江苏科技大学LNG气瓶静态蒸发率测试系统设计毕业论文 - 图文

江苏科技大学

本科毕业设计（论文）

学院机械工程学院 专业机械电子工程 学生姓名 班级学号 指导教师

二零一六年六月

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江苏科技大学本科毕业论文

ＬＮＧ气瓶静态蒸发率测试系统设计

Design of static evaporation rate measurement system for

LNG gas cylinders

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毕业设计（论文）题目：

ＬＮＧ气瓶静态蒸发率测试系统设计

一、毕业设计（论文）内容及要求（包括原始数据、技术要求、达到的指标和应做的实验等）

1 提供条件：

ＬＮＧ气瓶静态蒸发率测试系统功能要求； 2 设计内容与要求:

(1) 调研收集分析有关资料，了解ＬＮＧ气瓶静态蒸发率的主要测试参数，总结测试系统的设计特点；

(2) 了解ＬＮＧ气瓶静态蒸发率的测试方法，确定测试系统的总体设计方案，利用三维制图软件完成系统台架设计；

(3) 设计测试系统气动回路，完成回路各部分元件的选型及相关计算分析，根据所选硬件绘制电气回路图；

(4) 开发用于ＬＮＧ气瓶静态蒸发率检测的软件。主要内容包括：软件流程图、程序界面、控制代码等。

二、完成后应交的作业（包括各种说明书、图纸等）

1. 毕业设计论文一份（不少于1.5万字）； 2. 外文译文一篇（不少于5000英文单词）； 3. 设计图纸和软件。

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三、完成日期及进度

2016年3月19日至2016年6月1日。 进度安排：

1. 3月19日——3月24日完成参考文献和资料的收集，完成文献综述与开题报告；完成开题报告审核；

2. 3月25日——4月20日确定测试系统的总体设计方案，完成系统台架三维图绘制；设计测试系统气动回路，完成回路各部分元件的选型及相关计算分析；

3. 4月21日——5月31日完成电气图绘制，完成检测控制软件设计。主要内容包括：软件流程图、程序界面、控制代码等，撰写并修改毕业论文；

6. 6月1日——6月5日完成毕业设计论文答辩。 四、主要参考资料（包括书刊名称、出版年月等）: [1] 气动电子技术. 机械工业出版社 . 2014年

[2] 徐炳辉. 气动手册[M]. 上海科学技术出版社，2005.

[3] GBT 18443.5-2010 真空绝热深冷设备性能试验方法第5部分：静态蒸发率测量.

[4] 现代实用气动技术（第3版）. 机械工业出版社 2008年

[5]Hao Liu et al., Research and Development of a Test System for the Dynamic Performance Testing of Pneumatic Solenoid Valves. Applied

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Mechanics and Materials, 278-280, 897-902, 2013

[6] ISO6358：Pneumatic Fluid Power-Components Using Compressible Fluids-Determination of Flow-rate Characteristics, 1989. [7] www.smc.com.cn, www.festo.com.cn

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摘要

LNG (Liquefied Natural Gas的简写)就是将矿场生产的天然气经过净化、制冷、液化等措施后，在常压、-160℃下成为液态的天然气。天然气在液化时除去了杂质，故LNG是一种清洁、高效的能源，是优质的工业与民用燃料。LNG气瓶作为LNG储存系统的核心设备，其良好的性能是保证整个系统安全运行的关键。蒸发率作为气瓶的主要性能指标，如何高效简易地进行采集对实际生产有着重要的影响。为开展LNG气瓶定期检验，实现气瓶绝热性能有效快速测试，必须实现该类气瓶的在线不拆卸检测。而为了实现该项绝热性能测试，有必要开发适用于LNG气瓶的蒸发率测试系统。本课题针对LNG气瓶的以上特点，开发了利用压力计、温度计、流量计等采集数据，通过永宏PLC接收处理后，上传至昆仑通泰触摸屏进行人机交互的测试系统。该系统具有便携、体积小、操作简易、响应快、成本低等优点，适合小批量的气瓶检测，并在实际测试中取得较好的测试效果。

