燃气调压器用指挥器性能检测系统设计

2019-10-22孟祥印马钧隆冯一凡

制造业自动化 2019年10期

李刚，孟祥印，马钧隆，冯一凡

LI Gang, MEN Xiang-yin, MA Jun-long, FEN Yi-fan

（西南交通大学机械工程学院，成都 610031）

0 引言

调压器是在燃气输送和供应系统中，将高压输送燃气调节至所需压力，保证供气压力稳定的重要设备，保证调压器系统的无泄漏是燃气安全供应的重要问题之一[1]，指挥器对广泛应用的间接式调压器的工作性能影响巨大。目前燃气调压器用指挥器（以下简称指挥器）性能检测并无对应的国标或行业标准可依。实际生产中，许多厂家均是参考燃气调压器的国标，以手动操作和涂抹检漏液、人眼观察的方法进行气密性检测。该检测方法效率低、精度低、主观性强，容易产生误判，成为生产出厂流程中的瓶颈问题。

本文参考欧洲标准EN334和文献[2]标准,提出了新型自动化干式检测方法，设计了基于STM32的燃气调压器用指挥器性能检测系统，以提高指挥器性能检测效率和精度，实现了检测过程和结果的可视化。

1 系统设计

1.1 指挥器简介

指挥器的本质是一个小型调压器，将较高的进口压力调至低的出口压力，并随着进口压力或流量变化，能自动调节出口压力，使之稳定在设定范围内，其工作原理如图1所示。指挥器出口压力通过调节器1与弹簧2来设定，出口压力P2作用在薄膜3上，与弹簧的设定压力平衡。指挥器出口压力P2是随阀口4变化而变化，当进口压力P1降低或出口流量增加时，弹簧设定压力大于出口压力，阀芯5向下移动，阀口4增加，从而使出口压力P2增加，使出口压力恢复到设定值。同理，当出口压力P1上升或出口流量减小时，工作过程相反。

图1 指挥器工作原理

1.2 检测内容

参考欧洲标准EN334与国家标准GB27790—2011《城镇燃气调压器》，并结合指挥器使用需求，其检测内容包括以下几项：

1）密封性检测，包括外密封与内密封。外密封用于检查指挥器是否向外界漏气；内密封用于检测当指挥器出口被关闭后，进口管道中的高压气体是否会“泄露”到出口管道中。

2）出口压力调节检测，包括最大值、最小值、设定点检测。主要用于检测指挥器调节性能是否合格。

1.3 检测系统方案

系统主要包括了测试工艺单元与检测控制单元[3]。测试工艺单元包括压力调节阀、截止阀、压力变送器、差压变送器、流量调节阀以及连接管路和附件，如图2所示。

图2 测试工艺单元图

采用电动压力调节阀与流量调节阀调节测试管路中的压力与流量，二者控制指令和开度反馈信号均为4～20mA模拟信号。气路中的截止阀采用带有回讯器的气动球阀，利用单电控二位五通电磁阀控制其启闭，24V DC供电。测试管路中的压力、流量采集是整个系统的核心，数据采集的精度直接决定了系统的测试精度[5]。系统选用1.0精度等级的压力变送器和差压变送器，输出均为4～20mA模拟信号。

检测控制单元以STM32为数据采集和控制核心，通过I/O通道和通信接口实现对工艺设备状态和工艺数据的采集与控制；同时通过串行通信接口实现与上位机的人机交互，如图3所示。

图3 检测控制单元

系统工作过程如下：将被测指挥器接入测试工艺系统，操作员在HMI界面中选择被测产品规格，以STM32为核心的检测控制单元启动并运行测试程序，控制气路中各个压力调节阀、截止阀的状态，并采集管路压力和差压数据，依据编写的检测算法，得出结论。整个检测过程和结论数字化、可视化，并以测试报告形式储存在系统中，测试报告可查询、打印。

