第 1 章 緒論

1.1 課題背景及研究的目的與意義

隨著世界各個國家對能源的需求逐漸增加，可燃?xì)怏w工業(yè)、電子工業(yè)的發(fā)展及新能源的開發(fā)應(yīng)用，氣瓶作為儲存氣體的載體，使得氣瓶的應(yīng)用越來越廣泛[1-3]。目前中國制造的氣瓶包括鋼制無縫氣瓶、鋁合金無縫氣瓶、鋼質(zhì)焊接氣瓶、液化石油氣鋼瓶、溶解乙炔氣瓶、車用天然氣氣瓶、全纏繞復(fù)合氣瓶、低溫絕熱氣瓶等。氣瓶所裝氣體危險性包括易燃易爆、腐蝕性、壓縮性，同時可燃?xì)怏w容易分解、易氧化等危險[4-6]。氣瓶屬于移動式壓力容器，在日常生活中經(jīng)常處在無人看管，因此移動式壓力容器比固定式壓力容器更需要監(jiān)督管理。

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1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

氣瓶屬于特種設(shè)備，所以各國都制定了有關(guān)氣瓶水壓試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)來確保氣瓶的安全使用。在所有氣瓶型式試驗(yàn)中，氣瓶水壓試驗(yàn)在各國制定的標(biāo)準(zhǔn)中均有涉及，美國、日本等國家將水壓試驗(yàn)和氣瓶容積變形率測定作為氣瓶出廠前逐只檢驗(yàn)的必要工序，歐洲國家通常要求對氣瓶進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)、水壓耐壓試驗(yàn)等作為檢驗(yàn)氣瓶性能的手段，同時水壓容積變形試驗(yàn)在氣瓶定期檢驗(yàn)中已經(jīng)成為必要手段[13-15]。目前，國內(nèi)生產(chǎn)的氣瓶種類包括鋼制無縫氣瓶、鋁合金無縫氣瓶、鋼質(zhì)焊接氣瓶、液化石油氣鋼瓶、溶解乙炔氣瓶、車用天然氣氣瓶、全纏繞復(fù)合氣瓶、低溫絕熱氣瓶等[16-18]。氣瓶公稱工作壓力范圍 1MPa 到30MPa，容積范圍 0.4L 到 1000L。因此氣瓶水壓試驗(yàn)在出廠前檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)過程中都是必要的一部分。

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第 2 章 氣瓶水壓試驗(yàn)總體方案設(shè)計

2.1 氣瓶水壓試驗(yàn)工藝過程

按照國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 9251《氣瓶水壓試驗(yàn)方法》規(guī)定的氣瓶水壓試驗(yàn)方法工藝流程如圖 2-1 所示[27]。在受試瓶準(zhǔn)備加壓前，需要排盡專用水套及連接管路的空氣。水壓試驗(yàn)為了確保準(zhǔn)確性，需將測試專用水套應(yīng)經(jīng)過校驗(yàn)瓶的校驗(yàn)，測試用的校驗(yàn)瓶大小應(yīng)與專用水套相適應(yīng)。受試瓶裝入水套后，防止氣泡存在壁上，應(yīng)先靜置 30s，整個過程，電子秤的示指應(yīng)穩(wěn)定無飄移。調(diào)整電子秤的起始示值，確保其起始示值、量杯重量和受試瓶全變形值之和應(yīng)在電子秤量程范圍內(nèi)。受試瓶內(nèi)的壓力升至公稱工作壓力時，應(yīng)暫停升壓，進(jìn)行檢查。電子秤的示值不應(yīng)繼續(xù)上升，壓力測量儀表指示的壓力值不應(yīng)下降。受試瓶水壓試驗(yàn)的加壓速率以 bar/s 計量，其數(shù)值應(yīng)的不大于氣瓶水壓試驗(yàn)壓力的 3%。

