膨胀节试验装置电气控制系统设计综述
摘要：膨胀节是为了补偿因温度差与机械振动引起的附加应力，而设置在容器壳体或管道上的一种挠性结构，已广泛应用在化工、冶金、核能等部门。膨胀节试验装置电气控制系统为整个系统提供动力。本文通过对膨胀节试验装置的电气控制系统设计，辅以PLC、Eplan,对该试验装置的运行以及膨胀节和电机控制有了进一步的认识。
关键字：膨胀节 电气控制 电机
1.选题的目的及意义[1-3]
自从我国实行改革开放以后, 社会整体科技水平得到不断提高, 尤其是机械工业生产领域的进步得到充分体现。作为现代热管网和热补偿设备重要组成部件, 金属波纹管膨胀节相关产品的质量问题不可忽视, 波形膨胀节又称为波形补偿器, 它在水利化工、电力供热、航天航空、汽车船舶制造等行业有着非常显著的作用, 其关系到城市用户安全使用和行业效能使用问题。本次毕设采用的的是电气控制系统，控制膨胀节上电机的启动运转状态。
电气控制系统的控制电路在不同的电器上是不同的，例如高压电气设备与低压电气设备它们采用的控制电路就是不同的。电气控制系统的控制电路称为电气设备二次控制回路，主要由电源供电回路、保护回路、信号回路、自动与手动回路、制动停车回路与自锁及闭锁回路部分组成。电气设备的正常运行，各个控制回路的协调工作是必不可少的，另外还需要很多的辅助电气设备，及保证电气设备顺利完成特定控制功能的各式电器组件组合，以上这些合在一起统称电气设备二次控制回路。下面从四个方面来介绍电气控制系统的功能：（1）自动控制功能：电器设备都是通过电源来提供能源的，这通常都要涉及到高电压或者大电流等高危情况，因此在实际的设备操作时，是不能由人在进行操作，需要有一套自动控制系统来操作高电压大电流的分、合闸，尤其是当设备出现故障的情况下，要进行维修之前，要确保电路切断，这就要求电气控制系统中有套完整的供电控制系统；（2）保护功能：电气设备的控制系统为了能达到自动控制和调节的作用，就必须要有一套监测和反馈系统，时刻对电气设备在运行过程中的各种参数进行监控，如发现超过允许范围或者出现故障，就要及时做出相应的措施来保，电气设备不被破坏。（3）监视功能：工作人员在对电气设备进行操作时，很难判断设备是否已经处于断电状态，因此为了保证工作人员的人身安全，就需要一套监视系统，能将人眼难易辨别的电信号转换成易于接收的视听信号等，来协调帮助工作人员对电气设备进行监测。（4）测量功能：为了便于工作人员也能时刻监测设备的工作状态，就需要将设备工作时的各种状态参数进行量化显示，如电压、电流、功率及频率等，都用各种仪表设备进行显示，以方便工作人员定量地监测电气设备的工作情况。
波纹管膨胀节(也称波形补偿器)是用来吸收由于热胀冷缩等原因引起的管道或设备尺寸变化的装置，也是现代受热管网和设备进行补偿的关键部件之一，广泛应用于航天航空、石油、化工、冶金、热力、水利、电力、原子能等部门。膨胀节不仅可以补偿管道位移，还兼有减振降噪和密封的作用，可使管道之间及管道与设备之间实现柔性连接。同时，它又是一个比较特殊的受力结构，在使用中既要有较高的承压能力，又要有良好的柔性，还应具有一定的稳定性和疲劳寿命。因此膨胀节在设计、选材、制造和试验等方面不能等同于一般的容器和管件的刚性结构，其自身具有独特性和复杂性。金属波绷彭胀节广泛应用于各种管路系统中用来补偿因温度和压力波动造成的轴向、横向和角位移。金属波绷彭胀节的核心零件是波纹管,通过波纹管的可变形性和耐压密封性来进行抽向、横向和角位移并承受系统的流体压力其它零件均为结构件起导向、支撑、连接、导流等作用。根据设计和使用要求波纹管和有关结构零件按需要的结构焊接成轴向、横向和角向不同类型的波绷彭胀节。
