CN101995354B - 一种水压试验机压力平衡装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水压试验机压力平衡装置，包括增压系统、平衡系统和总线，增压系统包括增压器、PLC控制器、增压器控制阀和增压缸；平衡系统包括增压器、液压轴控制器、电液控制阀和平衡缸。该增压系统和平衡系统均具有动力源和执行元件，形成了两个独立又有机结合的闭环控制系统。此外本发明还公开了一种一种水压试验机压力平衡装置控制方法，其通过充水、增压、卸压等步骤对水压试验机压力平衡装置进行闭环控制，该装置和方法提高了装置压力平衡的稳定性，便于故障检修，确保了设备的长期稳定运行。

Description

一种水压试验机压力平衡装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种水压试验机，特别涉及一种利用独立的双闭环控制装置进行控制的水压试验机。

背景技术

水压试验机是将管子冲满水后两端密封加压到一定的压力，从而验证管子是否达到API耐压标准。宝钢于1994年成套引进了德国先进的钢管水压试验机，该水压试验机在国内外同类设备中是最先进的。该水压试验机的基本原理如下：

在钢管试压过程中，试验压力是按设定的过程进行升压的，理论上要求平衡缸(支撑缸)的压力p₁按照一定的比例实时跟随试验压力(增压缸)p₃，图1表示了这种平衡关系。由图1可得：

$p_1^{\′}\·(D_s^2\·\frac{\mathrm{\π}}{4})=p_3\·(D^2\·\frac{\mathrm{\π}}{4})---(1-1)$

即

$p_1^{\′}=p_3\·{\left(\frac{D}{D_s}\right)}^2---(1-2)$

式中：

D-钢管外径；

D_s-平衡缸活塞直径。

为实现这个跟随过程，现有平衡系统采用电液伺服系统闭环控制，在系统设计上，以增压系统的实际值作为平衡系统的输入值。但是由于水压试验机压力平衡控制模型是德国REXROTH公司的专利技术，其信息内容及开发环境都不为中方所知，现场技术人员无法了解系统内部设计思想，对水压试验机控制的工作原理仅知皮毛，对各种故障的分析一直很茫然，判断和排除故障相当困难。虽然多年来在实践中经过慎重逐步地探索性研究，对水压试验机系统有了一定的认识，但还是知之甚少，导致每次出现故障，都找不到故障原因，或需要很长时间才能找到原因。另外，现有的水压试验机一但整个闭环控制系统或执行机构中某一环节出问题，将导致压力失衡，系统也将无法正常运行。