关键词：LNG气瓶；蒸发率；PLC；触摸屏

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Abstract

LNG (short of liquefied natural gas ) is liquefied natural gas ,which the natural gas from the field after purification, refrigeration, liquefaction and other measures, at atmospheric pressure and -160℃ is turn into . Natural gas has been removed the impurities after liquefaction, so LNG is a kind of clean, efficient energy and high-quality industrial and civilian fuel.LNG cylinders as LNG storage system core equipment, its good performance is the key to ensure the safe operation of the system. The rate of evaporation as the main performance index of the cylinders, how to collect efficiently and simply has an important influence on the actual production. For development of LNG cylinder regular inspection to achieve insulation cylinder performance of fast and effective testing, must realize the cylinders online without disassembling detection. In order to achieve the insulation test, necessary to develop suitable in LNG tank evaporation rate test system. This topic for the LNG cylinders of the above characteristic, developed by means of pressure gauge, thermometer and flow meter data acquisition, through permanent Hong PLC after receiving and processing, upload to the Kunlun Tongtai touch screen human-computer interaction systems were tested. The system has the advantages of portability, small size, simple operation, fast response, low cost, suitable for small quantities of gas cylinder testing, and achieved in the actual test better Test results.

Keyword：LNG cylinder；Evaporation rate；PLC；Touch screen

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目录

第一章绪论 ................................................................................... 1

1.1LNG气瓶静态蒸发率测试系统设计的背景 .................................................. 1

1.2 LNG气瓶静态蒸发率测试系统设计在国内的发展现状 ............................. 1 1.3 LNG气瓶静态蒸发率测试系统设计的目的和意义 ..................................... 3

第二章静态蒸发率的测量方法 ..................................................... 5

2.1 GB/T 18443.5-2010《真空绝热深冷设备性能试验方法》介绍 .................. 5

2.1.1 适用范围 ............................................................................................... 5 2.1.2 试验原理与方法 ................................................................................... 5 2.2 气体质量流量计法 ......................................................................................... 6

2.2.1 试验装置、设备和仪器 ....................................................................... 6 2.2.2 试验条件与试验准备 ........................................................................... 6 2.2.3 实验步骤 ............................................................................................... 7 2.2.4 数据处理 ............................................................................................... 7

第三章测试系统的总体设计方案 ................................................. 8

3.1 低温绝热气瓶的检验流程 ............................................................................. 8

3.2 系统需求分析 ................................................................................................. 8

3.2.1 系统功能需求的分析 ........................................................................... 8 3.2.2 系统性能需求的分析 ........................................................................... 9 3.3 系统设计方案 ............................................................................................... 10

3.3.1 系统总体结构设计 ............................................................................. 10 3.3.2 系统设计各部分的初步方案 ............................................................. 11

第四章测试系统台架的设计 ....................................................... 13

4.1 测试系统台架设计方案 ............................................................................... 13

4.2 测试系统台架及组件的示意图 ................................................................... 13

第五章测试系统气动回路的设计 ............................................... 18

5.1 测试系统气动回路方案 ............................................................................... 18

5.2 压力阀的设计 ............................................................................................... 18

5.2.1 压力阀功能分析 ................................................................................. 18 5.3 压力阀部件选择 ........................................................................................... 20

5.3.1 质量流量计的选择 ............................................................................. 20 5.3.2 数字流量积算仪的选择 ..................................................................... 20 5.4焊接绝热气瓶蒸发率检测气动回路使用应注意的问题 ............................ 20

第六章测试系统控制部分的设计 ............................................... 22

6.1 测试系统控制部分结构方案 ....................................................................... 22

6.2 PLC的控制部分设计 .................................................................................... 22

6.2.1 PLC的选型与说明 .............................................................................. 22

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6.2.2 关于FBs-B2A1D的详细介绍 ........................................................... 23 6.2.3 WinProladder 的介绍与PLC的编程 ................................................. 28 6.3 触摸屏的控制部分设计 ............................................................................... 30