对于核级波纹膨胀节，按要求不但要满足正常工况，保证核电站的运行，还要满足各种事故工况和地震工况，能保护反应堆、安全壳的安全。不同要求的各类核级波纹膨胀节的功能特点也不同，应按其技术规格书的具体要求执行其功能。目前，核岛波纹膨胀节主要应用在：安全壳上的各类贯穿件、一回路海水管道及安全壳喷淋热交换器上。
2.国内外同类研究现状[4-8]
在电机方面，国外公司注重新产品开发，在电机的安全、噪声、电磁兼容等方面很重视。国外的先进水平主要体现在电机的可靠性高，寿命长，通用化程度高，电机效率不断提高，噪声低，重量轻，电机外形美观，绝缘等级采用F级和H级，而且也考虑电机制造成本的降低等。国内虽有部分产品已达90年代初的国际水平，但相当部分的产品可靠性差，重量重，体积大和噪声大，综合水平只相当于80年代初期国际水平，其主要原因是制造工艺落后，关键材料的质量和品种不能满足要求，科研和设计工作没有跟上，科研投入少，新产品开发资金匮乏，企业技术创新能力较弱。
电气自动化控制系统在我国已经有几十年的发展历史，我国在电气自动化控制系统方面已经取得了不小的成绩，但与发达国家相比，我国在这方面还略有不足，亟待进一步发展，目前我国电气自动化控制系统的现状主要体现在以下几点：（1）电气自动化工程分布式控制系统。电气自动化工程分布式控制系统（DCS）是基于集中式控制系统演变而来的，它具有可靠性、实时性和可扩充性的优点，因而广泛运用于生产生活当中。但其缺点也随着不断的运用而逐渐显露出来，比如DSC 由于没有一个行业的统一标准，因而各厂家生产出的DSC 很难进行互换维修；DSC 属于模拟混合系统，其采用的仍然是模拟的传统型仪表，因而其可靠性很差，维修起来很麻烦；同时DCS 价格也比较昂贵，限制了其广泛应用。因此，必须对现有的技术进行改造，以便生产出更加实用的产品。（2）电气自动化工程信息集成化控制系统。信息技术在电气自动化控制系统中的运用主要体现在以下两点：首先是信息技术在电气自动化控制系统中的横向扩展，微电子处理器技术的不断应用使得界面设备不再明确，而那种结构软件、通讯的能力和统一、运用都比较容易的组态环境变得越来越重要。另外是在管理方面的纵向延伸，企业中的管理人员要不断运用先进的管理技术，例如使用特定的浏览器对财务核算和人力资源等数据信息的存取进行操作，利用电子设备对企业生产过程进行动态监控，及时了解生产过程当中的第一手资料等。（3）电气自动化工程集中监控控制系统。集中监控下的控制系统具有处理速度慢的缺点，这是因为其是将所有的功能都集中在一个处理器中来运行的，增加了处理器的负荷，使其效率降低。同时这种将所有设备都放入监控中的运行方式会增加监控负荷，使主机可用空间大幅度降低，电缆使用数量和使用长度因此也会增加，加大了投资成本，降低了传输的可靠性。另外集中监控的联锁和隔离刀闸中的闭锁均使用的是硬接线，这使得设备难以继续操作，而其反复的接线也大大增加了繁杂程度，对维护工作要求更高，出错的概率也大大增加，整体上使得电气自动化工程控制系统难以良好运行。
目前国外采用的设计标准有：美国膨胀节制造商协会标准计算法（EJMA）、美国凯洛格公司计算法（KELLOGG）、日本东洋公司计算法（TOYO）、前苏联维赫曼等人提出的维赫曼法、日本滨田一竹园提出的计算法。对比各种计算法，kellogg公式应力计算较简单但疲劳计算兼保守；TOYO公式计算方法简单、使用容易，但只在局部计算精确。维赫曼计算法缺少疲劳寿命核算不完善；滨田—竹园算法理论上较精确但存在局限，我国在60年代曾引用前苏联标准，到80年代开始使用国际上普遍采用的美国EJMA标准，该标准汇集了当今美国膨胀节制造行业有关的最新研究成果和制造经验以及大量的实验结果，计算较准确。
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