发明内容

本发明的目的之一是发明一种水压机压力平衡装置，避免上述现有水压机的缺点，使得闭环控制系统相对独立，提高了压力平衡的稳定性，确保设备长期稳定运行，且易于故障检修。

本发明的另一目的是提供一种控制上述压力平衡装置的方法，该方法使两个闭环控制有机结合又相对独立，保证了系统运行的平稳性。

根据本发明的上述目的，提出一种水压试验机压力平衡装置，包括一增压系统，一平衡系统以及总线，所述增压系统和平衡系统通过总线连接，所述增压系统包括：

一增压器，作为所述增压系统的动力源；

一PLC控制器，通过总线与所述平衡系统连接；

一增压器控制阀，与所述PLC控制器和增压器连接，接收PLC控制器的压力信号，调节增压器控制阀的开度，控制增压器流量；

一增压缸，作为所述增压系统的执行元件，执行增压动作；

一P/I传感器，与所述增压缸连接，用于反馈增压系统的实际压力值；

一PI控制器，用以实现所述增压系统压力值的稳定调节；

一比例溢流阀，与所述PI控制器连接，接收PI控制器的信号，调整阀的开度，实现所述增压系统压力的无级调节；

第一累加器，与所述增压缸、增压器控制阀和比例溢流阀连接，用以存储来自增压器控制阀和比例溢流阀的压力信号，并将该信号累加后发送给增压缸；

第二累加器，与PLC控制器、PI控制器和P/I传感器连接，用以存储来自PLC控制器的压力信号和P/I传感器反馈的压力信号，并将该信号累加后发送给PI控制器。

所述平衡系统包括：

一增压器，作为所述平衡系统的动力源；

一液压轴控制器，通过总线与所述PLC控制器连接，接收由总线传送的PLC控制器压力信号，根据该压力信号向所述平衡系统发送压力信号；

一平衡缸，作为所述平衡系统的执行元件，执行增压动作；

一P/I传感器，与所述平衡缸连接，用于反馈平衡系统的实际压力值；

一PI控制器，用以实现所述平衡系统压力值的稳定调节；

一累加器，与所述液压轴控制器、P/I传感器和PI控制器连接，用以存储来自液压轴控制器的压力信号和P/I传感器反馈的压力信号，并将该信号累加后发送给PI控制器；

一电液控制阀，与所述PI控制器、增压器和平衡缸连接，接收来自PI控制器的压力信号，调节阀芯以控制增压器的流量。

优选地，所述液压轴控制器为数字式液压轴控制器。

优选地，所述电液控制阀为高频响比例阀或伺服阀。

优选地，所述增压系统中的增压器包括若干个增压泵。

相应地，本发明还提供了一种水压试验机压力平衡装置控制方法，包括如下步骤：

(1)准备阶段：将试件放置到试压工位，然后密封试件，开始充水；

(2)充水阶段：开始充水后，为了平衡充水时的压力，设置一个平衡缸的初始压力值，并将其传输给PLC控制器，PLC控制器又通过总线将其传输给液压轴控制器，同时平衡系统的增压器通过电液控制阀向平衡缸提供压力源，液压轴控制器根据平衡系统I/P传感器的反馈值和初始压力值对电液控制阀的阀芯进行控制，进而调节系统的压力；

(3)增压阶段：充水结束后，增压开始，增压系统的增压器开始增压，试件内水的压力通过增压系统的I/P传感器反馈给PLC控制器，PLC控制器通过总线将该值传输给液压轴控制器，液压轴控制器根据该值控制平衡系统的压力，并将平衡系统I/P传感器反馈的实际压力值与PLC通过总线传输的压力值进行比较，不断调整电液控制阀的阀芯，使增压系统和平衡系统始终处于动态平衡状态，直至达到设定压力值，试压完成；

(4)卸压阶段：保压时间到后，增压系统的增压器开始卸压，比例溢流阀按给定斜率卸压，随之撤销平衡系统跟随行为，卸压过程完成。

优选地，所述步骤(3)增压阶段还需设定增压时间，当超过设定增压时间压力仍未达到设定压力值时，系统报警，增压器执行正常卸压程序。

优选地，所述步骤(3)增压阶段还包括：当增压压力超过设定压力值的10％或平衡缸位移超过设定范围时，系统报警，增压系统增压器停止增压，断开平衡缸系统的跟随行为，增压系统紧急卸压。

优选地，所述步骤(3)增压阶段若发生泄漏，则系统报警，增压器执行正常卸压程序。

优选地，所述步骤(4)卸压阶段还需设定卸压时间，当超过设定卸压时间压力仍未卸掉时，系统报警，增压系统增压器慢速后退卸压。

本发明由于采用了以上技术方案，使之与现有技术相比，避免了现有水压机的缺点，使得闭环控制系统相对独立，提高了压力平衡系统的稳定性，确保了设备长期稳定的运行。另外该控制方法使增压系统和平衡系统两个闭环控制系统有机结合又相对独立，保证了系统运行的平稳性，打破了现有德国技术的垄断局面。

附图说明

图1是平衡缸受力平衡示意图。

图2是本发明水压试验机压力平衡装置的结构示意图。

图3是本发明水压试验机压力平衡装置控制方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的详细说明。

图3为本发明水压试验机压力平衡装置的一种优选方案的结构示意图。该装置包括一增压系统、一平衡系统和总线，增压系统和平衡系统通过总线连接，增压系统包括：

增压系统增压器1，作为增压装置的动力源；本实施例中增压器1由2台A4VSO 250恒压变量泵和2台A4VSO 71恒压变量泵组成，根据系统和流量的要求，设定了三级流量，不试压时，用一台A4VSO 250泵供液，当刚开始试压时，用一台A4VSO 250泵供液和1台A4VSO 71恒压变量泵同时供液，当压力达到设定压力值的80％时，用1台A4VSO 71恒压变量泵增压。

PLC控制器2，其上集成有累加器和PI控制器，通过总线与所述平衡装置连接，设定的压力值通过上位机传输给PLC控制器2，PLC控制器2又将该值传送给平衡系统的液压轴控制器，累加器用于暂存和累加压力信号，并将其传送给PI控制器，PI控制器进行比例和积分控制，用以实现整个增压系统压力的稳定调节；