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2.2 氣瓶水壓試驗(yàn)裝置總體設(shè)計

根據(jù) GB/T 9251《氣瓶水壓試驗(yàn)方法》中提出的氣瓶水壓試驗(yàn)方法工藝流程，以及標(biāo)準(zhǔn)中給出的稱量型外測法水壓測試裝置原理圖，本文設(shè)計基于氣液增壓泵的氣瓶水壓試驗(yàn)裝置，包括氣液增壓單元和控制系統(tǒng)單元，如圖 2-5 所示。裝置工作流程如下：裝置啟動后，氣源通過過濾器將氣體中雜質(zhì)過濾掉并流入電氣比例閥進(jìn)氣口，電氣比例閥按已設(shè)定好的模擬量值線性比例輸出對應(yīng)的氣體壓力，輸出給氣液增壓泵的進(jìn)氣口，此時水箱中的水通過過濾器濾掉雜質(zhì)，提供給氣液增壓泵，氣液增壓泵根據(jù)進(jìn)氣口的壓力將液體加壓到增壓比對應(yīng)的水壓，輸送到受試瓶中，由于水套和氣瓶之間充滿水，隨著氣瓶內(nèi)水壓增高，氣瓶壁產(chǎn)生形變，將水套和氣瓶中間的水?dāng)D到電子天平秤中，水壓試驗(yàn)完成后，卸荷閥會打開將氣瓶內(nèi)多余水壓卸掉，進(jìn)氣和出水開關(guān)閥會關(guān)閉。

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第 3 章 氣瓶水壓試驗(yàn)控制系統(tǒng)建模仿真...............14

3.1 氣瓶水壓試驗(yàn)控制系統(tǒng)建模...............14

3.2 模糊 PID 控制策略實(shí)現(xiàn)............... 24

第 4 章 水壓試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計................35

4.1 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計................ 35

4.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計...............36

第 4 章 水壓試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計

氣瓶水壓試驗(yàn)控制系統(tǒng)采用西門子 TP900 為上位機(jī)，S7-1200 為下位機(jī)的方案。上位機(jī)控制軟件為用戶提供人機(jī)界面，可以通過人機(jī)界面完成對水壓試驗(yàn)的參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)存數(shù)、手動控制等操作。下位機(jī)通過 TCP/IP 通信協(xié)議，接收上位機(jī)設(shè)定的工藝參數(shù)，按照水壓試驗(yàn)的工藝流程，設(shè)定線型模擬量值，通過 PLC 模擬量輸出端口傳送給電氣比例閥，同時根據(jù)傳感器的變送反饋，將模擬量變送的線性模擬量值通過 PLC 的模擬量輸入端傳送到控制器中，在控制器中，采集的信號經(jīng)過變送再轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的壓力、溫度等數(shù)值，，完成水壓試驗(yàn)工藝過程計算，同時一方面將數(shù)據(jù)反饋到上位機(jī)，實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)控，另一方面數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)存卡中備份。傳感器包括液位傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器，主要用來測定水壓試驗(yàn)工藝過程參數(shù)，將數(shù)值傳送到 PLC 中用來完成水壓試驗(yàn)控制程序。

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4.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)采用 TP900 為上位機(jī)，S7-1200PLC 為控制器，采用 SMC 公司的電氣比例閥，采用菲亞特公司生產(chǎn)的氣液增壓泵，控制系統(tǒng)硬件構(gòu)架，如圖4-2 所示。

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在本次畢業(yè)設(shè)計中，充分利用碩士學(xué)習(xí)階段所掌握的自動化控制理論等相關(guān)知識，根據(jù)氣瓶水壓試驗(yàn)工藝過程要求，研究一套基于氣液增壓的氣瓶水壓試驗(yàn)控制系統(tǒng)，本課題主要完成內(nèi)容如下：1. 本文根據(jù)氣瓶水壓試驗(yàn)工藝過程要求，提出采用基于氣液增壓的氣瓶水壓試驗(yàn)裝置，通過控制電氣比例閥的線型模擬量信號，改變氣液增壓泵驅(qū)動氣壓力和流量，從而控制氣液增壓泵出水口水壓和流量，實(shí)現(xiàn)氣瓶水壓工藝要求，同時增加電磁開關(guān)閥、高壓止回閥、電磁卸壓閥、溫度傳感器、壓力傳感器、液位傳感器等部件實(shí)現(xiàn)氣瓶水壓試驗(yàn)的精確控制。

參考文獻(xiàn)（略）