气瓶外侧法水压试验机电控系统设计

摘 要

气瓶在世界各国有着广泛的应用，瓶内所装的高压气体一旦发生泄漏或爆炸，将会对人身和财产安全造成巨大的威胁，因此，气瓶气密性的检测显得尤为重要。本文综合分析了目前国内外对气瓶进行检测的方法，得出了外侧法水压试验优于其它方法的结论。

根据上述结论和本次设计要求，本文提出了将系统分为下位机PLC 电控系统和上位机触摸屏监控系统两部分的总体设计方案。下位机使用S7-300编程软件编制PLC 控制程序，达到控制要求。上位机触摸屏监控系统部分实现水压试验压力、试验温度的自动采集与处理，并且设计了相应的控制画面。经过联机调试，基本达到设计目的。实现了手动、自动两种控制方式控制整个试验过程。 关键词：水压试验机 气瓶检测 外侧法

ABSTRACT

Gas bottles in the world with a wide range of application,Installed high pressure gas in the bottle once the event of a leak or explosion, Will be huge threats to personal and property security .Therefore, the detection of air-tightness of gas cylinders is important. This comprehensive analysis of the current method of detection on gas bottles at home and abroad, came to a method of lateral water pressure testing method is superior to other conclusions.

Based on the above conclusions and the design requirements, presented the system into slave PLC and super computer touch- screen monitor and control system of electric - . S7-300 , . PC , of a of , to . , . in to .

Keywords: Control system for hydrostatic testing machine; Cylinder testing; Outside the law;

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目 录

摘 要.............................................................. Ⅰ ABSTRACT........................................................... Ⅱ

1 绪 论............................................................ 30

1.1课题背景 . ................................................... 30

1.2 研究意义 ................................................... 30

1.3 国内外相关领域的研究现状 ................................... 31

1.3.1国外气瓶水压试验装置发展状况.............................. 32

1.3.2目前我国气瓶水压试验装置存在的问题........................ 32

1.4 研究内容 ................................................... 33

1.5 论文结构 ................................................... 34

1.6 本章小结 ................................................... 34 2 水压机控制系统的工作原理及基本构成............... 错误！未定义书签。

2.1 水压试验机控制系统设计方案 ................. 错误！未定义书签。

2.1.1 试验压力装置的设计 ....................... 错误！未定义书签。

2.1.2 试验水套装置的设计 ....................... 错误！未定义书签。

2.1.3 试验量筒称重装置的设计 ................... 错误！未定义书签。

2.2水压试验机控制系统工艺流程 . ................. 错误！未定义书签。

2.2.1 试验前准备工作 ........................... 错误！未定义书签。

2.2.2 试验步骤 ................................. 错误！未定义书签。

2.3 水压试验机控制系统的基本构成 ............... 错误！未定义书签。

2.3.1 硬件系统组成 ............................. 错误！未定义书签。

2.3.2 软件系统组成 ............................. 错误！未定义书签。

2.4 关键器件的容量计算与选型设计 ............... 错误！未定义书签。

2.4.1 电机空开容量计算与选型 ................... 错误！未定义书签。

2.4.2 电机接触器容量计算与选型 ................. 错误！未定义书签。

2.4.3 电机热继电器容量计算与选型 ............... 错误！未定义书签。

2.4.4 直流电源容量计算与选型 ................... 错误！未定义书签。

2.5 本章小结 ................................... 错误！未定义书签。 3 控制系统电气图设计............................... 错误！未定义书签。

3.1 系统整体设备关联图设计 ..................... 错误！未定义书签。

3.1.1模拟量输入回路图.......................... 错误！未定义书签。

3.1.2开关量输入回路图.......................... 错误！未定义书签。

3.1.3开关量输出回路图.......................... 错误！未定义书签。

3.1.4执行器电源回路图.......................... 错误！未定义书签。

3.2 西门子S7-300 PLC . .......................... 错误！未定义书签。

3.2.1 CUP模块.................................. 错误！未定义书签。

3.2.2 信号模块与功能模块 ....................... 错误！未定义书签。

3.3 控制系统I/O设计 ........................... 错误！未定义书签。

3.4 本章小结 ................................... 错误！未定义书签。 4 重点程序介绍.................................... 错误！未定义书签。