6.3.1 触摸屏的选型与说明 ......................................................................... 30 6.3.2 MCGS嵌入版组态软件的介绍 .......................................................... 30 6.3.3触摸屏组态软件的开发 ...................................................................... 34

结论 ............................................................................................. 45 致谢 ............................................................................................. 46 参考文献 ..................................................................................... 47

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第一章绪论

1.1 LNG气瓶静态蒸发率测试系统设计的背景

LNG即人们常说的液化天然气。是将矿场生产的天然气，通过净化、制冷、液化等一系列步骤后，在常压和-160℃的条件下转变为液态的天然气。天然气是当今和未来的一种重要能源。根据国际能源机构，“对天然气的需求年增长率超过50%，是化石燃料中的最快速率，同时越来越灵活的全球液化天然气（LNG）贸易也提供了一些保护措施以防供应中断的风险。”在这种情况下，液化天然气及其储藏设备的相关参数的准确测定在储藏转移的过程中变得越来越重要。

天然气的主要成分是甲烷，在常压下沸点为-160℃，在空气中可燃极限为5％-15％，气态与液态体积比为600：1，是一种低温、易燃、可压缩的气体。根据以上的物理特性，LNG储罐通过降低温度和增加压力的方法将天然气转化为液体进行存储，因具有贮存压力较低、安全可靠、产品纯度高(不含水分及硫化物)、占地面积小、维修方便、安装操作简单等多种优点而被广泛应用。

实际生产中，LNG是一种多组分的混合物，由不同分子结构的碳氢化合物组成，其温度和组分的变化会引起很多问题，比如储罐中的LNG分层和翻滚问题、蒸发问题等等。为了解决以上的一些问题，就有必要了解LNG分层和翻滚的变化规律，搞清楚LNG储罐内各温度场分布、压力及蒸发等发生的规律以及LNG储罐的主要性能指标。因本文针对测试LNG气瓶的静态蒸发率进行开发，后文着重描述静态蒸发率的详情。

LNG储罐的主要性能指标有静态蒸发率、真空度、漏率、漏放气速率、漏放热等。静态蒸发率是指绝热深冷压力容器在装有大于有效体积1／2低温液体时，使其静置达到热平衡后，24h内自然蒸发损失的低温液体质量与容器有效体积下低温液体质量的百分比，经换算后即在标准环境(20℃，101325Pa)下的蒸发率值。储罐的静态蒸发率可以直观地反映储罐在使用中的保冷性能，因此在各种不同规格的LNG储罐出厂前一定要先进行静态蒸发率的测量试验。当然在LNG储罐后续的检修过程中，其静态蒸发率也是判定它是否符合使用标准的依据之一。

1.2 LNG气瓶静态蒸发率测试系统设计在国内的发展现状

国内对于LNG气瓶静态蒸发率测试这方面的资料不可谓多，甚至在测试系统设计上只有寥寥几篇论文以供参考，同领域的参考资料也乏善可陈、捉襟见肘。在石油

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开采放缓后，LNG作为一种新型的清洁、便携、高效的化石燃料，在各行业尤其是运输业中将会扮演起极其重要的角色。相信通过前人和后人的不懈努力，LNG的测试技术将会在不久的将来得到长足的发展。

