聚乙烯阀门密封及扭转试验机控制系统设计

刘艳军，韩志凌，赵海贤

(1.承德石油高等专科学校机械工程系，河北 承德 067000;2.承德石油高等专科学校电气与电子工程系，河北 承德 067000;3.河北省仪器仪表工程技术研究中心，河北 承德 067000)

聚乙烯阀门具有重量轻、耐腐蚀、耐低温、耐应力开裂、抗老化、电绝缘、耐磨性好、易安装等优点，在全国范围内得到了迅速应用［1］，图1所示为聚乙烯阀门的结构。阀门损坏引起燃气泄露会危害人身、财产安全，国家标准规定此类阀门在出厂前要逐个进行密封性及开闭阀门的操作扭矩检测［2］。由于聚乙烯阀门自身存在焊缝，在轴向力作用下焊缝容易受损影响密封性，故在检测试验过程中阀门要避免承受轴向力。为此，试验设备除了采用特殊的机械结构设计之外，其控制系统必须满足定位精确，运行稳定可靠的要求。

1 试验机的组成结构及工作原理

此试验机用来完成聚乙烯阀门密封性能检测及开闭阀门时旋转扭矩的测量，适用于dn160规格的阀门，亦可通过更换夹具检测dn63、dn90、dn110三种规格。如图2为试验机的主体结构示意图，其运动机构包括封堵阀门两端部的横向运动机构，开闭阀门的纵向升降机构和旋转机构。阀门两端封堵后可进行密封性检测试验，纵向机构实现阀门的开闭，检测操作扭矩。

2 控制系统组成

试验机横向和纵向运动采用电缸做驱动，电缸相对于气缸具有定位精确，稳定耐用的优点。开闭阀门的旋转运动由异步电机拖动减速机实现。阀门内部的充放气通过四位二通电磁阀控制气源的通断来实现。

本试验机测试的阀门为 90°旋转阀门。按照GB15558.3－2008规定的试验条件，开闭阀门的最大操作扭矩为300 N·m。控制系统由检测环节、控制环节和执行机构三部分组成，如图3所示。检测环节包括对电缸行程进行定位的接近开关，检测开闭阀门是否到位的接近开关，测量开闭阀门操作扭矩的扭矩传感器以及检测充放气压力的压力传感器。控制环节包括可编程逻辑控制器(Programmable Logical Controller，PLC)和人机交互界面(Human-machine Interface，HMI)，PLC负责采集传感器的检测信息并据此进行相应的动作控制，HMI供操作者操控、记录试验机运行状态，PLC与HMI组成控制系统的核心。执行机构为电缸、减速电机、电磁阀。

3 PLC与HMI选型及I/O地址定义

本试验机要求运动定位精度高，开闭阀门时的扭矩能够实现动态测量记录。具备手动与自动两种工作模式，手动操作利用触摸屏上的触摸按键控制相应机构动作。自动模式下除装卸阀门外其它动作均能够自动完成。因此，控制系统采用PLC+HMI的方案，其中PLC选用台达DVP-SA2系列，本系列PLC主机点数是12(8DI+4DO)，最大I/O点数492个，程序容量16K Steps，内置1个RS-232口与2个RS-485口［3］。HMI型号为DOP-B07S410，其具有存储容量大，传输速度快，内置USB接口，能够连接打印机等特点。

依据试验机的控制要求，PLC的I/O地址定义如表1所示。其中输入元件分别用于检测位置信息和操作扭矩，输出元件分别用于控制电机和电磁阀的动作。图4是对应的PLC输入输出口接线图。