4.1 编程方案 ................................... 错误！未定义书签。

4.2 自动检测程序介绍 ........................... 错误！未定义书签。

4.3模拟量数据采集处理程序介绍 . ................. 错误！未定义书签。

4.4膨胀排水量计算程序介绍 . ..................... 错误！未定义书签。

4.5残余变形值计算程序介绍 . ..................... 错误！未定义书签。

4.6残余变形率程序介绍 . ......................... 错误！未定义书签。

4.7数值转换FC105介绍 . ......................... 错误！未定义书签。

4.8 本章小结 ................................... 错误！未定义书签。 5 触摸屏程序设计.................................. 错误！未定义书签。

5.1 触摸屏在工业自动化中的应用 ................. 错误！未定义书签。

5.2 触摸屏与PLC 的通信方法 ..................... 错误！未定义书签。

5.3 触摸屏画面整体布局设计 ..................... 错误！未定义书签。

5.4 触摸屏输入输出设计 ......................... 错误！未定义书签。

5.5 本章小结 ................................... 错误！未定义书签。 6 系统调试........................................ 错误！未定义书签。

6.1 运用STEP7仿真软件对系统进行调试 ........... 错误！未定义书签。

6.1.1 S7-PLCSIM主要功能........................ 错误！未定义书签。

6.1.2 使用S7-PLCSIM 仿真软件调试程序的步骤 ..... 错误！未定义书签。

6.2 运用触摸屏对系统进行调试 ................... 错误！未定义书签。

6.3 调试方法与步骤 ............................. 错误！未定义书签。

6.4 本章小结 ................................... 错误！未定义书签。 7 结论与展望...................................... 错误！未定义书签。

7.1 研究课题总结 ............................... 错误！未定义书签。

7.2 课题前景展望 ............................... 错误！未定义书签。

参考文献........................................... 错误！未定义书签。 致 谢............................................. 错误！未定义书签。 附录1 ............................................. 错误！未定义书签。 附录2 ............................................. 错误！未定义书签。

1 绪 论

1.1课题背景

随着世界经济一体化的发展，中国与世界各国经济合作的加强，我国的制造业逐渐打人国际市场，国产气瓶在国际市场中也占据着越来越多的份额，因而加快气瓶制造和检验技术与国际接轨的步伐尤为重要。水压试验作为气瓶检验程序中最关键的环节，目前国内大多是按照GB ／T 9251—1997《气瓶水压试验方法》进行内测法水压试验，而在美国和欧洲等国家所执行的DOT 标准中，要求气瓶水压试验采用外测法。另一方面，进口气瓶在国内诸多场合亦得到广泛应用，例如大多数饮料自动贩卖机上都装设着进口的铝合金气瓶，以及潜水时背负的氧气瓶同样如此。为了充分与国际接轨，要求无论是在气瓶的制造环节还是检验环节，都有必要大力推广与国外技术相同步的气瓶外测法水压试验。

目前国内气瓶生产厂家对在国内销售的气瓶大多采用GB/ T9251 —1997《气瓶水压试验方法》进行内测法进行水压试验, 销往欧美国家的气瓶要求按照DOT 规程和规范所规定的外测法进行水压试验。我国气瓶要打入国际市场, 气瓶检测方法也要与国际接轨。目前, 国内的气瓶水压试验外测法大都采用浮动量管法, 试验装置主要以人工装置为主。近几年随着计算机工业技术控制技术应用的普及和提高, 采用计算机控制技术进行气瓶水压试验装置已逐步投入使用。本文将探讨气瓶水压试验的装置的设计方法。

