基于PLC的水压复合设备压力控制系统*

李 贺，张立新，胡 雪，曾海峰，张胜利，董 峰

(1.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832003; 2.石河子市胜利硬面工程技术有限公司,新疆 石河子 832000)

0 引言

双金属复合管由两种不同金属材质管复合加工而成，从而使双金属复合管具有外管强度高和内衬管耐蚀性优异的性能特点[1]，而且制造成本低，因此，其在民用输水、输气以及石油、化工等行业被广泛应用。双金属复合管的研发与生产，已经成为金属管制造行业的重要关注点[2]。双金属复合管目前主要采用机械挤压和静水液压两种复合方式进行材质复合。机械挤压复合采用机械扩径装置对内衬管进行挤压复合。静水液压复合采用静水压扩大内衬管与外基管进行复合。由于水压复合技术采用静水液压复合，复合过程水压均匀，复合效果较好，不会对内衬管表面产生损伤，因此水压复合技术在双金属管复合技术领域被广泛使用。但是，如果水压复合加工过程中压力控制不当，水压复合效果可能达不到加工要求，甚至可能造成工业事故。为了使水压复合设备能够快速精准调节水压和双金属复合管水压复合压力层间接触力的大小，本文提出了一种基于PLC的水压复合设备压力控制系统，该控制系统采用PID控制方式实现水压的闭环控制[3]。

1 压力控制系统功能需求分析与总体架构设计

1.1 系统功能需求分析

本系统要求实现水压复合设备的注水功能、复合加工压力增压与保压功能、卸压功能以及加工介质自动回收功能。

(1) 注水功能：当系统与待加工复合管管体连接好后，向空的管体内进行注水，使水充斥整个管体，将空气排出，此时管体内压力几乎为零。

(2) 复合加工压力增压与保压功能：当水注满整个管体后，需继续对管体内注水，增加管内压力至复合加工所需压力。复合加工需要进行一段时间高压保持，在这个阶段，系统需要保证加压压力保持在一定区间内，如果压力低于或高于设定阈值，则需要进行压力调节，使压力保持稳定。

(3) 卸压功能：复合管道加工完成后，则逐渐降低压力，系统进入低压保持阶段。

(4) 加工介质自动回收功能：卸压完成后，系统自动把管内的水抽回系统的水箱内。

(5) 系统压力实时显示在人机交互设备上。

1.2 控制系统总体架构设计

基于双金属管水压复合工艺流程以及功能需求，设计水压复合设备压力控制系统，控制系统架构如图1所示。

水压复合设备压力控制系统采用Samkoon AK070MG触摸屏作为人机交互设备，以PLC为控制器。通过RS232数据线实现触摸屏与PLC的通讯，触摸屏可以实现远程数据传输。水压复合设备压力控制系统由以下部分组成:

(1) 触摸屏。触摸屏是实现人机交互的设备，通过在触摸屏中运行组态软件，实现参数设定、工况监控、数据存储等功能。

(2) PLC。即可编程控制器，其核心是微处理器，其逻辑功能强，同时还具有数据传输功能、数据处理功能[4]。PLC可接收控制指令以及传感器采集的信息，以数字量或模拟量的输入输出实现对水压复合工艺流程的控制。

(3) 执行元件。执行元件由电磁阀、低压水泵、高压水泵、变频器等组成。PLC根据用户指令结合传感器的采集信号对设备执行元件进行控制，进而实现水压复合的工艺流程。

2 系统硬件与软件设计

2.1 系统硬件设计

2.1.1 硬件选型

人机交互设备选用稳定可靠的显控Samkoon AK070MG触摸屏，其具有2个RS232接口。PLC系统包括供电电源、CPU、内部存储器、数字量与模拟量输入输出模块。在进行PLC选型时，应根据系统功能需求和控制流程确定PLC的数字量和模拟量输入输出点数。同时，为了保证压力控制系统稳定性以及响应速度，需要考虑PLC的存储容量以及处理速度。查阅资料可知，通常PLC存储容量是所需输入输出点数的10～15倍。由系统功能需求分析可知，PLC的模拟量输入模块需要2个点用于采集水压传感器检测到的实时水压以及保压水压；模拟量输出模块需要1个点用于输出模拟量信号；数字量输入模块需要6个点用于设备基本工况显示；数字量输出模块需要6个点用于对继电器、电磁阀、水泵等的控制。模拟量和数字量输入输出模块除所需要的点数外，还需要预留一定点数。综合考虑后，选取PLC型号为:领控ZK2N-20MR-4AD2DA。

在水压复合设备工作时，通过变频器频率改变实现高压水泵转速控制。在这个过程中，变频器可能会出现过载现象，因此对变频器进行选型时，应选择过载能力强、可靠性高的变频器。本系统采用万川变频器，其具备多种保护功能，可防止产生变频器过载、线路短路、设备高温、设备过电压或欠电压等。水压传感器是压力控制系统的关键部件，本系统采用美控MIK-P300水压传感器，其测量范围为0.1 MPa～100 MPa，测量范围广，满足水压复合高压力工况；水压复合时，产生水压较大，传感器需要具备较好防水性，密封等级为IP68,可靠性较高。

