一种气瓶水压检测实验实训装置的制作方法

本发明涉及车用气瓶检测技术领域，具体涉及一种实验室用气瓶水压检测实验实训装置。

背景技术：

以天然气为动力燃料的汽车，因燃料清洁环保等优点在世界范围内受到大多数人的青睐，而压缩天然气汽车在我国使用最为广泛。随着国家大力倡导使用天然气汽车，储存压缩天然气的气瓶使用量更是与日俱增，而此类气瓶属于储存易燃易爆介质的高压容器，具有高危险性，所存储的压缩天然气一旦泄露将造成无法弥补的损失，为了降低气瓶泄漏或爆炸所导致财产损失和人员伤亡的可能性，国家规定必须对出厂投入使用前的气瓶及在服役的气瓶进行定期检测。由于检测气瓶自动化程度不够高，监管部门无法进行实时全程监控，致使部分车用气瓶不能定期进行检测或检测过程不够严格，导致部分未定期检测气瓶和检测不合格气瓶仍在使用，这无形增加了气瓶泄漏或爆炸等安全事故发生的概率。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种气瓶水压检测实验实训装置及控制系统，本发明解决了现有电气类、机电类等专业课程实验实训装置所能开设训练项目不能最大限度地满足相关课程所讲授内容需要，不能与我国快速发展的制造业和加工业自动化控制设备的无限接近。该装置及控制系统可满足多门课程开展相关实验实训项目的需要，便于提升学生综合性实践操作能力，而且装置性价比高、操作维护方便，还可用于教师开展相关科研类项目。

本发明通过以下技术方案实现：

一种气瓶水压检测实验实训装置，其特征在于：包括储水箱（1）、实验水箱、阀门、电动机及水泵a（2）、电动机及水泵b（29）、电动机（11）以及控制装置，所述实验水箱包括内箱体（13）、外箱体（14），内箱体（13）与外箱体（14）等高设置，且容积相等，内箱体（13）与外箱体（14）分别通过进水管、出水管与储水箱（1）连通，内箱体（13）与储水箱（14）连通的进水管上设置压力表，进水管、出水管均设置有阀门，进水管上设置有电动机及水泵a（2）、电动机及水泵b（29），内箱体（13）内设置有搅拌叶片（30），内壁底部分别设置有液位传感器（20）、水温传感器（19）以及水温加热器（18），外箱体（14）侧壁通过出水管与称重容器（16）连通，称重容器（16）底部设置电子秤（17），阀门、电动机及水泵a（2）、电动机及水泵b（29）、压力表、液位传感器（20）、水温传感器（19）以及电子秤（17）、电动机（11）与控制装置信号连接；

所述控制装置包括pc端、plc控制器、模拟量与数字量转换模块、变频器vvvf，pc端通过以太网经以太网交换机与plc控制器、触摸屏hmi、变频器vvvf相连接；plc控制器还通过rs485总线与触摸屏hmi、变频器vvvf、电子称（17）相连接，数据量输入输出端口与按钮、开关、电动机驱动器、指示灯、中间继电器、变频器vvvf相连接；所述水温传感器、液位传感器和压力表输出的模拟量信号经转换开关或与变频器vvvf相连接、或与plc控制器相配套的模拟量与数字量转换模块相连接，模拟量与数字量转换模块通过扩展电缆与plc控制器相连接，同时与变频器vvvf的模拟量输出端口相连接，plc控制器通过驱动器与电动机（11）连接，通过中间继电器与阀门连接，通过交流接触器与电动机及水泵a（2）和电动机及水泵b（29）连接。

本发明进一步技术改进方案是：

所述进水管包括进水管a（3）、进水管b（27）、进水管c（10），出水管包括泄压管（28）、排水管a（15）、排水管b（25）、排水管c（22）、排水管d（33），储水箱（1）通过进水管b（27）、排水管b（25）与外箱体（14）连通，通过进水管a（3）、进水管c（10）、排水管c（22）以及泄压管（28）与内箱体（13）连通，排水管d（33）设置于储水箱（1）底部；

