承压设备水压试验自动控制装置设计与实现

2022-10-13章镇宇王宏冯佳俊王开楝陈家焱

机床与液压 2022年18期

章镇宇，王宏，冯佳俊，王开楝，陈家焱

(1.中国计量大学质量与安全工程学院，浙江杭州 310018；2.湖州市特种设备检测研究院，浙江湖州 313000)

0 前言

承压特种设备因其应用的特殊性，若发生事故会产生极大的危害，所以工厂对出厂的承压设备除要进行常规的检查外，还需要通过水压试验考核其强度，将危险因素充分暴露出来。目前企业中广泛使用的水压试验方法为直接将泵与承压设备连接，由试验人员手动控制泵加压或泄压完成水压试验。这种方法无法准确地加压或泄压至设定压力，且由于工人疏忽过度加压导致承压设备损坏的现象时有发生，难以实现对压力试验过程的精确控制。水压试验合格性评价结论是通过肉眼观察压力表压降的方法完成的，具有很强的主观性，容易出现错判以及误判的情况。

因此研发一套承压设备水压试验自动控制装置，使它能够严格按照承压设备水压试验相关标准自动完成试验，排除人为因素对水压试验的干扰和判断，根据相关标准自动判断水压试验合格性，有助于提高水压试验控制自动化程度和水压试验合格性判断准确性。

1 装置总体方案设计

1.1 装置需求分析

图1所示为承压设备压力试验标准曲线。相关标准对不同承压设备的压力试验过程作了明确规定，但在实际水压试验中，一般都是采用加压泵直接进行加压，存在加压稳定性差、加压曲线线性化差的问题，无法实现按试验标准曲线加压。以往的加压泵加压过程是人工操作的，当压力增大到试验压力时，人工操作使加压泵停止，这样的加压方式可能导致加压泵启动过于频繁且加压过程中不能精确控制水压，进而影响水压试验合格性判定。同时，泄压过程采用手动泄压的方式，会导致泄压过快，容易导致承压设备变形或损坏。因此，设计的压力试验自动控制装置应具有升压稳定可靠、保压合格判定准确、泄压缓慢精确的特点。通过与特检部门沟通交流，装置加压或泄压完成后保压状态的真实值与设定值的误差在5%以内满足实际使用需求。

图1 水压试验标准曲线

1.2 总体方案设计

根据上述需求设计水压试验自动控制装置总体方案，如图2所示。自动控制装置设计主要包括控制方案设计、装置结构设计、装置控制系统设计和性能测试四部分。

图2 自动控制装置方案

装置控制方案设计拟采用变频控制增加泵增压和比例阀控制降压的方式实现水压试验标准曲线，控制方案如图3所示。试验加压过程是通过压力变送器采集水压试验实时压力，发送至PLC，与水压试验曲线进行对比，由模糊PID控制器计算出输出量给变频器，变频器根据输出量控制加压泵调节转速，从而调整加压泵输出压力，改变加压速度，以达到稳定控制加压泵的目的。试验保压期间工控上位机实时采集压力数据与保压期间设定压力进行对比计算，保压期间未出现压降超过标准规定值的情况时，判定试验合格，否则判定试验失败，试验失败系统自动终止水压试验。试验降压是通过控制比例阀的阀门开度实现的，比例阀阀门开度与承压设备容积有关。

图3 控制方案

装置结构设计包括工作台结构设计、加压管路设计、泄压管路设计和其他保护设计。根据水压试验操作情况和实际需求进行装置结构设计，使它能够满足真实水压试验现场要求。

控制系统设计包括控制系统硬件选型与设计、PLC控制系统设计、模糊PID控制器设计和上位机软件设计四部分。结合PLC和模糊PID控制器实现对水压试验全过程的精确控制，通过上位机软件实现对水压试验合格性判定和人机交互操作。

性能测试主要对所设计的承压设备水压试验自动控制装置进行实际的现场测试，发现设计上存在的问题，进一步完善系统功能。

2 装置结构设计

2.1 工作台结构设计

为方便进行设备水压试验，装置整体结构采用可移动工作台形式，如图4所示。工作台采用控制装置中普遍采用的直柜式结构，根据人机工程原理，工作台高度900 mm的点位人体能量消耗最少，越远离这一点，体能消耗越增大。因此，设计总体高度为1 600 mm，工作台高度为900 mm，工作台工控机触摸屏倾斜角度为30°，装置下方安装滚轮方便移动。工作台分上下两层，上下层用隔板隔开，PLC模块置于工作台上层，其余硬件置于下层，起到防止工控机和PLC模块进水产生危险的目的。

