基于气液增压的气瓶水压试验装置控制系统设计

第 1 章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的与意义

随着世界各个国家对能源的需求逐渐增加，可燃气体工业、电子工业的发展及新能源的开发应用，气瓶作为储存气体的载体，使得气瓶的应用越来越广泛[1-3]。目前中国制造的气瓶包括钢制无缝气瓶、铝合金无缝气瓶、钢质焊接气瓶、液化石油气钢瓶、溶解乙炔气瓶、车用天然气气瓶、全缠绕复合气瓶、低温绝热气瓶等。气瓶所装气体危险性包括易燃易爆、腐蚀性、压缩性，同时可燃气体容易分解、易氧化等危险[4-6]。气瓶属于移动式压力容器，在日常生活中经常处在无人看管，因此移动式压力容器比固定式压力容器更需要监督管理。

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1.2 国内外研究现状

气瓶属于特种设备，所以各国都制定了有关气瓶水压试验的标准和法规来确保气瓶的安全使用。在所有气瓶型式试验中，气瓶水压试验在各国制定的标准中均有涉及，美国、日本等国家将水压试验和气瓶容积变形率测定作为气瓶出厂前逐只检验的必要工序，欧洲国家通常要求对气瓶进行力学试验、水压耐压试验等作为检验气瓶性能的手段，同时水压容积变形试验在气瓶定期检验中已经成为必要手段[13-15]。目前，国内生产的气瓶种类包括钢制无缝气瓶、铝合金无缝气瓶、钢质焊接气瓶、液化石油气钢瓶、溶解乙炔气瓶、车用天然气气瓶、全缠绕复合气瓶、低温绝热气瓶等[16-18]。气瓶公称工作压力范围 1MPa 到30MPa，容积范围 0.4L 到 1000L。因此气瓶水压试验在出厂前检验和定期检验过程中都是必要的一部分。

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第 2 章 气瓶水压试验总体方案设计

2.1 气瓶水压试验工艺过程

按照国家标准 GB/T 9251《气瓶水压试验方法》规定的气瓶水压试验方法工艺流程如图 2-1 所示[27]。在受试瓶准备加压前，需要排尽专用水套及连接管路的空气。水压试验为了确保准确性，需将测试专用水套应经过校验瓶的校验，测试用的校验瓶大小应与专用水套相适应。受试瓶装入水套后，防止气泡存在壁上，应先静置 30s，整个过程，电子秤的示指应稳定无飘移。调整电子秤的起始示值，确保其起始示值、量杯重量和受试瓶全变形值之和应在电子秤量程范围内。受试瓶内的压力升至公称工作压力时，应暂停升压，进行检查。电子秤的示值不应继续上升，压力测量仪表指示的压力值不应下降。受试瓶水压试验的加压速率以 bar/s 计量，其数值应的不大于气瓶水压试验压力的 3%。

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2.2 气瓶水压试验装置总体设计

根据 GB/T 9251《气瓶水压试验方法》中提出的气瓶水压试验方法工艺流程，以及标准中给出的称量型外测法水压测试装置原理图，本文设计基于气液增压泵的气瓶水压试验装置，包括气液增压单元和控制系统单元，如图 2-5 所示。装置工作流程如下：装置启动后，气源通过过滤器将气体中杂质过滤掉并流入电气比例阀进气口，电气比例阀按已设定好的模拟量值线性比例输出对应的气体压力，输出给气液增压泵的进气口，此时水箱中的水通过过滤器滤掉杂质，提供给气液增压泵，气液增压泵根据进气口的压力将液体加压到增压比对应的水压，输送到受试瓶中，由于水套和气瓶之间充满水，随着气瓶内水压增高，气瓶壁产生形变，将水套和气瓶中间的水挤到电子天平秤中，水压试验完成后，卸荷阀会打开将气瓶内多余水压卸掉，进气和出水开关阀会关闭。

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第 3 章 气瓶水压试验控制系统建模仿真...............14

3.1 气瓶水压试验控制系统建模...............14

3.2 模糊 PID 控制策略实现............... 24

第 4 章 水压试验装置控制系统设计................35

4.1 控制系统总体方案设计................ 35

4.2 控制系统硬件设计...............36

第 4 章 水压试验装置控制系统设计

4.1 控制系统总体方案设计

气瓶水压试验控制系统采用西门子 TP900 为上位机，S7-1200 为下位机的方案。上位机控制软件为用户提供人机界面，可以通过人机界面完成对水压试验的参数设定、数据采集、数据监测、数据存数、手动控制等操作。下位机通过 TCP/IP 通信协议，接收上位机设定的工艺参数，按照水压试验的工艺流程，设定线型模拟量值，通过 PLC 模拟量输出端口传送给电气比例阀，同时根据传感器的变送反馈，将模拟量变送的线性模拟量值通过 PLC 的模拟量输入端传送到控制器中，在控制器中，采集的信号经过变送再转换成对应的压力、温度等数值，，完成水压试验工艺过程计算，同时一方面将数据反馈到上位机，实时数据监控，另一方面数据存储在内存卡中备份。传感器包括液位传感器、压力传感器、温度传感器，主要用来测定水压试验工艺过程参数，将数值传送到 PLC 中用来完成水压试验控制程序。

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4.2 控制系统硬件设计

控制系统采用 TP900 为上位机，S7-1200PLC 为控制器，采用 SMC 公司的电气比例阀，采用菲亚特公司生产的气液增压泵，控制系统硬件构架，如图4-2 所示。

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在本次毕业设计中，充分利用硕士学习阶段所掌握的自动化控制理论等相关知识，根据气瓶水压试验工艺过程要求，研究一套基于气液增压的气瓶水压试验控制系统，本课题主要完成内容如下：1. 本文根据气瓶水压试验工艺过程要求，提出采用基于气液增压的气瓶水压试验装置，通过控制电气比例阀的线型模拟量信号，改变气液增压泵驱动气压力和流量，从而控制气液增压泵出水口水压和流量，实现气瓶水压工艺要求，同时增加电磁开关阀、高压止回阀、电磁卸压阀、温度传感器、压力传感器、液位传感器等部件实现气瓶水压试验的精确控制。

参考文献（略）