所述阀门包括手动阀a（5）、手动阀b（21）、手动阀c（24）、手动阀d（32）、电磁阀a（4）、电磁阀b（6）、电磁阀c（7）、电磁阀d（23）、电磁阀e（26）；

进水管a（3）上对应设置电动机及水泵a（2）、电磁阀a（4），进水管b（27）上对应设置电动机及水泵b（29）、电磁阀c（7），泄压管（28）上对应设置有电磁阀b（6），排水管b（25）为并联式排水管分别对应设置电磁阀e（26）、手动阀c（24），排水管c（22）为并联式排水管分别对应设置电磁阀d（23）、手动阀c（24）手动阀b（21），进水管c（10）、排水管d（33）分别对应设置手动阀a（5）、手动阀d（32）。

本发明进一步技术改进方案是：

所述压力表包括模拟压力表（8）、电接点压力表（9），压力表设置于进水管c（10）上。

本发明进一步技术改进方案是：

所述搅拌叶片（30）通过连接轴（12）与电动机（11）连接。

本发明进一步技术改进方案是：

所述进水管a（3）、泄压管（28）均通过进水管c（10）与内箱体（13）连通。

本发明进一步技术改进方案是：

所述驱动器为步进电机驱动机、或为伺服电机驱动机。

本发明进一步技术改进方案是：

所述进水管、出水管均为塑料材料制成的透明水管。

本发明进一步技术改进方案是：

所述内箱体（13）、外箱体（14）为同心设置的圆柱形透明容器。

本发明进一步技术改进方案是：

所述plc控制器采用西门s7-200smartcpust40，触摸屏hmi采用西门子smart700ie，变频器vvvf采用西门子的g120，模拟量与数字量转换模块采用西门子emam06模拟量输入输出混合模块，以太网交换机采用csm1277。

本发明与现有技术相比，具有以下明显优点：

一、本发明能与现代企业工程应用实现无缝对接，无限接近于气瓶检测企业所使用的自动化控制设备，性价比高、体积小，易于学校实现一至两名学生操作一台设备，便于提高学生独立性、自主性、创新性的实验实训操作能力；

二、本发明在一套装置上能实现多门课程的实验实训项目，如可编程控制器plc、变频器、组态技术、工业过程控制、工业组网技术等课程，降低学校投入实验实训设备成本、减少实验实训设备占用实验实训室数量，最大限度地提高学校实验实训设备利用率；

