直埋管砂箱试验装置的控制系统设计

王 颖， 夏凤鸣， 王一宁，刘 英， 杨雨图

(1．江苏省特种设备安全监督检验研究院，江苏 南京 210099)(2．南京林业大学 机械电子工程学院，江苏 南京 210037)

直埋管砂箱试验装置的控制系统设计

王 颖1， 夏凤鸣2， 王一宁1，刘 英2， 杨雨图2

(1．江苏省特种设备安全监督检验研究院，江苏 南京 210099)(2．南京林业大学 机械电子工程学院，江苏 南京 210037)

应用机电一体化技术，根据直埋管砂箱试验装置的工作原理，完成了该装置控制系统的设计。控制系统采用两级控制方案，由下位机和上位机组成。上位机采用PC机配以监控组态软件组态王，下位机主体采用西门子S7-200系列的 PLC。系统通过上下位机的通讯来实现对试验关键参数的实时采集以及对各功能模块的实时监控。

直埋管；砂箱试验；控制系统；组态王

在工业生产和人民生活中使用着大量的蒸汽、热水及其他各种热媒，而这些热媒大多数都是采用直埋夹套管敷设的管线输送至用户[1-3]。砂箱试验(总体抗压强度与轴向滑动试验)装置是保证直埋夹套管安全使用的关键，提高其自动化、智能化水平对于保证试验质量、提高试验效率有着重要的现实意义[4-5]。

1 直埋管砂箱试验装置

试验装置的总体方案为：以吸砂机配合砂箱平车，分工位完成试验与装砂卸砂。试验装置包括砂箱平车、推拉力试验机、液压加载装置、吸砂系统以及工作梯，总体结构如图1所示。

图1 试验装置的总体结构

2 试验装置工作原理

a.空载试验。

空载试验时，首先将砂箱平车移至换管工位，安装好试验管后，再将砂箱平车移至试验工位，调节推拉力试验机的伸出杆至试验管的中心高度，连接推拉力试验机的伸出杆与试验管内管，开始试验，试验结束后，解除推拉力试验机伸出杆与试验管内管的连接，如图2所示。

图2 空载试验原理示意图

b.加载试验。

加载试验时，首先将砂箱平车移至装卸砂工位，打开储砂罐阀门，砂子可凭借重力自动流入砂箱，装砂量满足试验要求后，关闭储砂罐阀门，再将砂箱平车移至试验工位，液压加载装置给砂箱加载，调节推拉力试验机的伸出杆至试验管的中心高度，连接推拉力试验机的伸出杆与试验管内管，开始试验，试验结束后，解除推拉力试验机伸出杆与试验管内管的连接，液压加载装置卸载返回，将砂箱平车移至装卸砂工位，工作人员开启吸砂机吸砂，如图3所示。

3 试验装置控制系统设计

本试验装置控制系统的设计，主要是在机械系统设计的基础上，从试验装置的各种参数出发，通过对推拉力试验机、砂箱平车、液压加载装置、吸砂系统的实时监控以及内管推拉力数据的实时采集来实现自动控制[6-7]，从而保证试验过程中试验数据的精准性、实时性以及试验结果的优质、高效。

图3 加载试验原理示意图

试验装置控制系统采用两级控制方案，由下位机和上位机组成。上位机采用PC机配以监控组态软件组态王，操作系统采用Windows XP；下位机主体采用西门子S7-200系列的 PLC。

3.1控制参数

试验装置的控制参数见表1。

表1 试验装置的控制参数

3.2下位机控制系统的设计与实现

下位机控制系统主要是由PLC及其软件以及试验装置各功能模块、推拉力传感器等执行和检测机构组成，主要负责接收现场设备的相关参数信息，以及根据上位机的控制指令控制设备的执行，是整个控制系统的核心部分。考虑到试验现场环境条件的复杂多变对试验效果的影响，以及操作难易程度、硬件抗干扰能力等因素，为保证下位机控制系统有效、稳定的工作，本设计选用性价比较高的西门子S7-200系列的PLC。

下位机控制系统的内容和功能主要由以下几部分组成：(1)下位机通过PLC能够与上位机安装的组态监控软件组态王进行实时通讯，实现整个试验过程的控制和状态检测，并向上位机实时传送试验数据信息，执行上位机发出的对各功能模块的控制指令。(2)通过实时采集推拉力传感器输出的4～20mA电流信号得到内管在不同滑动位移处的推拉力。(3)对试验过程中出现的紧急故障进行声光报警，提示试验人员及时进行处理，排除故障。(4)系统应满足连续试验的控制要求，并具有良好的可扩展性。

下位机I/O 端口分配见表2。

表2 PLC I/O端口分配表

根据PLC端口的配置与软件的设计，连接PLC及相关模块，接线图如图4所示。由于篇幅原因，此处省略传感器及接近开关接线图与电机接线图。

图4 PLC及相关模块接线图

3.3上位机监控系统的设计与实现

控制系统选用北京亚控科技发展有限公司研发的组态王组态软件系统，该系统具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。组态王软件用于实时监测直埋管型式试验的推拉力数据，监控试验装置的各功能模块。监控系统总体结构如图5所示。