图4 工作台整体结构

2.2 加压管路设计

为实现加压过程平稳，采用变频控制加压泵的方法实现水压试验增压操作，加压时使用变频器控制加压泵，将压力变送器采集的实时压力反馈给PLC，PLC根据试验参数设置，计算出输出参数发给变频器，控制变频器的输出频率，从而达到控制加压泵、控制加压过程的目的。为此，在加压管路设计时，采用变频器控制加压泵转速进行加压。加压泵从储水箱中取水，水流经过加压泵、单向阀、压力变送器、加压口后进入承压设备。同时，加压泵出口安装有蓄能器，用于吸收压力冲击起到压力缓冲的作用。为防止储水箱中的水溢出进水口，储水箱安装有浮球阀，图5所示为加压管路结构。

图5 加压管路结构

2.3 泄压管路设计

为实现精准泄压，采用比例阀控制出口流量进行缓慢泄压。泄压时PLC根据容器体积确定比例阀阀门开度并打开比例阀，水从承压设备流至泄压回流口、单向阀、比例阀和自动泄压口，实现泄压。压力变送器采集实时压力给PLC，PLC根据实时压力控制比例阀的开度并判断泄压是否完成。图6所示为泄压管路结构。

图6 泄压管路结构

2.4 其他保护设计

由于该装置采用PLC控制比例阀阀门开度进行泄压，当出现停电等意外事故时容器内压力无法正常排除，所以在泄压管路上添加手动泄压口，用于特殊情况下紧急排压。

3 装置控制系统设计

装置控制系统是实现水压试验控制的关键，该部分主要由控制硬件选型、PLC控制流程设计、模糊PID控制器设计和上位机人机交互设计等部分组成。

3.1 硬件选型

水压试验自动控制装置硬件主要由电源、工控机、PLC、压力变送器、温度传感器、变频器、加压泵、比例阀、A/D及D/A转换模块等构成，控制系统硬件结构如图7所示。

图7 控制硬件结构

PLC作为控制系统的核心，需要对所采集的数据进行收集、分析、计算，然后根据不同的信号或接收到的指令指挥系统完成特定的工作，包括压力的采集与控制、各种阀的开关、泵的启停和设备运行状况的监视等。选择西门子S7-300系列PLC作为承压试验装置的主控制器。工控机与PLC之间通过Modbus协议建立通信实现数据交换，操作人员可以通过工控机上的上位机软件对装置进行控制。

在装置处于工作状态时，加压泵需不断改变转速实现水压控制。在使用变频器对泵进行控制时，变频器中可能产生过载电流，所以在选择变频器时需考虑变频器的过载能力。该装置采用西门子MM440系列变频器，它有较强的过载能力，同时具有短路、过载、过压、缺相、失速等多种保护和故障输出功能，能有效保证系统安全高效的运行。

3.2 PLC控制流程设计

PLC主要用于控制水压试验全过程，其工作流程如图8所示。

图8 PLC工作流程

点击工控机交互页面的启动按钮向PLC发送开始指令开启水压试验，PLC对比压力变送器上传的压力数据与设定的试验压力，进行模糊控制计算，得到输出量来调节变频器频率进而控制泵的转速实现加压。当压力上升至大于或等于设计工作压力时暂停加压，进入设计工作压力第一次保压阶段，保存此刻实际压力值作为保压阶段压力真实值，工控上位机根据实时压力计算得到保压期间压力真实值与实时压力值之间的压降值，根据相关标准判断压降是否在允许范围内，若不在允许范围内立即向PLC发送中断试验指令，判定此次水压试验不合格，若在允许范围内即可判定为合格。判定合格后继续升压至试验压力时停止加压，进入试验压力保压阶段，保存此刻实际压力值作为保压阶段压力真实值，判定合格后进入第一次降压阶段，开启泄压回流管路上的单向阀和比例阀进行泄压，降压至大于或等于设计工作压力，进入设计工作压力第二次保压阶段，保存此刻实际压力值作为保压阶段压力真实值；判定合格后进入第二次泄压阶段，将承压设备内压力泄至常压后试验结束。若3次保压期间均判定为合格，则此次水压试验判定为合格，有一次不合格则判定水压试验为不合格。