三、本发明通过该装置上不同元器件的灵活组合，可实现若干个可操作、易实现的实验实训项目；

四、本发明所用电气类元器件的所有输入输出连接线均引接到端子排上，便于提高实验实训时的教学效果。

附图说明

图1为本发明实验实训装置的结构示意图；

图2为本发明控制系统的原理图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明包括储水箱1、试验水箱、进水管、出水管阀门、电动机及水泵a2、电动机及水泵b29、液位传感器20、水温传感器19、压力表、水温加热器18、搅拌叶片30、电子称17、pc端、plc控制器、触摸屏hmi、变频器vvvf、模拟量与数字量转换模块、以太网交换机、按钮、开关、指示灯、转换开关、中间继电器、交流接触器及电源，所述储水箱1为塑料透明长方体，里面存有水压检测用的自来水31，右下方与排水管d33及手动阀d32相连；试验塑料水箱为内外双层塑料透明圆柱体包括内箱体13、外箱体14，内外层均标有均匀刻度线，内外层只有上下底面相连，四周均相通，内外层容积相等，外层与外层进出水管相连，内层与内层进出水管相连，而且内层中底部设有液位传感器20、水温传感器19、水温加热器18及搅拌器30，内箱体13模拟水压检测时的气瓶，外箱体14模拟水压检测时的水套；进出水管均为塑料透明水管，以便操作者能实时观察水的流向及水位，进出水管包括将市水引入到内箱体13的进水管c10、将储水箱1中的水31注入内箱体13的进水管a3、将储水箱1中水31注入到外箱体14的进水管b27、将内箱体13中的水引入到储水箱1的排水管c22、将外箱体14中的水引入到储水箱1的排水管b25、将水压检测过程中测定气瓶形变时用于外箱体14溢出排水的排水管a15、将水压检测过程中卸压时用于将内箱体13高压水排出的泄压管28，用于引入市水的进水管c10一端与内箱体13的上端面相连，另一端与市水接口相连，用于向内箱体13注水的进水管a3一端与储水箱1相连，另一端与用于引入市水的进水管c10进行t字型相连，用于向外箱体14注水的进水管b27一端与储水箱1相连，另一端与外箱体14上端面相连，用于将内箱体13中水引入到储水箱1的排水管c22一端与内箱体13下端面相连，另一端与储水箱1相连，用于将外箱体14中水引入到储水箱1的排水管b25一端与外箱体14下端面相连，另一端与储水箱1相连，用于水压检测过程中测定气瓶形变时排水量的排水管a15一端与外箱体14侧上方相连，另一端延伸至溢出水量称重容器16内，用于水压检测过程中卸压用的泄压管28一端与引入市水的进水管c10进行t字型相连，另一端与储水箱1相连；所述阀门包括手动阀和电磁阀，手动阀包括将市水手动引入到内箱体13中的手动阀a5、用于将内箱体13中的水引入到储水箱1中的手动阀b21、用于将外箱体14中的水引入到储水箱1中的手动阀c24、用于将储水箱1中水31排空的手动阀d32，电磁阀包括用于往内箱体13中注水的电磁阀a4、用于往外箱体14中注水的电磁阀c7、用于内箱体13排水的电磁阀d23和水压检测结束阶段卸压的电磁阀b6、用于外箱体14排水的电磁阀e26，手动阀分别设置在将市水引入到内箱体13中的进水管c10上、将内箱体13中的水引入到储水箱1中的排水管c22上、外箱体14中的水引入到储水箱1中的排水管b25上、将储水箱1中的水31排空的排水管d33上，电磁阀分别设置在将储水箱1中水31注入到内箱体13中的进水管a3上、将储水箱1中水31注入到外箱体14中的进水管b27上、将内箱体13中的水引入到储水箱1中的排水管c22上、将外箱体14中的水引入到储水箱1中的排水管b25上、将检测过程结束阶段时对内箱体13中的高压水进行卸压的泄压管28上，手动阀21通过水管与电磁阀23并联、手动阀24通过水管与电磁阀e26并联，电磁阀d23为开口度可电调节的电磁阀，与plc控制器所配套的模拟量与数字量转换模块相连；所述电动机及水泵包括将储水箱1中水31注入到内箱体13、外箱体14中的普通变频电动机及水泵a2、电动机及水泵b29和对内箱体13中的水进行搅拌的步进或伺服电动机11，用于将储水箱1中水31注入到内箱体13、外箱体14中的普通变频电动机及水泵分别设置在相应的进水管a3、进水管b27上，用于对内箱体13中的水进行搅拌的步进或伺服电动机11设置在内箱体13的上方，通过连接轴12与设置在内箱体13中的搅拌器30相连；所述传感器包括设置在内箱体13底部的液位传感器20、水温传感器19，其检测元件安装在内箱体13底部，数据信号线安装在试验塑料水箱体外；所述压力表包括模拟水压表8和电接点水压表9，均连接在将市水引入到内箱体13的进水管c10上，模拟压力表8能在模拟气瓶水压检测中实时显示内箱体13中的压力大小，电接点压力表9用来当实际水压超过系统设置值（模拟气瓶检测时所施加的检测水压上限）时，向plc控制器发出指令，令其停止检测工作，起到保护作用；所述水温加热器18设置在内箱体13底部，用于对内箱体13的水进行加热；所述搅拌器30设置在内箱体13中，用于对内箱体13的水进行搅拌；所述电子称17设置在外箱体14侧面，放置在储水箱1上，用于对气瓶水压检测过程中因内箱体13膨胀而使外箱体14中的水溢出并对其进行称重，电子称17应具有去皮功能，同时应既有模拟量输出接口，也有rs485通信接口；所述pc端通过以太网经以太网交换机与plc控制器、触摸屏hmi、变频器vvvf相连接，用于plc控制器程序的下载与运行监控、触摸屏hmi画面的组态及动态数据的输入与输出、变频器vvvf参数的设置；所述plc控制器还通过rs485总线与触摸屏hmi、变频器vvvf、电子称相连接，数据量输入输出端口与按钮、开关、电动机驱动器、指示灯、中间继电器、变频器相连接；所述水温传感器、液位传感器和模拟压力表输出的模拟量信号经转换开关或与变频器vvvf相连接，或与plc控制器相配套的模拟量与数字量转换模块相连接，模拟量与数字量转换模块通过扩展电缆与plc控制器相连接，还与变频器vvvf的模拟量输出端口相连接；所述按钮为若干红色、绿色带灯按钮，便于减少元器件安装尺寸，缩小该装置所占空间，包括起动按钮、停止按钮、排水按钮、卸压按钮；所述plc控制器、变频器vvvf、触摸屏hmi可实现在该装置上开设的若干实验实训项目；所述电动机、电磁阀、压力表、传感器、加热器18、电子称17所有电气类元器件的输入输出连接线均引接到安装在该装置上并有显性元器件标识的易于连接操作的端子排上，便于实验实训时电气线路的连接；所述开设的实验实训项目至少应包括可编程控制器plc、变频器、组态技术、工业过程控制、工业组网技术等几门电气类、机电类专业的核心课程。