增压器控制阀3，与PLC控制器2和增压器1连接，根据PLC控制器2传送的信号，调节阀的开度，控制增压器1的流量；

比例溢流阀6，接收PLC控制器2的信号，调整阀的开度，实现增压系统压力的无级调节；

增压缸4，与增压控制阀3和比例溢流阀6连接，接收增压控制阀3和比例溢流阀6的调节信号，执行增压动作；

P/I传感器5，与PLC控制器2和增压缸4连接，将增压系统的实际压力值反馈给PLC控制器2；

平衡系统包括：

平衡系统增压器7，作为平衡系统的动力源，本实施例中增压器7为1台A4VSO 71恒压变量泵；

液压轴控制器8，本实施例中为德国ROXROTH公司的数字式液压轴控制器(HNC)，其上集成有累加器和PI控制器，其通过总线与PLC控制器2连接，接收由总线传送的PLC控制器2的压力信号，根据该压力信号向平衡系统发送设定的压力值，累加器用于暂存和累加压力信号，并将其传送给PI控制器，PI控制器进行比例和积分控制，用以实现整个增压系统压力的稳定调节；

平衡缸10，是平衡系统的执行元件；

电液控制阀9，本实施例中为高频响比例阀4WRDE，此外还可以使用伺服阀4WS2E系列以及4WSE3EE系列，其与HNC8、增压器7和平衡缸10连接，根据HNC8发送的压力指令调节阀芯以控制增压器7的流量，进而控制平衡缸10的动作幅度；

P/I传感器11，与HNC8和平衡缸10连接，将平衡系统的实际压力值反馈给HNC8，HNC8再将该值通过总线传送给PLC控制器2。

本发明中增压系统和平衡系统两个闭环系统各自有独立的动力源、执行元件和阀，同时两个系统之间存在力学联系，即：

Fp＝Fs

而F＝π/4*D²*P

故π/4*Dp²*Pp＝π/4*Ds²*Ps

Pp＝Ds²*Ps/Dp²

Fp-平衡力，Pp-平衡缸压强，Dp-平衡缸直径

Fs-试压力，Ps-试压管压强，Ds-试件直径。

运用上述水压试验机压力平衡装置，选取试件为外径73.02mm、壁厚5.51mm、钢级L8的油管，按照如图3所示的水压试验机压力平衡装置控制方法进行操作：

(1)准备阶段：将试件放置到试压工位，然后密封试件，开始充水；

(2)充水阶段：开始充水后，为了平衡充水时的压力，设置一个平衡缸的初始压力值20bar，并将其传输给PLC控制器，PLC控制器又通过总线将其传输给HNC，同时平衡系统的增压器A4VSO 71恒压变量泵通过高频响比例阀向平衡缸提供压力源，HNC根据平衡系统I/P传感器的反馈值和初始压力值对高频响比例阀的阀芯进行控制，进而调节系统的压力；

(3)增压阶段：充水结束后，增压开始，增压系统的增压器开始增压，试件内水的压力通过增压系统的I/P传感器反馈给PLC控制器，PLC控制器通过总线将该值传输给HNC，HNC根据该值控制平衡系统的压力，并将平衡系统I/P传感器反馈的平衡压力值与通过总线传输的PLC控制器压力值进行比较，然后通过PI控制器调节偏差，进而不断调整高频响比例阀的阀芯，使增压系统和平衡系统始终处于动态平衡状态，直至达到设定压力值665bar，试压完成；该阶段还需设定增压时间为10s，当超过10s压力仍未达到设定压力值665bar(根据不同规格而设定不同的压力值，附表1)时，系统报警，增压器执行正常卸压程序；此外当增压试压力超过设定压力值665bar的10％或平衡缸位移超过正负8mm时，系统报警，增压系统增压器停止增压，断开平衡缸系统的跟随行为，增压系统紧急卸压。

(4)卸压阶段：当保压时间到后，增压系统增压器开始卸压，比例溢流阀按给定斜率卸压，当管内压力小于等于20bar时，增压器后退，当增压器后退到位后，排气阀打开，延时500毫秒，钢管予密封卸压，随之撤销平衡系统的跟随行为，卸压过程完成。卸压阶段设定卸压时间为6s，当超过6s压力仍未卸掉时，系统报警，增压系统增压器慢速后退卸压。

如上所述，本发明避免了现有水压机的缺点，使得闭环控制系统相对独立，提高了压力平衡系统的稳定性，确保了设备长期稳定的运行。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种水压试验机压力平衡装置，包括一增压系统，一平衡系统以及总线，所述增压系统和平衡系统通过总线连接，其特征在于所述增压系统包括：

