直埋管砂箱試驗(yàn)裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 穎， 夏鳳鳴， 王一寧，劉 英， 楊雨圖

(1．江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇 南京 210099)(2．南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

直埋管砂箱試驗(yàn)裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 穎1， 夏鳳鳴2， 王一寧1，劉 英2， 楊雨圖2

(1．江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇 南京 210099)(2．南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)，根據(jù)直埋管砂箱試驗(yàn)裝置的工作原理，完成了該裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)采用兩級(jí)控制方案，由下位機(jī)和上位機(jī)組成。上位機(jī)采用PC機(jī)配以監(jiān)控組態(tài)軟件組態(tài)王，下位機(jī)主體采用西門子S7-200系列的 PLC。系統(tǒng)通過(guò)上下位機(jī)的通訊來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)采集以及對(duì)各功能模塊的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

直埋管；砂箱試驗(yàn)；控制系統(tǒng)；組態(tài)王

在工業(yè)生產(chǎn)和人民生活中使用著大量的蒸汽、熱水及其他各種熱媒，而這些熱媒大多數(shù)都是采用直埋夾套管敷設(shè)的管線輸送至用戶[1-3]。砂箱試驗(yàn)(總體抗壓強(qiáng)度與軸向滑動(dòng)試驗(yàn))裝置是保證直埋夾套管安全使用的關(guān)鍵，提高其自動(dòng)化、智能化水平對(duì)于保證試驗(yàn)質(zhì)量、提高試驗(yàn)效率有著重要的現(xiàn)實(shí)意義[4-5]。

1 直埋管砂箱試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置的總體方案為：以吸砂機(jī)配合砂箱平車，分工位完成試驗(yàn)與裝砂卸砂。試驗(yàn)裝置包括砂箱平車、推拉力試驗(yàn)機(jī)、液壓加載裝置、吸砂系統(tǒng)以及工作梯，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置的總體結(jié)構(gòu)

2 試驗(yàn)裝置工作原理

a.空載試驗(yàn)。

空載試驗(yàn)時(shí)，首先將砂箱平車移至換管工位，安裝好試驗(yàn)管后，再將砂箱平車移至試驗(yàn)工位，調(diào)節(jié)推拉力試驗(yàn)機(jī)的伸出桿至試驗(yàn)管的中心高度，連接推拉力試驗(yàn)機(jī)的伸出桿與試驗(yàn)管內(nèi)管，開(kāi)始試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后，解除推拉力試驗(yàn)機(jī)伸出桿與試驗(yàn)管內(nèi)管的連接，如圖2所示。

圖2 空載試驗(yàn)原理示意圖

b.加載試驗(yàn)。

加載試驗(yàn)時(shí)，首先將砂箱平車移至裝卸砂工位，打開(kāi)儲(chǔ)砂罐閥門，砂子可憑借重力自動(dòng)流入砂箱，裝砂量滿足試驗(yàn)要求后，關(guān)閉儲(chǔ)砂罐閥門，再將砂箱平車移至試驗(yàn)工位，液壓加載裝置給砂箱加載，調(diào)節(jié)推拉力試驗(yàn)機(jī)的伸出桿至試驗(yàn)管的中心高度，連接推拉力試驗(yàn)機(jī)的伸出桿與試驗(yàn)管內(nèi)管，開(kāi)始試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后，解除推拉力試驗(yàn)機(jī)伸出桿與試驗(yàn)管內(nèi)管的連接，液壓加載裝置卸載返回，將砂箱平車移至裝卸砂工位，工作人員開(kāi)啟吸砂機(jī)吸砂，如圖3所示。

3 試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要是在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，從試驗(yàn)裝置的各種參數(shù)出發(fā)，通過(guò)對(duì)推拉力試驗(yàn)機(jī)、砂箱平車、液壓加載裝置、吸砂系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控以及內(nèi)管推拉力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制[6-7]，從而保證試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性、實(shí)時(shí)性以及試驗(yàn)結(jié)果的優(yōu)質(zhì)、高效。

圖3 加載試驗(yàn)原理示意圖

試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)采用兩級(jí)控制方案，由下位機(jī)和上位機(jī)組成。上位機(jī)采用PC機(jī)配以監(jiān)控組態(tài)軟件組態(tài)王，操作系統(tǒng)采用Windows XP；下位機(jī)主體采用西門子S7-200系列的 PLC。

3.1控制參數(shù)

試驗(yàn)裝置的控制參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)裝置的控制參數(shù)