表1 I/O地址分配表

4 控制流程与程序设计

阀门最初处于关闭状态，左右腔室不导通。自动检测阀门的动作过程分六个步骤。第一，横纵两向推杆回原位。即横纵两向推杆分别处于后限位的位置。第二，阀门的定位和固定。首先，横向推杆前进到位将阀门两端预封堵。其次，纵向推杆下降将开闭阀门的专用接口与阀门顶部的旋转帽连接可靠。最后，通过阀门两端的高性能密封装置将阀门内腔可靠密封，为后续检测做好准备。第三，阀门左腔室密封性及开闭阀门的操作扭矩检测。阀门左腔室充气加压到0.6 MPa，保压一定时间，在保压期间检测阀门的密封性，保压时间到开启阀门至全通状态，开启过程中记录操作扭矩变化，最后阀门内部排气减压至零，关闭阀门至全关状态。第四，阀门右腔室密封性及开闭阀门的操作扭矩检测。此步骤与前一步骤类似，区别在于从阀门右腔室加压，排完气后阀门依然处于全开状态。第五，阀门左右腔室导通的情况下检测密封性及关闭阀门的操作扭矩。首先，阀门内部加压至0.6 MPa保压一定时间，在保压期间检测阀门的密封性。其次，保压时间到关闭阀门至全断状态，关闭过程中记录操作扭矩变化。最后，阀门内部排气减压至零。第六，横纵两向推杆回原位。至此一个循环周期结束，下一个阀门的检测依次重复上述第二至第六步的动作。

依据控制流程编写PLC程序。由于一个完整的流程中各动作节点有严格的先后顺序，并且在一个循环周期内存在相同动作重复出现的情况，如阀门的开闭，阀门内腔的充放气。基于这一特点，在程序设计过程中可利用PLC内部辅助继电器M设置相应动作节点的标志位，只有相关联的标志位M置位满足后续动作的运行条件才能够触发相应后续动作，后续动作产生的标志位将前面动作产生的标志位复位。这种程序设计方法既满足控制流程的逻辑关系又提高了系统运行的可靠性和抗干扰能力。

通过图5阀门左腔室充气保压至右腔室充气保压过程控制部分程序分析标志位的设置与应用。在这一程序段中，阀门左侧充气置位M160，当充气压力达到0.6 MPa触发M161保压标志位1置位，启动定时器T0。延时时间到设定值，触发M162保压时间到标志1置位，旋转电机动作打开阀门(此段程序未列出)。旋转电机开启阀门到位触发X4，当M162和X4均导通的情况下触发M163阀门排气标志1置位，同时当阀门内压力降为了零M10置位，触发M164关闭阀门标志1置位。当阀门关闭到位X5导通时，触发M165阀门右侧充气标志1置位，当充气压力达到设定值时M170置位，触发保压启动标志2。据此思路可以完成整过流程的控制程序设计。

5 HMI控制画面设计

采用台达DOP-B07S410人机界面作为上位机，通过与PLC通讯实现试验机的操作控制及扭矩记录输出。在上位机组态设计过程中，可利用PLC自带的辅助继电器M实现双机之间的开关量信息传递，这样可以大量降低对PLC硬输入点的需求，从而节省了PLC的I/O点数，减少硬件数量降低成本［4-5］。控制画面基于台达DopSoft软件进行设计。共设计手动操作画面、自动操作画面及输出曲线画面。

6 结论

本文提出了基于PLC+HMI的控制方案，应用于聚乙烯阀门密封及扭转试验机。重点分析了控制系统组成、控制流程及程序设计方法，提出了利用PLC内部辅助继电器充当标志位的程序设计方法。控制精度、可靠性方面满足GB15558.3－2008规定的试验条件，现场使用证明，试验机的控制系统运行可靠，操作方便，能满足用户使用要求。

［1］郝冰，周迎义，白春动.浅谈聚乙烯压力管件阀门制造的监督检验［J］.装备制造技术，2010(4):165.

［2］马洲，陈裕丰.燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系统第3部分:阀门［S］.GB15558.3－2008.

［3］DVP-PLC应用技术手册(程序篇)［Z］.台达电子工业股份有限公司，2013.

［4］薛迎成.PLC与触摸屏控制技术［M］.北京:中国电力出版社，2008.

［5］台达触摸屏编程手册［M］.台达电子工业股份有限公司，2013.