過程中可利用PLC內(nèi)部輔助繼電器M設(shè)置相應(yīng)動作節(jié)點(diǎn)的標(biāo)志位，只有相關(guān)聯(lián)的標(biāo)志位M置位滿足后續(xù)動作的運(yùn)行條件才能夠觸發(fā)相應(yīng)后續(xù)動作，后續(xù)動作產(chǎn)生的標(biāo)志位將前面動作產(chǎn)生的標(biāo)志位復(fù)位。這種程序設(shè)計(jì)方法既滿足控制流程的邏輯關(guān)系又提高了系統(tǒng)運(yùn)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(biāo)志位的設(shè)置與應(yīng)用。在這一程序段中，閥門左側(cè)充氣置位M160，當(dāng)充氣壓力達(dá)到0.6 MPa觸發(fā)M161保壓標(biāo)志位1置位，啟動定時器T0。延時時間到設(shè)定值，觸發(fā)M162保壓時間到標(biāo)志1置位，旋轉(zhuǎn)電機(jī)動作打開閥門(此段程序未列出)。旋轉(zhuǎn)電機(jī)開啟閥門到位觸發(fā)X4，當(dāng)M162和X4均導(dǎo)通的情況下觸發(fā)M163閥門排氣標(biāo)志1置位，同時當(dāng)閥門內(nèi)壓力降為了零M10置位，觸發(fā)M164關(guān)閉閥門標(biāo)志1置位。當(dāng)閥門關(guān)閉到位X5導(dǎo)通時，觸發(fā)M165閥門右側(cè)充氣標(biāo)志1置位，當(dāng)充氣壓力達(dá)到設(shè)定值時M170置位，觸發(fā)保壓啟動標(biāo)志2。據(jù)此思路可以完成整過流程的控制程序設(shè)計(jì)。

5 HMI控制畫面設(shè)計(jì)

采用臺達(dá)DOP-B07S410人機(jī)界面作為上位機(jī)，通過與PLC通訊實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)機(jī)的操作控制及扭矩記錄輸出。在上位機(jī)組態(tài)設(shè)計(jì)過程中，可利用PLC自帶的輔助繼電器M實(shí)現(xiàn)雙機(jī)之間的開關(guān)量信息傳遞，這樣可以大量降低對PLC硬輸入點(diǎn)的需求，從而節(jié)省了PLC的I/O點(diǎn)數(shù)，減少硬件數(shù)量降低成本［4-5］?？刂飘嬅婊谂_達(dá)DopSoft軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。共設(shè)計(jì)手動操作畫面、自動操作畫面及輸出曲線畫面。

6 結(jié)論

本文提出了基于PLC+HMI的控制方案，應(yīng)用于聚乙烯閥門密封及扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)。重點(diǎn)分析了控制系統(tǒng)組成、控制流程及程序設(shè)計(jì)方法，提出了利用PLC內(nèi)部輔助繼電器充當(dāng)標(biāo)志位的程序設(shè)計(jì)方法?？刂凭取⒖煽啃苑矫鏉M足GB15558.3－2008規(guī)定的試驗(yàn)條件，現(xiàn)場使用證明，試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)運(yùn)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(yàn)［J］.裝備制造技術(shù)，2010(4):165.

［2］馬洲，陳裕豐.燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁?PE)管道系統(tǒng)第3部分:閥門［S］.GB15558.3－2008.

［3］DVP-PLC應(yīng)用技術(shù)手冊(程序篇)［Z］.臺達(dá)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(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2008.

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