基于PLC和变频器的阀门水压试验机自动控制系统设计

付德永，陈 军，李 杰

(承德石油高等专科学校热能工程系，河北 承德 067000)

阀门水压试验机是阀门专业水压耐压、密封性检测设备，用于新生产阀门和维修后阀门的性能测试。传统的阀门水压试验机通常采用手动控制升压方式，增压过程曲线呈线性，冲击性较大，试验压力不易达到控制精度的要求，易出现欠压或过压现象，使试验准确度降低，甚至试验失败［1］。对阀门水压试验机采用PLC和变频器进行升压和保压过程控制，可以提高响应速度，提高控制精度，减小系统的冲击性，达到满意的控制效果［2］。

1 阀门水压试验机工作原理

阀门水压试验机系统组成如图1所示。系统采用一台交流液压泵作为升压动力源，当试验阀门安装就位后，启动增压泵;当压力达到试验压力时，停泵保压;达到试验时间后，打开电磁阀泄压，试验结束。该系统增压速度快，适用于多型号、大口径阀门水压试验，但手动控制时试验效果不够理想。

2 控制系统的组成

为了保证增压过程的平稳性和准确性，可以采用基于PLC和变频器控制增压泵的控制方案。控制系统的组成如图2所示，其控制思路是:通过压力传感器测量试验台待测试阀门的实时水压，将压力信号转换为4～20 mA的电流信号输入PLC;PLC依据设定水压值与实时水压值的大小，计算出增压速度信号输出给变频器，通过变频器改变输出频率，进而改变增压泵转速实现平缓增压;当压力达到设定压力时，自动停机保压;保压时间到，自动打开泄压电磁阀泄压，试验结束。系统采用触摸屏设定初始参数，并能显示整个试验过程的实时参数或升压曲线，实现良好的人机交互功能。

3 控制设备选型与控制流程

3.1 设备选型

根据系统测试最大压力4 MPa，选择德国图尔克(TURCK)压力传感器 PT060R-14-LI3-H1131。该传感器测量范围0～6 MPa，输出信号范围4～20 mA，防水等级IP65，测量精度高，在高温和低温情况下也可以很好运行。PLC采用西门子公司S7-200系列典型产品CPU224，内部包括14个数字量输入，10个数字量输出，配有1个RS-485通讯/编程口，具有PPI通讯、MPI通讯和自由方式通讯能力［3］。扩展一个EM235输入输出模块，输入水压信号，输出频率控制信号。

变频器采用MM440变频器。该变频器是西门子公司用于控制三相交流电动机速度的通用型变频器，由微处理器控制，采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为功率输出器件，具有很高的运行可靠性和功能的多样性。该变频器带有6个数字输入，2个模拟输入接口［4］。利用其模拟输入端ADC1连接S7-200的模拟输出，调节输出频率。

触摸屏采用TP170B，5.7英寸，16色显示，带有滚动浏览和缩放功能的界面友好图形显示，坚固耐用，稳定可靠，前面板防护等级IP65，具有较高的电磁兼容性(EMC)和抗振性能，可满足机器操作和监控的可视化需求。TP170B通过MPI电缆连接至CPU224的通讯口PORT0，通过触摸屏发送给PLC启/停控制命令，设定M440变频器的PID目标值，实时显示试验机运行状态及试验压力值。

3.2 设备连接

设备连接如图3所示;依据控制功能要求，PLC的I/O地址分配如表1所示。其中输入元件用于系统启停控制信号的输入，输出元件分别用于设备启停控制和指示灯控制。

3.3 控制流程图(见图4)

3.4 HMI控制画面设计

采用西门子组态软件ProTool设计TP170B触摸屏控制画面，然后从电脑下载到触摸屏即可使用。触摸屏读取PLC内部存储器的变化，得到当前系统运行状态，同时通过修改PLC内部的压力设定、时间设定等数据［5］，完成系统运行状态的调节。

4 试验结果

利用该试验台对山东沪工阀门有限公司生产的Z41H-16C型手动法兰闸阀进行密封试验。该阀门公称压力1.6 MPa，采用试验压力2.4 MPa，单次保压时间2 min，达到的技术指标如下:压力测量精度≤

±0.3%fs;恒压精度≤±0.5%fs;计时精度≤±0.1 s;单次试验时间10 min。该试验台已投入使用，操作简便，工作可靠，能够较好的满足中低压阀门水压试验的要求。

表1 PLC I/O地址分配表

5 结论

本文针对阀门水压试验机控制过程，设计了基于PLC和变频器的控制系统，并通过触摸屏实现人机交互。通过现场使用证明，该系统响应速度快，控制精度高，升压曲线平缓，对系统的冲击性小，用户能自行针对不同口径阀门进行升压速率控制，能够较好的满足不同用户需求。

［1］谭进.静水压力试验机控制系统的设计与研究［D］.西安:西安工业大学，2013.

［2］刘艳军，韩志凌，赵海贤.聚乙烯阀门密封及扭转试验机控制系统设计［J］.承德石油高等专科学校学报，2014(3):19－23.

［3］SIMATIC S7-200可编程序控制器系统手册［Z］.西门子(中国)有限公司，2008.

［4］SIEMENS MICROMASTER 440变频器实用大全［Z］.西门子(中国)有限公司，2002.

［5］王楠.触摸屏与PLC在混凝土搅拌站控制系统中的应用［J］.工程机械，2011(42):11－13.