国标GB/ T9251 —1997《气瓶水压试验方法》和CGA C - 1《压缩气体气瓶的水压试验方法》中对气瓶水压试验方法、试验装置和操作方法都作了详细的规定, 近年来计算机技术、各种传感器和测控技术的应用日趋成熟, 采用计算机技术进行水套容积膨胀方法气瓶水压试验应该是完全可行的。

1.2 研究意义

进入二十一世纪，人类面临能源和环保两个基本问题，解决由于大量汽车尾气排放而造成的环境污染，己成为摆在世界各国政府、环境保护组织及汽车产业界面前的紧迫课题。加大清洁汽车的开发与应用力度，制定更为严格的环保政策，已成为人类社会的共识，使用作为清洁汽车重要发展方向的压缩天然气(CompressedNatural Gas, CNG)汽车，既减少了环境污染，又调整了能源结构，是同时解决这两个问题较现实的有效途径。由此，与之相关的是，基于安全性考虑，对CNG 汽车上CNG 气瓶的定期安全检验至关重要，CNG 气瓶检验服务有着很广阔的发展前景，研究作为特种设备质量安全检测中心主要检验业务的CNG 气瓶

检验战略管理具有重要的现实意义。

1) 全球性石油资源日益减少，天然气等新的汽车燃料为世人瞩目。一方面，随着世界经济的迅速发展，车用燃料的需求量在不断增加，世界性石油资源供应的形势将更为严峻; 与此同时，全球性的污染加剧，环境日趋恶化，能源和环保是人类社会可持续发展所面临的严峻挑战。另一方面，汽车是现代经济社会必不可少的交通工具，汽车数量将会不断增多，车用汽油和柴油的消耗量越来越大。因此必须为汽车寻求新的替代燃料，寻求各种清洁能源。国际能源组织认为，天然气将成为21世纪的重要能源。根据大量的试验与测试表明，天然气汽车与燃油汽车相比较，COZ 比燃油车低25%, HC 化合物低80%, SO:低70.5%, SO 低99.99%, Pb 减少到零，颗粒杂质减少41.67%，非甲烷烃类减少52.8%, CO减少89.73%，噪声降低40%.天然气汽车兼具资源丰富、分布广泛、价格低廉且排废大大减少等多方面的综合优点。因此，国内外普遍认为，天然气汽车的推广和使用将是21世纪汽车工业发展的一个主要方向.

我国从80年代后期，加快了天然气汽车的发展步伐。近年来，党和国家的多位领导人对我国发展天然气汽车作过多次重要指示，我国发展天然气汽车已由地方行为上升为国家行为。

2) CNG汽车上贮存压缩天然气的CNG 气瓶，内装易燃易爆介质，公称工作压力高达20MPa ，如发生爆炸，将极易导致群死群伤的特大恶性事故，为保障人民生命和财产安全，因此，必须对CNG 气瓶进行定期强制安全检查。CNG 汽车作为一个产业，是一项大的系统工程，它的生产和运行涉及到机械、电子、城建、土地、交通、规划、安全、标准、税收、检测、环保等各个部门，只有取得社会和各行业、各部门的强有力支持，它才能稳步、快速、持续发展。因此，必须认真有效地实施政府管理行为，特别是在天然气汽车的改装、生产以及压缩天然气气瓶检测方面，提出了更高更严格的技术要求，必须贯彻实施技术标准，从严管理，以确保天然气汽车的安全。这里面包括CNG 汽车及其改装的CNG 气瓶检测的规范和程序，都要执行严格的技术标准。因此，CNG 气瓶检验服务领域具有很大的发展前景，研究CNG 气瓶检验战略管理就有着重要的实际意义。

1.3 国内外相关领域的研究现状

气瓶水压试验是检验气瓶性能最直接和最有效的手段。伴随气瓶水压试验方法产生的同时, 气瓶水压试验装置也应运而生。随着工业的发展和技术的进步, 气瓶的水压试验装置也日益发展。到了90 年代, 由于计算机的广泛应用, 使得水压试验装置自动化程度大大提高。出现了计算机自动控制水压试验装置, 使得气瓶水压试验的工作效率和试验结果的精度大大提高。目前, 我国的气瓶水压试验装置技术水平远远落后于发达国家气瓶水压试验装置的技术水平, 试验数据