3.3 模糊PID控制器设计

试验加压期间通过压力变送器采集水压试验实时水压值，发送至PLC计算输出量控制变频器的频率，从而控制加压泵调节转速，实现稳定控制加压的目的。本文作者拟采用模糊PID控制，将传统PID控制与模糊控制相结合，通过模糊控制选择最佳的PID参数用于水压试验。图9所示为模糊PID控制器结构。首先，对压力试验数据进行模糊化；然后，选择模糊控制规则；再进行模糊推理；最后，通过最大隶属度法得到PID控制参数。

图9 模糊PID控制结构

在控制器中，压力偏差()由时刻的压力设定值即试验压力值()与承压设备内实际压力值()构成：

()=()-()

(1)

偏差变化率()由当前时刻的压力偏差()与上一时刻的压力偏差(-1)构成：

()=()-(-1)

(2)

输出变量()由()、()以及相关变量、、构成。表示PID控制器的比例系数，表示PID控制器的积分系数，表示PID控制器的微分系数。

(3)

3.3.1 模糊化

通过压力变送器采集的实时压力数据计算得到压力偏差和偏差变化率的论域语言变量取7个语言变量{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，量化之后的论域为{-6，-4，-2，0，2，4，6}。()论域语言变量同样取{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，量化后的论域值为{-6，-4，-2，0，2，4，6}。压力偏差、偏差变化率和变量Δ、Δ及Δ均采用三角隶属度函数。

3.3.2 模糊控制规则

根据以往的专家经验，可以得到、()和的模糊控制表，篇幅所限文中仅在表1展示Δ的模糊控制规则。

表1 ΔKp的模糊控制规则

3.3.3 模糊推理和解模糊

常见的解模糊方法为最大隶属度法和重心法，选择计算较为简单的最大隶属度得到PID控制参数Δ、Δ和Δ，根据公式(4)修正PID的控制参数。

=Δ+Δ

(4)

将修正后的参数代入公式(3)进行运算，得到变频器的控制信号，进而控制泵的转速以调节水压。

3.3.4 Simulink仿真结果

经以上模糊控制器设计后，利用MATLAB对传统PID控制器和模糊PID控制器进行仿真研究，对获取的阶跃信号仿真曲线进行对比，如图10所示。可知:传统PID控制器调整时间为24 s，超调量为17.5%；模糊PID控制器调整时间为17 s，超调量为7%。以上分析表明，相较于传统PID控制器，模糊PID控制器在加压时水压上升稳定，能实现供水水压与设定水压实时匹配，使整个系统的水压控制稳定，所以文中选择模糊PID控制器应用于水压试验控制。

图10 系统阶跃信号响应仿真曲线对比

3.4 上位机软件设计

上位机系统主要用于和PLC信息交互，其功能模块如图11所示，功能界面如图12所示。上位机系统主要包括用户管理模块、水压试验模块和RFID及摄像模块三部分。

图11 上位机系统功能模块

图12 上位机系统界面

用户管理模块主要用于用户登录以及注册，注册用户可设置不同权限。

水压试验模块为上位机系统的核心模块，主要包括试验数据采集、试验合格判定和试验标准制订功能。试验数据采集功能为实时采集水压试验过程数据，同时实时显示试验过程中的压力和温度，并生成实时的压力波形曲线。试验结束后，自动保存相关试验数据和试验曲线。试验合格判定功能主要用于判定水压试验合格与否，上位机读取到压力参数后经过计算与允许压降进行比较，实时压降未超过允许压降时为合格，实时压降超过允许压降时判定承压设备水压试验不合格。试验标准制订功能用于设置水压试验期间应遵循的标准参数，即保压时间、允许压降，水压试验时将严格按照保压时间进行保压，按照允许压降判定水压试验合格性。

RFID及摄像模块包括RFID标签读写和视频录制功能。使用RFID读写器读取RFID电子标签TID与承压设备唯一绑定，将承压设备信息以及水压试验结果写入与承压设备唯一绑定的RFID电子标签中，用于防伪和追溯。试验开启时摄像头自动录制水压试验现场情况，试验结束后停止录制并将录制的视频自动保存在工控上位机中，可用于试验追溯。