3.2下位機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

下位機(jī)控制系統(tǒng)主要是由PLC及其軟件以及試驗(yàn)裝置各功能模塊、推拉力傳感器等執(zhí)行和檢測(cè)機(jī)構(gòu)組成，主要負(fù)責(zé)接收現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的相關(guān)參數(shù)信息，以及根據(jù)上位機(jī)的控制指令控制設(shè)備的執(zhí)行，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分。考慮到試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件的復(fù)雜多變對(duì)試驗(yàn)效果的影響，以及操作難易程度、硬件抗干擾能力等因素，為保證下位機(jī)控制系統(tǒng)有效、穩(wěn)定的工作，本設(shè)計(jì)選用性價(jià)比較高的西門子S7-200系列的PLC。

下位機(jī)控制系統(tǒng)的內(nèi)容和功能主要由以下幾部分組成：(1)下位機(jī)通過(guò)PLC能夠與上位機(jī)安裝的組態(tài)監(jiān)控軟件組態(tài)王進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，實(shí)現(xiàn)整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的控制和狀態(tài)檢測(cè)，并向上位機(jī)實(shí)時(shí)傳送試驗(yàn)數(shù)據(jù)信息，執(zhí)行上位機(jī)發(fā)出的對(duì)各功能模塊的控制指令。(2)通過(guò)實(shí)時(shí)采集推拉力傳感器輸出的4～20mA電流信號(hào)得到內(nèi)管在不同滑動(dòng)位移處的推拉力。(3)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的緊急故障進(jìn)行聲光報(bào)警，提示試驗(yàn)人員及時(shí)進(jìn)行處理，排除故障。(4)系統(tǒng)應(yīng)滿足連續(xù)試驗(yàn)的控制要求，并具有良好的可擴(kuò)展性。

下位機(jī)I/O 端口分配見(jiàn)表2。

表2 PLC I/O端口分配表

根據(jù)PLC端口的配置與軟件的設(shè)計(jì)，連接PLC及相關(guān)模塊，接線圖如圖4所示。由于篇幅原因，此處省略傳感器及接近開(kāi)關(guān)接線圖與電機(jī)接線圖。

圖4 PLC及相關(guān)模塊接線圖

3.3上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

控制系統(tǒng)選用北京亞控科技發(fā)展有限公司研發(fā)的組態(tài)王組態(tài)軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有功能完善、操作簡(jiǎn)便、可視性好、可維護(hù)性強(qiáng)的突出特點(diǎn)。組態(tài)王軟件用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)直埋管型式試驗(yàn)的推拉力數(shù)據(jù)，監(jiān)控試驗(yàn)裝置的各功能模塊。監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

上位機(jī)控制系統(tǒng)的軟件編寫(xiě)主要有2個(gè)難點(diǎn)：

圖5 組態(tài)王監(jiān)控系統(tǒng)總體框架

難點(diǎn)一是如何將試驗(yàn)數(shù)據(jù)不斷地插入到實(shí)時(shí)報(bào)表中；難點(diǎn)二是如何將實(shí)時(shí)報(bào)表中的數(shù)據(jù)分類提取出來(lái)用以計(jì)算每一次推動(dòng)內(nèi)管的平均推力。

要解決以上2個(gè)難點(diǎn)，試驗(yàn)時(shí)需要根據(jù)相關(guān)按鈕的點(diǎn)擊情況以及各行程開(kāi)關(guān)的狀態(tài)將空載或加載、推拉次數(shù)、推或拉等數(shù)據(jù)記錄到相應(yīng)的變量中，例如：當(dāng)前進(jìn)行的是空載試驗(yàn)，推拉力試驗(yàn)機(jī)第2次向左拉內(nèi)管，則需要將空載(試驗(yàn)方式)、2(推拉次數(shù))、向左拉(推或拉)等3個(gè)參數(shù)記錄到相應(yīng)的變量中。

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)不斷地插入到實(shí)時(shí)報(bào)表中需要使用數(shù)據(jù)改變命令語(yǔ)言，變量設(shè)置為傳感器傳遞到上位機(jī)的推拉力值，即當(dāng)推拉力值發(fā)生改變時(shí)，執(zhí)行向?qū)崟r(shí)報(bào)表中插入數(shù)據(jù)的相關(guān)程序，程序首先判斷當(dāng)前進(jìn)行的是空載試驗(yàn)還是加載試驗(yàn)，然后再將時(shí)間、推拉次數(shù)、推或拉、推拉力值從相應(yīng)的變量中讀出并實(shí)時(shí)地插入到報(bào)表中。