的采集仍靠眼看、手记, 从而存在读数客观性不强、试验过程无法再现等众多的缺点。

目前国内气瓶生产厂家对在国内销售的气瓶大多采用GB ／ 251—1997《气瓶水压试验方法》进行内测法进行水压试验，销往欧美国家的气瓶要求按照DOT 规程和规范所规定的外测法进行水压试验。我国气瓶要打入国际市场，气瓶检测方法也要与国际接轨。目前，国内的气瓶水压试验外测法大都采用浮动量管法，试验装置主要以人工装置为主。近几年随着计算机工业技术控制技术应用的普及和提高，采用计算机控制技术进行气瓶水压试验装置已逐步投入使用。

1.3.1国外气瓶水压试验装置发展状况

美国作为世界上最大的气瓶生产国和使用国, 其气瓶水压试验装置也代表了当今气瓶水压试验装置的发展水平。60 年代末, 美国为了提高气瓶水压试验装置的工作效率和保证水压试验结果的准确性, 针对外测法试验装置中供压管和受试瓶瓶颈间难以密封的问题, 由CarlA. Grenci 研制的气瓶水压试验封头能够实现供压管与受试瓶瓶颈间快速密封及水套封头与水套间的密封。此封头的密封原理和结构后来被美国几个大的气瓶水压试验装置生产厂家一直采用至今。到了80 年代初, 为了进一步提高试验装置的精度, 对于试验时压力的测量采用了压力传感器配合有关的显示仪表, 从而达到对试验压力的准确显示和记录。对加压泵采用了有关的测控装置, 从而保证当气瓶内的压力达到即定水压试验压力时自动停泵。整个水压试验过程由一时序控制器控制。可以说, 这时的水压试验装置已具有自动控制的雏形。进入90 年代后, 伴随着计算机的广泛应用, 美国的气瓶水压试验装置生产厂家研制了计算机控制的气瓶水压试验装置。其水压试验装置与以前相比, 具有以下几个突出的特点:

① 整个气瓶水压试验过程有一用户友好软件实现自动控制。用户只要在试验前输入气瓶有关参数后按下试验开始键, 整个试验过程就会自动运行, 试验结果输入数据库保存。对试验结果实行自动处理并将试验结果通过打印机输出。必要时可以查询试验结果数据库和对整个试验过程再现。

② 水压试验装置中的测量系统采用了电膨胀测量系统EEM S (Elect ron ic Expan sionM easu ring System ) , 该测量系统特别适用于大容积气瓶水压试验时气瓶容积变形量和容积残余变形量的测量。

③ 装置可以对几个气瓶同时进行水压试验, 这就大大提高了装置的工作效率。同时, 该装置配有试验前气瓶加水装置、试验后自动倒水和对气瓶进行干躁的装置, 使得气瓶水压试验的后处理工作减少。

1.3.2目前我国气瓶水压试验装置存在的问题

目前, 我国气瓶水压试验装置的发展滞后于气瓶的发展, 存在着以下几个

急待解决的问题。

① 我国目前的气瓶水压试验装置多数基于内测法, 但实践证明外测法测试精度较高, 且数据稳定。同时国际上许多国家的气瓶标准或规程仅对外测法试验结果予以承认。所以为使国内企业在气瓶安全可靠性方面更具竞争力, 并把我国的气瓶打入国际市场, 气瓶检验方法也应与国际标准接轨, 水压试验装置应从传统的基于内测法为主向外测法为主过渡。

② 气瓶水压试验装置的自动化程度很低, 存在着眼看、手记和读数客观性不强等问题, 装置的工作效率不高, 操作过程不直观, 试验过程有关曲线无法保存, 质量证明书提供的信息有限。为了解决以上问题, 一方面需要开发计算机控制水压试验用户友好软件, 另一方面要解决有关的硬件配置。