河北某公司的朱春薇、金瑾针对静态蒸发率的测量撰写了《简析LNG储罐静态蒸发率的测量》的论文1。文章指出了静态蒸发率较为完整的测量程序，总的如下：

①几何体积的测定应按GB／T 18443.1进行，有效体积可根据几何体积计算； ②低温液体填充量应为50％以上，静置时间不少于48h；

③打开与流量计相连的气体蒸发出口管道阀门，同时关闭各气、液管道上其它阀门，当内容器表压力为零时，连接流量计；

④观察蒸发气体流量稳定后，每隔一段时间记录一次流量计读数，按时记录环境温度、大气压力、流量计入口温度等；

⑤稳定后连续测量不少于24h；

⑥稳定后进行流量的测量，并进行相应的数据记录。

经实例测量、数据处理后，可说明产品的静态蒸发率试验合格。其文详细介绍了低温储罐静态蒸发率测量的试验过程，对测量程序进行了系统的理论梳理。通过静态蒸发率的测量，可对产品的保冷性能有充分的了解，尽量避免使用过程中由于日蒸发率过高而降低工作效率、浪费原料的情况，减少运营后可能因储罐问题带来的负面影响。

福建某研究所的江仰春针对车用焊接绝热气瓶的蒸发率测试撰写了《车用焊接绝热气瓶蒸发率测试装置的开发与实验》一文2。其文中指出了蒸发率测试装置的结构方案，细述如下：

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朱春薇，金瑾.简析LNG储罐静态蒸发率的测量.106-108

江仰春.车用焊接绝热气瓶蒸发率测试装置的开发与实验.机电技术.2015,1672-4801

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图1.1 检测装置结构图

装置初步方案结构如图1.1示，其组成包括：单向阀、电磁式或机械式压力控制器、质量流量计、数字流量积算仪、温度计、压力表、气压计及相关的管件接头等。文章主要讨论检测压力控制器、质量流量计，数字流量积算仪及整体装置的开发，温度计、压力计、气压计及相关的管件部份将作为整体装置的一部分略过不谈。

经过实际测试后得出结论，即本文开发的车用LNG绝热气瓶蒸发率测试装置可以满足在各种不同介质、不同测试压力下进行蒸发率测试的功能要求，测试结果的精度、准确性和可靠性均符合GB/T 18443.5－2010《真空绝热深冷设备性能试验方法第5部分：静态蒸发率测试》3的相关要求，并且兼具现场不拆卸、可移动检测的便捷性等优势。开发达到预期目标。

由于收集资料的途径有限，笔者只列举以上两篇论文的已有成果作为本文的理论支撑和参考依据，“实践出真知”，国内外生产一线必然存在十分优秀的案例可以作为本文的支撑，但笔者能力有限无法面面俱到，仅以此节为国内研究现状。

1.3 LNG气瓶静态蒸发率测试系统设计的目的和意义

评价LNG绝热深冷气瓶的绝热性能，静态蒸发率是最可靠的指标。在实际生产中，检测气瓶静态蒸发率是一个较为繁复、冗长的过程，可操作性差、对测试人员的技术水平和耐心程度都有较高的要求。为改变这一现状，以完整的系统记录数据代替人工记录数据的需求应运而生。

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GBT 18443.5-2010 真空绝热深冷设备性能试验方法第5部分：静态蒸发率测量.

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根据GB/T 18443.5－2010《真空绝热深冷设备性能试验方法第5部分：静态蒸发率测试》内容，本文致力于开发具有在线不拆卸、移动检测等功能的静态蒸发率测试系统，满足绝热气瓶不同测试压力下、不同测试介质的在线蒸发率测试等要求，同时解放了一部分人力投入，为开展LNG绝热气瓶定期检测打下基础。

该系统应该具有稳定、准确、便捷、连接可靠等优点，能够在控制测试压力条件下满足测试的各项功能和精度要求，可在线不拆卸、移动监测。根据这些原则，系统应当包含单向控制、压力控制、流量记录，以及对气压、温度、压力等相关参数进行采集等功能。

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第二章静态蒸发率的测量方法

2.1 GB/T 18443.5-2010《真空绝热深冷设备性能试验方法》介绍

GB/T 18443.5-2010即《真空绝热深冷设备性能试验方法第5部分静态蒸发率测量》，代替了原来的较低版本标准GB/T 18443.5-2001。最新标准是由全国锅炉压力容器标准化技术委员会提出并归总的。起草单位有，上海市特种设备监督检验技术研究院、上海市气体工业协会、上海交通大学等共计七家。起草人包含，薛季爱、周伟民、汪荣顺、唐家雄等共计十五人。