结合图1、图2简述本发明工作过程：

本发明工作过程以气瓶水压检测综合性实训项目为例进行介绍：在进行气瓶水压检测前，应先做好准备工作，准备工作至少包括将本装置中的所有电动机及水泵a2、电动机及水泵b29、阀门、压力表、液位传感器20、水温传感器19、水温加热器18、电子称17等元器件与相应的控制器（如控制器plc、变频器vvvf及编程监控用pc端和触摸屏hmi等）设备相连接，控制器之间通过以太网交换机或串行通信rs485总线端口相连，控制器plc的121为以太网接口、122为rs485串行总线接口，通过pc端将相关控制程序、参数、组态界面下载到可编程控制器plc、变频器vvvf及触摸屏hmi中（变频器vvvf的参数设置亦可通过面板设置）；然后打开手动阀a5和手动阀b21将市水引入到储水箱1中，待储水箱1中的水31加至储水箱1的80%左右时，关闭手动阀a5和手动阀b21（实验实训时若储水箱1中有供实验实训项目需要的水则不必操作本步骤）；在所有手动阀关闭的提前下，通过pc端或触摸屏hmi或控制设备上的向内箱体13进行注水的起动按钮，通过控制器plc程序控制的电磁阀a4打开和电动机及水泵a2开始运行，快速地向内箱体13注水，当液位传感器20检测到内箱体13中的水已满，则关闭电磁阀a4和停止电动机及水泵a2的运行，如所注入的水温达不到气瓶检测条件，则系统发出报警指示，同时起动水温加热器18和搅拌用的步进或伺服电动机11起动进行搅拌，水温加热器18保持内箱体13中的水温满足检测条件，或储水箱1中水温已满足检测条件，则控制器plc通过程序控制打开电磁阀c7和使电动机及水泵b29工作，储水箱1中的水31开始快速注入到外箱体14，待外箱体14中的水注满（水从排水管a15溢出，称重容器16中水重有所增加）时关闭电磁阀c7和停止电动机及水泵b29，操作者通过pc端或触摸屏hmi或电子称17上的去皮功能按键使电子称17实现去皮功能，或通过程序设置为自动执行去皮功能；操作者按下pc端或触摸屏hmi上的气瓶水压检测起动按键或控制设备上的起动按钮开始对内箱体13进行加压检测，此时用于搅拌用的步进或伺服电动机11停止工作，电磁阀a4打开和电动机及水泵a2再次运行，较快地（中速）向内箱体13中进行注水，这时模拟压力表8显示的内箱体13中实时水压值会逐渐增加，电接点压力表9的指针也会逐渐顺时针转动，以示内箱体13中水压逐渐上升，当内箱体13中水压逐渐上升到检测压力设置值的90%左右，电动机及水泵a2较慢的向内箱体13中注水，当内箱体13中水压达到检测压力设置值时，关闭电磁阀a4和停止电动机及水泵a2的工作，在此过程中，内箱体13水压因不断升高而使内箱体13膨胀，从而挤压外箱体14，使外箱体14中水溢出而通过排水管a15流入称重容器16内，然后气瓶检测过程进入保压阶段，保压2分钟后，气瓶检测过程进入卸压阶段，电磁阀b6打开，对内箱体13中的高压水进行卸压，高压水通过卸压管28流入储水箱1中，内箱体13因卸压收缩，又使得称重容器16内部分水倒吸入外箱体14中，卸压完成后（模拟压力表8显示数据为0，电接点压力表9指针回原位），称重容器16中的所剩的水量为气瓶水压检测残余排水量；在气瓶水压检测过程中电子称17实时将排水量通过自身的模拟信号线或通信数据线传送给控制器plc，控制器plc经过数据处理将水压—时间曲线、排水量—时间曲线、排水量—水压曲线、内箱体13中实时水压值、排水量、最大排水量、残余排水量通过触摸屏hmi或pc端显示出来，在水压检测过程中若模拟压力表8损坏、或控制器plc相配套的模拟量与数字量转换模块（用于接收传感器输出信号的模块）损坏、或数据通信失败，致使内箱体13水压超过系统检测设置值，此时电接点压力表9上限常开触点闭合，给控制器plc发出停止检测指令，此时检测过程中止，在检测过程中发生异常情况时，操作者可通过按下pc端或触摸屏hmi上的气瓶水压检测停止按键或控制设备上的停止按钮，亦可中止检测过程；卸压结束后，水温加热器18停止加热，触摸屏hmi或pc端上将显示内箱体13（模拟气瓶）的容积全变形率和残余变形率及水压检测结果是否合格等信息，气瓶水压检测结束后，操作者按下pc端或触摸屏hmi上的气瓶水压检测排水按键或控制设备上的排水按钮，电磁阀d23（将开口度调节至最大）、电磁阀e26打开，内箱体13、外箱体14中的水通过排水管c22、排水管b25将其内部的水排到储水箱1中，当液位传感器20检测数据为0并延长一段时间后，电磁阀d23、电磁阀e26关闭，此时排水过程结束；手动阀b21和手动阀c24用于手动内箱体13、外箱体14中的水通过排水管c22、排水管b25排到储水箱1中，手动阀32和排水管d33用于将储水箱1中的水31手动排空；电磁阀d23开口度可调节用于内箱体13的恒压供水pid控制或恒液位pid控制等实验实训项目中；安装在装置下方的滚轮34用于该装置的移动。

