气动控制阀流量特性检测系统的研究与设计_谭瑞.pdf

收稿日期:2023 04 03第一作者:谭瑞(1995)，男，湖北广水人，硕士研究生，主要研究方向为工业过程控制。气动控制阀流量特性检测系统的研究与设计谭瑞1，2，余淑荣1，吴明亮1，陈雷3(1 兰州理工大学 机电工程学院，甘肃 兰州 730050;2 兰州理工大学温州泵阀工程研究院，浙江 温州 325100;3 浙江力诺流体控制科技股份有限公司，浙江 温州 325200)摘要:气动控制阀作为流体控制系统的关键设备之一，其流量特性对过程控制有着直接影响。该文设计一套基于 LabVIEW 的集试验装置，通讯模块，数据采集、分析模块于一体的气动控制阀流量特性检测系统，可对气动控制阀的流量特性进行在线检测和实时评估，最后用 Ansys Fluent 分析气动控制阀的流量特性，将仿真结果与检测系统实测数据对比论证，结果表明，该系统能准确、高效地检测出气动控制阀的流量特性。该系统可为气动控制阀制造厂家(质检)、用户企业(维护)、维修企业(检修)提供科学的技术手段。关键词:气动控制阀;流量特性;LabVIEW;检测系统;Ansys Fluent中图分类号:TP273文章编号:1000 0682(2023)04 0028 07文献标识码:BDOI:10 19950/j cnki cn61 1121/th 2023 04 006esearch and design of flow characteristic test system for pneumatic control valveTAN ui1，2，YU Shurong1，WU Mingliang1，CHEN Lei3(1 School of Mechanical Electronical Engineering，Lanzhou University of Technology，Gansu Lanzhou 730050，China;2 Wenzhou Engineering Institute of Pump Value，Lanzhou University of Technology，Zhejiang Wenzhou 325100，China;3 Zhejiang Lenor Flow Control Technology Co，Ltd，Zhejiang Wenzhou 325200，China)Abstract:Pneumatic control valve as one of the key equipment of fluid control system，its flow char-acteristics have a direct impact on process control This paper designs a test device，communication mod-ule，data acquisition and analysis module based on LabVIEW pneumatic control valve flow characteristicsdetection system，which can carry out online detection and real time evaluation of pneumatic cont rolvalve flow characteristics Finally，Ansys Fluent is used to analyze the flow characteristics of pneum atic control valve The simulation results are compared with the measured data of the detection systemThe results show that the system can accurately and efficiently detect the flow characteristics of the pne umatic control valve The system can provide scientific and technical means for pneumatic control valvemanufacturers(quality inspection)，user enterprises(maintenance)，repair enterprises(overhaul)Keywords:pneumatic control valve;flow characteristics;LabVIEW;detection system;Ansys Fluent0引言气动控制阀广泛的应用于涉及流体控制的各个工业细分领域，主要的应用领域包括:石油天然气、电力、化工、自来水和污水处理、造纸、冶金、制药、食品、采掘、有色金属、电子等行业1。由于气动控制阀安装现场环境恶劣，需要长时间在高温/低温、高压、腐蚀的严酷工况下工作，可能会导致其内部元器件损坏从而影响流量特性，轻则无法对流体精准调控，重则对工厂财物，员工人身安全带来很大的隐患2。目前，气动控制阀制造企业在产品检测时，主要按照工艺的要求进行耐压、密封、泄露、动作寿命等试验，防止阀门出现阀体破裂、阀门外漏、阀芯受冲蚀、阀杆转动不灵活等阀门失效情况3;终端用户企业的保养维修虽有平时点检、定期大修、故障报修，但主要依靠技术人员的专业经验和责任心，维修时要将阀门解体，目测检查、清洗、更换易损零部件、再重新装配，非常费时费力4。整个过程中对气动控制阀特有的流量特性这一精细调节性能关注较82工业仪表与自动化装置2023 年第 4 期少，缺乏科学的检测技术手段。该文结合 PLC 控制、变频驱动、传感器数据采集、LabVIEW 信号处理等技术5，设计一种气动控制阀流量特性检测系统，对提高流量特性检测精度、降低工人劳动强度、增强企业自动化水平有着重要的工程应用价值。