上位机控制系统的软件编写主要有2个难点：

图5 组态王监控系统总体框架

难点一是如何将试验数据不断地插入到实时报表中；难点二是如何将实时报表中的数据分类提取出来用以计算每一次推动内管的平均推力。

要解决以上2个难点，试验时需要根据相关按钮的点击情况以及各行程开关的状态将空载或加载、推拉次数、推或拉等数据记录到相应的变量中，例如：当前进行的是空载试验，推拉力试验机第2次向左拉内管，则需要将空载(试验方式)、2(推拉次数)、向左拉(推或拉)等3个参数记录到相应的变量中。

将试验数据不断地插入到实时报表中需要使用数据改变命令语言，变量设置为传感器传递到上位机的推拉力值，即当推拉力值发生改变时，执行向实时报表中插入数据的相关程序，程序首先判断当前进行的是空载试验还是加载试验，然后再将时间、推拉次数、推或拉、推拉力值从相应的变量中读出并实时地插入到报表中。

计算每一次推动内管的平均推力都要将这一次的数据从实时报表中筛选出来，可使用判断语句按照试验方式、推拉次数、推或拉等条件对报表中的数据进行逐条筛选，记录筛选出的数据条数，并对推拉力值进行求和，即可计算出该次推动内管的平均推力。

控制系统主界面上设有4个按钮：空载试验、加载试验、报表打印与试验帮助，点击按钮便可进入相应的子界面。

空载试验在空载试验界面下完成，界面上主要设有砂箱平车位置监控、推拉力试验机监控、内管推拉力实时曲线、实时报表、数据后处理等几个部分。砂箱平车位置监控部分可根据下拉列表框中的选项，控制砂箱运行至指定工位，还能实时监测砂箱平车的运行状态并以指示灯的形式显示出来；推拉力试验机监控部分可调整伸出杆的中心高度，使其适用于不同管径的直埋管，还可控制试验的开始、停止与复位，监控伸出杆往返推动内管；实时曲线显示了推拉力的当前值；实时报表将推拉力的实时值、推拉次数、推拉状态与时间记录在报表中，可打印和保存；数据后处理主要进行试验数据计算处理，点击数据处理按钮即可将实时报表中3次往返推动内管的平均推力全部计算出来，取这6个力的平均值即为空载平均推力F0。空载试验界面如图6所示。

图6 空载试验界面

加载试验在加载试验界面下完成，除了与空载试验界面上相同的几个部分外，加载试验界面上还设有液压加载装置监控与吸砂系统监控两个部分。液压加载装置监控部分可控制压板加载与返回，并能显示当前状态；吸砂系统监控部分可以实时监控吸砂机吸砂与储砂罐放砂。由于加载试验界面与空载试验界面相似，此处省略加载试验界面截图。

4 结束语

本文详细叙述了下位机控制系统与上位机监控系统的设计与实现，通过控制系统的工作来实现对现场各功能模块的实时监控以及内管推拉力数据的实时采集。该控制系统操作方便，数据采集精准，不仅适用于直埋管砂箱试验装置，类似的机械装置控制系统皆可参考本文的思路进行设计。

[1] 袁娜．热水管道直埋敷设研究[D]．西安：西北大学，2007.

[2] 崔学梅．内阻式供热直埋保温管热工模拟与仿真[D]．太原：太原理工大学，2006.

[3] Weidlich， Ingo．Buried district heating pipelines：soil-pipe interaction of district heating pipes-Suggested framework[J]．Euroheat and Power：English Edition，2011，8(3)：34-39.

[4] Tol H I，Svendsen S．Improving the dimensioning of piping networks and network layouts in low-energy district heating systems connected to low-energy buildings：a case study in Roskilde， Denmark[J]．Heat Transfer Engineering，2011(1)：276-290.

[5] 沈禹，刘俊松，刘炳南．高温蒸汽直埋管设计技术综述[J]．中国科技信息，2012(10)：126-127.

[6] Dalla Rosa Alessandro，Li Hongwei，Svendsen Svend．Modeling transient heat transfer in small-size twin pipes for end-user connections to low-energy district heating networks[J]．Heat Transfer Engineering，2013(4)：372-384.

[7] 刘金山，张永生，王善江，等．TSGD2001-2006 压力管道元件制造许可规则[S]．北京：国家质量监督检验检疫总局，2006.

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

国家质检总局科技项目(2013zjjg056)；江苏省特种设备安全监督检验研究院项目(苏特检(2012)协字第660号)

王颖(1965—)，男，江苏南京人，江苏省特种设备安全监督检验研究院高级工程师，硕士，主要研究方向为管道设备安全。

TH-39

A

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