2.1.2 硬件构架

通过对水压复合设备压力控制系统进行硬件设计，以实现管材注水、复合管水压增压以及卸压三个加工流程，控制系统的硬件组成如图2所示。

图2 控制系统硬件组成

PLC与卸压阀连接，控制卸压管道上卸压阀的启闭以完成卸压。PLC输出端子与低压水路中的电磁阀1连接，以控制电磁阀1开闭，实现管材注水工艺的启停。

利用PLC控制变频器具有多种方式，所以需要选择一种控制方式。本文控制系统选取模拟量输出的控制方式对变频器频率进行调节，变频器的给定信号为4 mA～20 mA的电流信号[5]。PLC输出模拟量信号为4 mA～20 mA的电流信号，设置变频器参数时，使4 mA～20 mA的电流信号对应变频器输出频率0～50 Hz。设置模拟量4 mA对应变频器输出频率0 Hz，设置模拟量20 mA对应变频器输出频率50 Hz。变频器参数设置完成后，将PLC和变频器进行连线。PLC数字量输出模块与变频器的启停控制端子连接，以实现对高压水泵的启停控制。PLC模拟量输出模块与变频器模拟量输入端子连接，以实现对高压水泵转速的调节。

2.2 软件设计

对水压复合设备压力控制系统进行软件设计之前，需要结合控制系统功能需求和控制方案，选择合适的软件设计工具。由功能需求分析知，水压复合设备压力控制系统的人机交互设备需具有工况实时显示、加工数据存储与查询、加工参数设定等功能。通过系统构架可知，人机交互设备需能与PLC建立通讯连接。同时，人机交互设备应具备上传数据到数据库的功能，便于数据的存储与查询。结合以上分析，这里选用AKWorkshop软件进行人机交互界面设计，该软件支持ODBC数据库访问接口标准，可以满足软件设计需求。本文采用的领控PLC兼容三菱FX2N系列PLC，因此，系统控制程序采用三菱系统编程GX Works2软件进行编写。

由上述分析可知，采用AKWorkshop软件在Windows系统环境下进行人机交互界面开发，实现工况实时显示、加工参数人工设定。通过AKWorkshop软件与ACCESS数据库相结合，实现现场工况数据查询与存储功能。将调试好的控制程序下载到PLC中，实现水压复合设备实时控制与工作状态和加工数据采集功能。系统软件架构如图3所示。

图3 系统软件架构

3 系统的工作原理与工作过程

3.1 工作原理

在进行水压复合时需按照加工基准压力值对复合管材进行增压。水压增压与保压是水压复合加工的关键环节，水压增压环节是由PLC、变频器、水压传感器实现的。控制系统利用高压水泵向复合管材内注入高压水对管材进行材质复合。查阅文献可知，高压水泵的电动机转速表达式为:

(1)

其中：n为高压水泵的电动机转速，r/min；f为电动机频率，Hz；s为电动机转差率，%；p为电动机极对数。

由式(1)可得出:当其他参数固定时，转速与频率成正比，因此只需改变频率就可调节水泵的转速[6]。水压复合加工主要利用高压水泵进行复合加工压力控制，所以可采用变频器对高压水泵转速进行调节，通过频率的变化改变水泵转速确定水泵输出流量以控制复合水压大小。为实现高压水泵压力精准调节，这里采用PID控制器对变频器频率进行调节。水压控制系统PID调节原理如图4所示。

图4 PID调节原理

PLC的数字量输出端子与变频器启停控制端子连接，通过PLC与变频器控制高压水泵的开启与关闭。PLC的模拟量输入模块接收水压传感器采集的模拟量，进行A/D转换。PLC的中央处理器通过计算得到传感器采集到的实时水压与设定加工水压偏差值，然后利用PID控制器结合偏差值计算得出输出值。通过模拟量输出模块将输出值的数字量转化为模拟量并发送到变频器模拟量接收端子中。通过模拟量的变化调节变频器频率从而实现对高压水泵转速的调节，进而达到控制加工水压的目的。

3.2 工作过程

双金属管水压复合设备压力控制系统具有手动与自动控制两种模式。当选择手动控制模式时，需要操作人员手工操作完成每一个加工步骤。为保证安全生产，工作人员应严格遵守设备操作规范，同时，在设计手动控制程序时应设置紧急报警停机程序，避免危险发生。在选择自动控制模式时，水压复合设备各系统将按照加工步骤依次启动。系统主要工作流程如图5所示。

系统的具体工作步骤如下：

(1) 启动水压复合设备，固定管材，密封管道端口。

(2) 卸压阀和低压水路电磁阀1打开，启动低压水泵向复合管材内注水。

(3) 注水完成后，关闭卸压阀。高压水路电磁阀2打开，利用变频器频率改变调节高压水泵转速，进而调节水压大小。

(4) 当水压达到预设定的加工压力值时，高压水路电磁阀2关闭，高压水泵关闭，进入保压环节。

(5) 在系统保压过程中，水压传感器需要按照一定频率采集系统水压，比较实时水压值与加工设定压力值，当水压值低于设定的压力阈值时，重新启动高压水泵进行加压。

(6) 保压时间到达后，卸压阀打开卸压，加工介质回流水箱。

(7) 夹紧装置、密封装置等装置复位，加工过程完成。

图5 系统工作流程

4 结论

本文采用触摸屏、PLC、传感器等构建的水压复合设备压力控制系统，能够实现双金属管水压复合过程水压自动调节，有效提高了加工效率，在一定程度上提高了双金属管水压复合加工设备的自动化程度。本次设计完成了对阀门、泵、压力传感器的信号采集与控制，研究了基于PLC与组态软件的水压复合设备压力控制系统，使用AKWorkshop软件进行了监控界面设计，触摸屏上可显示工作状态变化，便于对工况监控，并在触摸屏上实现了阀门启停以及泵转速调节的手动控制以及自动控制，利用PID控制能够有效提升控制精度，实现了水压复合增压、保压过程的水压稳定，有效保障了水压复合的加工质量。