2.1.1 适用范围

GB/T 18443的本部分规定了真空绝热深冷设备静态蒸发率测量的试验原理与方法、试验装置、设备和仪器、实验条件与试验准备、试验步骤、数据处理和试验记录与试验报告等要求。

本部分适用于除储运液氢介质以外的真空绝热深冷压力容器、真空绝热深冷气瓶等真空绝热深冷设备静态蒸发率的测量，其他可参照执行。

2.1.2 试验原理与方法

一、试验原理

利用体积流量计或质量流量计测量单位时间内深冷液体的自然蒸发率，或利用称重法测量单位时间内的深冷液体的损失量。 二、试验方法

大体上可以分为以下三种：

⑴采用湿式气体流量计测量单位时间内被检件中液体蒸发后通过流量计的气体

流量，通过测出的气体流量计算测试蒸发率和静态蒸发率，试验装置原理图见图2.1。

⑵采用气体质量流量计测量计测量单位时间内被检件中液体蒸发后通过质量流

量计的气体质量流量，通过测出的气体质量流量计算测试蒸发率和静态蒸发率，试验装置原理图见图2.2。

⑶当被检件有效容积不大于5m时，允许采用称重法测量，采用称重法测量时，

3

被检件充至额定的充装量后，将被检件置于衡器上，通过衡器测量真空绝热深冷设备中深冷液体蒸发的质量，利用称重测量的蒸发量计算蒸发率和静态蒸发率。

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图2.1 湿式气体流量计试验装置原理图

图2.2 气体质量流量计试验装置原理图

由于篇幅限制和实际工作的要求，本章主要针对在后文中被采用的“气体质量流量计法”展开探讨。

2.2 气体质量流量计法 2.2.1 试验装置、设备和仪器

试验装置、设备和仪器要求应符合GB/T18443.1中4.2的规定，且还应满足以下要求：

a）当流量计的量程小于等于5L/min时，精度需达到0.5%；当量程大于5L/min时，精度需达到1.0%；

b）流量计的额定流量应与被检件蒸发的气体流量相适应； c）应有环境温度、环境压力及流量计进口温度和压力测量装置；

2.2.2 试验条件与试验准备

实验条件与试验准备应符合GB/T 18443.1的规定。

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2.2.3 实验步骤

1.一般采用液氮作为试验介质。

2.测量时深冷液体充满率应为额定充满率。

3.充液结束后应至少静置48h，静置期间应打开真空绝热深冷设备的放空间。 4.当内胆表压力接近为零时防空管路中接入流量计，流量计接入后除了放空间打开外，其他被检件的阀门处于关闭状态。

5.蒸发气体的流量稳定后，且应不大于1h的时间间隔采集、记录流量计示值、环境温度、大气压力、流量计入口温度和压力，且记录数据的时间应为24h。

6.计算被检件静态蒸发率，并应与此前24h的静态蒸发率对比。当静态蒸发率的变化范围小于5%时，则记录的数据有效；当静态蒸发率的变化范围大于5%时，允许重新记录数据一次，重新记录时间应不少于24h，且该数据为最终记录数据。

2.2.4 数据处理

测试蒸发率α0按式（2-1）计算：

?0?式中： α

___________0

qm??100%?1V（2-1）

测试蒸发率，单位为百分比每天（%/d）；

qm___________蒸发气体质量流量日平均值，单位为千克每天（kg/d）； Ψ___________流量计的校正系数，标定时的给定值； ρ

___________1

标准大气压下饱和液体的密度，单位为千克每立方米（kg/m3）；

V ___________被检件的有效容积，单位为立方米（m3）。

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第三章测试系统的总体设计方案

3.1 低温绝热气瓶的检验流程

此检验流程适用在介质为液氮、液氧、二氧化碳、液化天然气（LNG）等低温液体，不低于-196℃的设计温度，在正常的环境温度（-40~60）℃下使用，公称容积（10~450）L，公称工作压力范围（0.2~3.5）MPa，可重复装填的车用液化天然气低温气瓶及焊接低温气瓶的定期检测。如下图3.1所示，完整的气瓶检测流程。