目前国内气瓶生产厂家对在国内销售的气瓶大多采用GB ／ 251—1997《气瓶水压试验方法》进行内测法进行水压试验，销往欧美国家的气瓶要求按照DOT 规程和规范所规定的外测法进行水压试验。我国气瓶要打入国际市场，气瓶检测方法也要与国际接轨。目前，国内的气瓶水压试验外测法大都采用浮动量管法，试验装置主要以人工装置为主。近几年随着计算机工业技术控制技术应用的普及和提高，采用计算机控制技术进行气瓶水压试验装置已逐步投入使用。本文将探讨气瓶水压试验的装置的设计方法。

国标GB ／T9251-1997(气瓶水压试验方法》和CGA C—I 《压缩气体气瓶的水压试验方法》中对气瓶水压试验方法、试验装置和操作方法都作了详细的规定，近年来计算机技术、各种传感器和测控技术的应用日趋成熟，采用计算机技术进行水套容积膨胀方法气瓶水压试验应该是完全可行的。

国标GB ／T9251-1997(气瓶水压试验方法》和CGA C—I 《压缩气体气瓶的水压试验方法》中对气瓶水压试验方法、试验装置和操作方法都作了详细的规定，近年来计算机技术、各种传感器和测控技术的应用日趋成熟，采用计算机技术进行水套容积膨胀方法气瓶水压试验应该是完全可行的。

1.4 研究内容

气瓶水压试验工作站是进行气瓶水压试验的系统的总称，该系统包括称重、上阀、灌水、试验、装卸及放水等一系列工作，水压试验方法采用外测法。该系统由PLC 控制，上位机监控并管理，测量、显示准确、可靠。在水压试验过程中通过称重电子天平采集的数据可自动计算出气瓶膨胀排水量、气瓶残余变形值、气瓶残余变形率，试验过程自动进行。

其中上位机包括与下位机的通讯模块、系统参数设置模块、水压试验模块。下位机包括水套灌水模块，水套排气模块、自动检测模块、称重数据采集模块，压力数据采集模块，温度数据采集模块，工程量转换模块，报警模块，各类指示

灯控制模块等。这些模块在试验中配合工作，实现对试验装置的控制。

水压试验机的拟研制控制系统由硬件系统、软件系统组成。

①硬件系统组成：

硬件系统主要由上位机、下位机、触摸屏、现场传感器和可执行元件组成。 下位机由一台西门子S7-300 PLC担任，它负责对现场传感器检测到的信号传送给上位机进行信号处理，同时它又把上位机的控制指令翻译成执行指令控制现场可执行元件的动作，从而实现系统整体自动协调动作，完成气瓶水压试验。

现场传感器有水压传感器，温度传感器和称重传感器，，将它们转换为电信号传送到PLC ，等待进一步处理。

可执行元件包括进水阀、排水阀、电机和信号指示灯，它们负责实现机械的各个具体动作和相关信号指示。

②软件系统组成：

软件系统包括：WinCC_flexible、AutoCAD 绘图软件、PLC 运行开发软件（STEP 7-Micro/WIN V5.4）。

1.5 论文结构

本文通过六部分对‘水压试验机电气控制系统—PLC 控制和编程’进行了叙述：1 绪论，介绍了课题背景、研究意义、国内外相关领域的研究现状；2水压机控制系统的工作原理及基本构成，硬件系统、软件系统组成进行了简介；3控制系统电气图设计，介绍了系统整体设备关联图设计，西门子S7-300，介绍了控制系统I/O设计；4 部分重点程序介绍；5 触摸屏程序设计; 6 系统调试;7 结论与展望 包括研究课题总结，前景展望。

1.6 本章小结

本章主要对课题的研究背景、研究意义、国内外相关领域的研究现状、研究内容和本论文的结构做出了简要的说明。

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