1检测系统总体方案设计1 1流量特性检测指标分析气动控制阀的流量特性用流量系数 v、流阻系数 表征。流量系数 v是衡量控制阀流通能力的指标，描述流体通过控制阀的相对流量与相对开度之间的关系。流量系数 v越大，阀门的流通能力越大，计算公式如下:Kv=Qpkvpw(1)式中:Q 为被测体积流量，m3/h;kv为静压损失，105Pa;为阀两端测出的压力损失，Pa;为流体密度，kg/m3;w为水的密度，kg/m3。流阻系数 是衡量流体通过控制阀所受阻力的指标，取决于控制阀产品的种类、内腔形状、流路结构、流路形式等，计算公式如下:=2pv2(2)式中:v 为流体的速度，m/s。流量系数 Kv与流阻系数 之间的关系为:Kv=A2K36 000(3)式中:A 为阀门管路截面积，m2。1 2检测系统工艺流程检测系统在流体通过阀门达到稳流时，测定调节阀、闸阀、截止阀、球阀、蝶阀、旋塞阀、隔膜阀、止回阀等气动控制阀的流量特性。分别由DN 200、DN150、DN100、DN50 四组测试管路和两侧 DN300 汇 流 进 水 管;DN500 汇 流 回 水 管;DN200 的进、回水管路;水泵组;水箱、水箱与水泵的 DN250 连接管路;高精度的传感器:压差传感器、温度变送器、电磁流量计;控制系统和数据采集分析系统组成。每条测试管路配备变径法兰和变径管路，满足多种口径的阀门检测需求。管道内部、接管焊缝处平滑，无凸起物以及能够引起介质流量、流量系数、流阻系数变化的物质存在。插入式接管端部应与母管内壁平齐，2 个取压孔和微压差变送器之间的连接采用卡套式螺纹接头和 8 1 尼龙管。测试系统工艺流程图如图 1 所示。1 3检测系统总体结构检测系统由试验管路、电气控制系统、数据采集系统、工作站操作台四部分组成，如图 2 所示。试验管路由被测气动控制阀，前后压力调节阀、通断球阀、变径管道及接口法兰组成;电气控制系统实现水泵电机的软启动和阀门开度的调节，设定的 PLC 程序具有故障自动检测、报警、应急处理和自动保护性停机功能;数据采集系统将传感器采集数据传输到上位机中分析处理并存储在 SQL Server 数据库中，方便后续查阅调用;工作站的设立使设备实现集中管理，主要由二次仪表盘、工控机、显示器、打印机等组成。图 1检测系统工艺图922023 年第 4 期工业仪表与自动化装置图 2检测系统总体结构图2检测系统软件设计2 1检测系统下位机 PLC 程序设计下位机选用的 s7 200 SMAT 系列 PLC 是西门子生产的模块化小型 PLC，配备了高速处理芯片，基本指令执行时间可达 0 15 s，在同级别的小型PLC 中性能处于领先地位，其搭配的编程软件为STEP7 Micro/WIN SMAT V2 56。在下位机中编写程序控制变频器，驱动电机和水泵，调节管道中介质流量的大小，主要包括通讯模块、变频器控制电机模块、控制阀开度调节模块。2 1 1PLC 通讯模块程序PLC 通过 Modbus TCP 协议与上位机建立通讯，调用“MBUS_SEVE”模块，设置端口号、寄存器个数、保持寄存器起始地址。“MBUS_SEVE”是编程软件中的 Modbus TCP 服务器库函数，经过配置，即可将 PLC 作为 Modbus TCP 通讯的服务器，用于建立连接、接收请求和发送响应，如图 3 所示。PLC 和两台 ABB 变频器之间的通讯方式为Modbus TU，数据通讯采取主/从的方式，PLC 做通讯主站，轮询访问两台变频器，变频器做通讯从站，被动响应主站的请求7。在 Modbus TU 通讯模块中设置波特率、校验方式、通讯接口、从站响应等待时间，如图 4 所示。图 3PLC 和上位机 Modbus TCP 通讯程序图 4PLC 和变频器 Modbus TU 通讯程序2 1 2变频器控制电机模块程序变频器控制电机和水泵的启停、运转频率，共有数字输入量 7 点:1#变频器备妥、1#变频器运行、1#变频器故障、2#变频器备妥、2#变频器运行、2#变频器故障、系统急停，数字输出量 4 点:1#变频器启动/停止、1#变频器上电、2#变频器启动/停止、2#变频器上电、模拟输入量 4 点:1#变频器运行反馈、1#变频器电流反馈、2#变频器运行反馈、2#变频器电流反馈、模拟输出量 2 点:1#变频器运行频率给定、2#变频器运行频率给定。调用“S_TI”模块将模拟量输出转化为工程量，设定变量地址并将变频器初始化，如图 5 所示。03工业仪表与自动化装置2023 年第 4 期图 5变频器控制电机模块程序2 1 3控制阀开度调节模块程序控制阀定位器接收 4 20 mA 电流信号转化为阀杆的位移信号或阀芯的转角信号，对应阀门 0 100%的开度。在“S_TI”模块中，设定模拟量和工程量的范围，如图 6 所示。图 6控制阀开度调节模块程序2 2检测系统上位机 LabVIEW 界面设计2 2 1检测系统界面要求LabVIEW 是一种图形化的编程语言，图形化编程开发平台的特点是基于计算机等标准软硬件资源平台，实现构建灵活、层次体系明确、功能强大且人机界面友好的测控系统，因此在国内外许多测控系统中被广泛应用8 9。上位机界面将检测系统的工艺流程模拟化后呈现在操作者面前并对传感器采集的数据分析处理，此次检测系统上位机中主要包括LabVIEW PLC 通讯模块，水泵和电机控制模块，传感器数据采集、处理模块，数据回放、储存和报表打印模块。根据工艺要求，功能需求如下:(1)在上位机界面中，可直接对主要控制对象如变频器、电机和水泵、阀门开度远程操控从而保障设备和人身安全;(2)将传感器采集数据显示在上位机中分析处理，根据检测状态调整相关参数，进行实时检测和快速调控。在满足以上功能需求的基础上，检测系统的界面设计必须清晰，数据采集和显示必须准确可靠，如图 7 所示。132023 年第 4 期工业仪表与自动化装置图 7检测系统上位机人机交互界面2 2 2LabVIEW PL