一增压器，作为所述增压系统的动力源；

一PLC控制器，通过总线与所述平衡系统连接；

一增压器控制阀，与所述PLC控制器和增压器连接，接收PLC控制器的压力信号，调节增压器控制阀的开度，控制增压器流量；

一增压缸，作为所述增压系统的执行元件，执行增压动作；

一P/I传感器，与所述增压缸连接，用于反馈增压系统的实际压力值；

一PI控制器，用以实现所述增压系统压力值的稳定调节；

一比例溢流阀，与所述PI控制器连接，接收PI控制器的信号，调整阀的开度，实现所述增压系统压力的无级调节；

第一累加器，与所述增压缸、增压器控制阀和比例溢流阀连接，用以存储来自增压器控制阀和比例溢流阀的压力信号，并将该信号累加后发送给增压缸；

第二累加器，与PLC控制器、PI控制器和P/I传感器连接，用以存储来自PLC控制器的压力信号和P/I传感器反馈的压力信号，并将该信号累加后发送给PI控制器；

所述平衡系统包括：

一增压器，作为所述平衡系统的动力源；

一液压轴控制器，通过总线与所述PLC控制器连接，接收由总线传送的PLC控制器压力信号，根据该压力信号向所述平衡系统发送压力信号；

一平衡缸，作为所述平衡系统的执行元件，执行增压动作；

一P/I传感器，与所述平衡缸连接，用于反馈平衡系统的实际压力值；

一PI控制器，用以实现所述平衡系统压力值的稳定调节；

一累加器，与所述液压轴控制器、P/I传感器和PI控制器连接，用以存储来自液压轴控制器的压力信号和P/I传感器反馈的压力信号，并将该信号累加后发送给PI控制器；

一电液控制阀，与所述PI控制器、增压器和平衡缸连接，接收来自 PI控制器的压力信号，调节阀芯以控制增压器的流量。

2.如权利要求1所述的水压试验机压力平衡装置，其特征在于：所述液压轴控制器为数字式液压轴控制器。

3.如权利要求2所述的水压试验机压力平衡装置，其特征在于：所述电液控制阀为高频响比例阀或伺服阀。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的水压试验机压力平衡装置，其特征在于：所述增压系统中的增压器包括若干个增压泵。

5.一种水压试验机压力平衡装置控制方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)准备阶段：将试件放置到试压工位，然后密封试件，开始充水；

(2)充水阶段：开始充水后，为了平衡充水时的压力，设置一个平衡缸的初始压力值，并将其传输给PLC控制器，PLC控制器又通过总线将其传输给液压轴控制器，同时平衡系统的增压器通过电液控制阀向平衡缸提供压力源，液压轴控制器根据平衡系统I/P传感器的反馈值和初始压力值对电液控制阀的阀芯进行控制，进而调节系统的压力；

(3)增压阶段：充水结束后，增压开始，增压系统的增压器开始增压，试件内水的压力通过增压系统的I/P传感器反馈给PLC控制器，PLC控制器通过总线将该值传输给液压轴控制器，液压轴控制器根据该值控制平衡系统的压力，并将平衡系统I/P传感器反馈的实际压力值与PLC通过总线传输的压力值进行比较，不断通过调整电液控制阀的阀芯来调整偏差值，使增压系统和平衡系统始终处于动态平衡状态，直至达到设定压力值，试压完成；

(4)卸压阶段：保压时间到后，增压系统的增压器开始卸压，比例溢流阀按给定斜率卸压，随之撤销平衡系统的跟随行为，卸压过程完成。

6.如权利要求5所述的水压试验机压力平衡装置控制方法，其特征在于所述步骤(3)增压阶段还需设定增压时间，当超过设定增压时间压力仍未达到设定压力值时，系统报警，增压器执行正常卸压程序。

7.如权利要求6所述的水压试验机压力平衡装置控制方法，其特征在于所述步骤(3)增压阶段还包括：当增压压力超过设定压力值的10％或平衡缸位移超过设定范围时，系统报警，增压系统增压器停止增压，断开平衡缸系统的跟随行为，增压系统紧急卸压。 

8.如权利要求7所述的水压试验机压力平衡装置控制方法，其特征在于所述步骤(3)增压阶段若发生泄漏，则系统报警，增压器执行正常卸压程序。

9.如权利要求8所述的水压试验机压力平衡装置控制方法，其特征在于所述步骤(4)卸压阶段还需设定卸压时间，当超过设定卸压时间压力仍未卸掉时，系统报警，增压系统增压器慢速后退卸压。 

Images