基于PLC和變頻器的閥門水壓試驗機自動控制系統設計

付德永，陳 軍，李 杰

(承德石油高等專科學校熱能工程系，河北 承德 067000)

閥門水壓試驗機是閥門專業水壓耐壓、密封性檢測設備，用于新生產閥門和維修后閥門的性能測試。傳統的閥門水壓試驗機通常采用手動控制升壓方式，增壓過程曲線呈線性，沖擊性較大，試驗壓力不易達到控制精度的要求，易出現欠壓或過壓現象，使試驗準確度降低，甚至試驗失敗［1］。對閥門水壓試驗機采用PLC和變頻器進行升壓和保壓過程控制，可以提高響應速度，提高控制精度，減小系統的沖擊性，達到滿意的控制效果［2］。

1 閥門水壓試驗機工作原理

閥門水壓試驗機系統組成如圖1所示。系統采用一臺交流液壓泵作為升壓動力源，當試驗閥門安裝就位后，啟動增壓泵;當壓力達到試驗壓力時，停泵保壓;達到試驗時間后，打開電磁閥泄壓，試驗結束。該系統增壓速度快，適用于多型號、大口徑閥門水壓試驗，但手動控制時試驗效果不夠理想。

2 控制系統的組成

為了保證增壓過程的平穩性和準確性，可以采用基于PLC和變頻器控制增壓泵的控制方案。控制系統的組成如圖2所示，其控制思路是:通過壓力傳感器測量試驗臺待測試閥門的實時水壓，將壓力信號轉換為4～20 mA的電流信號輸入PLC;PLC依據設定水壓值與實時水壓值的大小，計算出增壓速度信號輸出給變頻器，通過變頻器改變輸出頻率，進而改變增壓泵轉速實現平緩增壓;當壓力達到設定壓力時，自動停機保壓;保壓時間到，自動打開泄壓電磁閥泄壓，試驗結束。系統采用觸摸屏設定初始參數，并能顯示整個試驗過程的實時參數或升壓曲線，實現良好的人機交互功能。

3 控制設備選型與控制流程

3.1 設備選型

根據系統測試最大壓力4 MPa，選擇德國圖爾克(TURCK)壓力傳感器 PT060R-14-LI3-H1131。該傳感器測量范圍0～6 MPa，輸出信號范圍4～20 mA，防水等級IP65，測量精度高，在高溫和低溫情況下也可以很好運行。PLC采用西門子公司S7-200系列典型產品CPU224，內部包括14個數字量輸入，10個數字量輸出，配有1個RS-485通訊/編程口，具有PPI通訊、MPI通訊和自由方式通訊能力［3］。擴展一個EM235輸入輸出模塊，輸入水壓信號，輸出頻率控制信號。

變頻器采用MM440變頻器。該變頻器是西門子公司用于控制三相交流電動機速度的通用型變頻器，由微處理器控制，采用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)作為功率輸出器件，具有很高的運行可靠性和功能的多樣性。該變頻器帶有6個數字輸入，2個模擬輸入接口［4］。利用其模擬輸入端ADC1連接S7-200的模擬輸出，調節輸出頻率。

觸摸屏采用TP170B，5.7英寸，16色顯示，帶有滾動瀏覽和縮放功能的界面友好圖形顯示，堅固耐用，穩定可靠，前面板防護等級IP65，具有較高的電磁兼容性(EMC)和抗振性能，可滿足機器操作和監控的可視化需求。TP170B通過MPI電纜連接至CPU224的通訊口PORT0，通過觸摸屏發送給PLC啟/停控制命令，設定M440變頻器的PID目標值，實時顯示試驗機運行狀態及試驗壓力值。

3.2 設備連接

設備連接如圖3所示;依據控制功能要求，PLC的I/O地址分配如表1所示。其中輸入元件用于系統啟停控制信號的輸入，輸出元件分別用于設備啟停控制和指示燈控制。

3.3 控制流程圖(見圖4)

3.4 HMI控制畫面設計

采用西門子組態軟件ProTool設計TP170B觸摸屏控制畫面，然后從電腦下載到觸摸屏即可使用。觸摸屏讀取PLC內部存儲器的變化，得到當前系統運行狀態，同時通過修改PLC內部的壓力設定、時間設定等數據［5］，完成系統運行狀態的調節。

4 試驗結果

利用該試驗臺對山東滬工閥門有限公司生產的Z41H-16C型手動法蘭閘閥進行密封試驗。該閥門公稱壓力1.6 MPa，采用試驗壓力2.4 MPa，單次保壓時間2 min，達到的技術指標如下:壓力測量精度≤

±0.3%fs;恒壓精度≤±0.5%fs;計時精度≤±0.1 s;單次試驗時間10 min。該試驗臺已投入使用，操作簡便，工作可靠，能夠較好的滿足中低壓閥門水壓試驗的要求。

表1 PLC I/O地址分配表

5 結論

本文針對閥門水壓試驗機控制過程，設計了基于PLC和變頻器的控制系統，并通過觸摸屏實現人機交互。通過現場使用證明，該系統響應速度快，控制精度高，升壓曲線平緩，對系統的沖擊性小，用戶能自行針對不同口徑閥門進行升壓速率控制，能夠較好的滿足不同用戶需求。

［1］譚進.靜水壓力試驗機控制系統的設計與研究［D］.西安:西安工業大學，2013.

［2］劉艷軍，韓志凌，趙海賢.聚乙烯閥門密封及扭轉試驗機控制系統設計［J］.承德石油高等專科學校學報，2014(3):19－23.

［3］SIMATIC S7-200可編程序控制器系統手冊［Z］.西門子(中國)有限公司，2008.

［4］SIEMENS MICROMASTER 440變頻器實用大全［Z］.西門子(中國)有限公司，2002.

［5］王楠.觸摸屏與PLC在混凝土攪拌站控制系統中的應用［J］.工程機械，2011(42):11－13.