电动机及水泵a2中的电动机1为步进或伺服电动机，若为步进电动机，则驱动器为步进电机驱动机；若为伺服电动机，则驱动器为伺服电机驱动机；电动机及水泵b29包括电动机2。

本装置所开设实验实训项目至少包括控制器plc的数字量输入实验实训项目、控制器plc的数字量输出实验实训项目、控制器plc的模拟量输入实验实训项目、控制器plc的模拟量输出实验实训项目、控制器plc的脉冲量输出实验实训项目、控制器plc的通信（如以太网通信、串口通信、profibus-dp通信等）实验实训项目、控制器plc顺序设计法实验实训项目、变频器vvvf开关量输入实验实训项目、变频器vvvf开关量输出实验实训项目、变频器vvvf模拟量输入实验实训项目、变频器vvvf模拟量输出实验实训项目、变频器vvvf通信实验实训项目、组态开关量控件实验实训项目、组态各种域实验实训项目、组态控制过程界面实验实训项目、控制器plc与变频器vvvf及触摸屏hmi综合类开关量或模拟量或通信等实验实训项目，通过装置上不同元器件的灵活组合，可实现若干个可操作、易实现的实验实训项目，具体实验实训项目名称及内容和难易程度应根据各高校学生基础和各课程所授教学内容进行开设或二次研发，同时，此装置及控制系统师生还可用于开发相关的教科研类项目，提升师生教科研水平和能力。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。