計(jì)算每一次推動(dòng)內(nèi)管的平均推力都要將這一次的數(shù)據(jù)從實(shí)時(shí)報(bào)表中篩選出來(lái)，可使用判斷語(yǔ)句按照試驗(yàn)方式、推拉次數(shù)、推或拉等條件對(duì)報(bào)表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐條篩選，記錄篩選出的數(shù)據(jù)條數(shù)，并對(duì)推拉力值進(jìn)行求和，即可計(jì)算出該次推動(dòng)內(nèi)管的平均推力。

控制系統(tǒng)主界面上設(shè)有4個(gè)按鈕：空載試驗(yàn)、加載試驗(yàn)、報(bào)表打印與試驗(yàn)幫助，點(diǎn)擊按鈕便可進(jìn)入相應(yīng)的子界面。

空載試驗(yàn)在空載試驗(yàn)界面下完成，界面上主要設(shè)有砂箱平車位置監(jiān)控、推拉力試驗(yàn)機(jī)監(jiān)控、內(nèi)管推拉力實(shí)時(shí)曲線、實(shí)時(shí)報(bào)表、數(shù)據(jù)后處理等幾個(gè)部分。砂箱平車位置監(jiān)控部分可根據(jù)下拉列表框中的選項(xiàng)，控制砂箱運(yùn)行至指定工位，還能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)砂箱平車的運(yùn)行狀態(tài)并以指示燈的形式顯示出來(lái)；推拉力試驗(yàn)機(jī)監(jiān)控部分可調(diào)整伸出桿的中心高度，使其適用于不同管徑的直埋管，還可控制試驗(yàn)的開(kāi)始、停止與復(fù)位，監(jiān)控伸出桿往返推動(dòng)內(nèi)管；實(shí)時(shí)曲線顯示了推拉力的當(dāng)前值；實(shí)時(shí)報(bào)表將推拉力的實(shí)時(shí)值、推拉次數(shù)、推拉狀態(tài)與時(shí)間記錄在報(bào)表中，可打印和保存；數(shù)據(jù)后處理主要進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算處理，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)處理按鈕即可將實(shí)時(shí)報(bào)表中3次往返推動(dòng)內(nèi)管的平均推力全部計(jì)算出來(lái)，取這6個(gè)力的平均值即為空載平均推力F0?？蛰d試驗(yàn)界面如圖6所示。

圖6 空載試驗(yàn)界面

加載試驗(yàn)在加載試驗(yàn)界面下完成，除了與空載試驗(yàn)界面上相同的幾個(gè)部分外，加載試驗(yàn)界面上還設(shè)有液壓加載裝置監(jiān)控與吸砂系統(tǒng)監(jiān)控兩個(gè)部分。液壓加載裝置監(jiān)控部分可控制壓板加載與返回，并能顯示當(dāng)前狀態(tài)；吸砂系統(tǒng)監(jiān)控部分可以實(shí)時(shí)監(jiān)控吸砂機(jī)吸砂與儲(chǔ)砂罐放砂。由于加載試驗(yàn)界面與空載試驗(yàn)界面相似，此處省略加載試驗(yàn)界面截圖。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)敘述了下位機(jī)控制系統(tǒng)與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，通過(guò)控制系統(tǒng)的工作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各功能模塊的實(shí)時(shí)監(jiān)控以及內(nèi)管推拉力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。該控制系統(tǒng)操作方便，數(shù)據(jù)采集精準(zhǔn)，不僅適用于直埋管砂箱試驗(yàn)裝置，類似的機(jī)械裝置控制系統(tǒng)皆可參考本文的思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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DesignontheControlSystemofDirectlyBuriedPipeSandBoxTestDevice

WANG Ying1, XIA Fengming2, WANG Yining1, LIU Ying2, YANG Yutu2

(1.Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute of Jiangsu Province, Jiangsu Nanjing, 211199, China)(2.Nanjing Forestry University, Jiangsu Nanjing, 210037, China)

Based on the operating principle and integration of mechanics with electrics technology, it designs a control system. The control system has two-stage control solution such as upper and lower parts. The upper one adopts PC which is installed software of Kingview，the lower one adopts PLC (Siemens S7-200). This system can realize real-time data gathering and monitor every function modules by the communication between PC and PLC.

Directly Buried Pipe; Sand Box Test; Control System; Software of Kingview

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.09.013

2014-08-08

國(guó)家質(zhì)檢總局科技項(xiàng)目(2013zjjg056)；江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院項(xiàng)目(蘇特檢(2012)協(xié)字第660號(hào))

王穎(1965—)，男，江蘇南京人，江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院高級(jí)工程師，碩士，主要研究方向?yàn)楣艿涝O(shè)備安全。

TH-39

A

2095-509X(2014)09-0054-05