2 系统硬件设计

系统硬件主要包含STM32最小系统、电源模块、模拟量转换模块、数字量隔离模块，如图4所示。

图4 系统硬件组成

2.1 STM32最小系统

采用意法半导体公司STM32F407，工作电压1.6V～3.6V，该芯片拥有1MB FLASH和192KB SRAM以及丰富的USART、DMA、ADC等资源完全满足该测控系统的数据采集和控制性能要求[6～8]。STM32最小系统的设计各种资料众多，在此不再赘述[4]。

2.2 电源模块

系统采用DC24V开关电源供电，可为气路中截止阀供电，并采用LM2576S降压至3.3V为STM32最小系统供电，采用如图5所示。

图5 电源模块原理

2.3 数字量隔离模块

电路板设计中，DI/DO隔离电路采用H11A1光耦隔离芯片，不仅保证信号不受干扰，也实现了处理器3.3V信号与截止阀24V电平等级转换，图6为3.3V转24V隔离电路，而24V转3.3V隔离电路，需将限流电阻R1改为20K。

图6 数字量隔离模块

2.4 模拟量转换模块

STM32中ADC和DAC只能接收和输出0～3.3V的电压信号，需针对4～20mA模拟信号进行I/V和V/I转换，电路设计如图7和图8所示。电路采用LM224工业级集成芯，内部有四个运算放大器。其中，VR1与VR2为可变电阻，VR1用于转换信号调零，VR2用于量程调节。

图7 4～20mA转0～3.3V

图8 0～3.3V转4～20mA

3 系统软件设计

3.1 检测流程

基于Keil uvision 5集成环境开发，采用面向硬件开发的C语言进行编程，实现压力、流量的采集，调节阀的开度控制，开关阀状态检测与控制等。

检测单元程序流程如图9所示：检测系统的初始化后，先进行系统自检，检查气路中是否漏气及各器件能否正常工作，再进行指挥器气密性测试，当指挥器无泄漏时，进行后续检测。

图9 测控单元工作流程

3.2 HMI设计

上位机采用配备键盘鼠标的工业串口屏，利用配套的HMIMaker软件开发HMI界面。主要包含了账号密码的登录界面，被测产品型号、序列号输入的参数设置界面，报警信息管理的报警界面，以及检测主界面。其中，主界面用于监测显示检测管路中各元器件的状态，如图10所示。

图10 检测系统主界面

3.3 差压法密封性检测

参考EN334：2005《进口压力不大于100bar的燃气压力调节器》中允许泄漏率[9]，及压降的计算公式：

根据指挥器进出口两承压腔体积即可反算出在时间t内允许的压降：

图11所示为差压法密封性检测原理，P1、P2为进出口压力变送器，PT1进出口差压变送器。差压变送器读数为H端压力与L端压力之差。

图11 差压法密封性检测原理

密封性检测时，关闭进出口的两个截止阀SV101和SV202，待系统稳定后，关闭差压表启用截止阀SV102。指挥器密封性检测前已进行系统自身气密性自检，故关闭SV102后，差压表PT1的H端端压力不变。若发生泄露，无论内漏或外漏均会造成PT1的L端降低；对比允许压降ΔP，可得密封性结论。

4 试验与结论

选用10个指挥器、3名检测人员对该测试平台进行了“双R试验”（Repeat、Reappearance），每名检测人员对每个被检产品进行3次检测，试验结果表明，该检测系统复现性良好。

然后对此10个指挥器进行自动测试和人工传统测试的对比试验，试验结果如表1所示。气密性检测时人工喷洒检漏液，肉眼判断，并后期干燥，故密封性检测耗时不同。结果显示，人工检测10个样品均合格，而自动检测显示有2个样品不合格，存在外泄漏。由于结论不一致，故采用牺牲效率的压降观察法进行复检。经保压8小时后观察压降发现，数字化自动检测出的2个样品确实存在微小泄漏，证明了该平台的高准确性。