图3.1气瓶监测站完整流程

上图所示的是完整的低温绝热气瓶的检验流程，在对整个过程有个全面了解之后，有利于把握此次系统设计的任务需求，使之能够真正满足实际生产中的需要。

在本文中涉及到的是气密性试验即静态蒸发率检测，正是工艺流程中末端的重要环节，气密性是影响气瓶性能的关键因素。因此接下来将对本次检验系统的需求进行详细分析，根据实际需要制定合理的设计方案。

3.2 系统需求分析 3.2.1 系统功能需求的分析

本次系统设计希望实现气瓶数据库的建成以及气瓶的自动化检验，对气瓶检验过

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程、信息收集、检测设备等各环节进行智能化集成，一方面可以提升气瓶的检测效率和管理效率，降低劳动强度，同时建立中央数据库，利用电子标识给每个气瓶进行有效的归档，保证对气瓶的各项基本信息有个良好的汇总；另一方面，提高自动化和智能化程度，减少和避开因人为因素和操作不当造成的气瓶安全事故的产生，符合产业升级转型的现代化要求。该监测系统应当具备以下这些功能：

（1）气瓶的自动化检测：对低温绝热气瓶的自动化检测包含内壁外观检查、气密性检测及静态蒸发率检验等。为了使整个检测过程处于一个相对安全的环境中开展，在气瓶接受各种检测之前必须将气瓶的残留气体进行更换处理，把气瓶里的有毒有害或易燃易爆气体更换成对人体无害较为安全的液氮，更换中要同时关注公共区域工作周边环境的氧气浓度和更换排风处的残气浓度，以确保相关人员的安全。

更换后要先检测气瓶的外观和内壁，对缺陷较重的、影响到正常使用的气瓶予以报废，对损失较小的并且能够接着用的气瓶开展夹层真空度检测，判定气瓶夹层真空度的合格度。

完成真空度检测后，需要进行静态蒸发率的检测。向气瓶中充液氮至一定的充填量为止，操作人员按下采集键后，由系统自动记录随时间改变的大气压力、进出口温度、流量计值等并按照相应的公式计算日蒸发率、时蒸发率等数据，并将数据保留在人机操作界面（触摸屏）中，以方便操作人员的读取和使用。

3.2.2 系统性能需求的分析

（1）系统的高效率：由于采集数据有可编程控制器（PLC）内置程序自行完成，操作人员只需在人机界面（触摸屏）处观察数据即可，不需要人为进行读数和采集，节省大量人力同时使静态蒸发率测试变得更加合理高效。

（2）人性化的设计：对于普通用户来说，操作软件、操作界面只需轻轻一点或者少量的键盘输入，加上简明的界面和清楚的菜单，只要让用户接受简单的操作训练和实际指导后，就可以较快地掌握这个检测系统。

（3）查找信息的功能：该系统将两组气瓶的数据和信息储存在人机界面中，操作人员可以随时点开界面进行查询，以方便对不同信息进行整理汇总。

（4）软件自动纠错能力：当出现人为操作失误或气瓶出现问题时，系统界面会弹出错误操作的提示框，提示操作人员正确的操作方法，避免进行一些误操作影响系统运行和数据保存。

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3.3 系统设计方案 3.3.1 系统总体结构设计

本次系统设计的控制方法采用的是PLC与触摸屏的联合控制。下图3.2展示的是本次系统设计的基本原理示意图，通过该原理图针对PLC部分和触摸屏部分分别展开设计，最后将两者结合，以构成完整的系统设计方案。

传感器采集模拟量数据模拟量板块接收数据PLC部分PLC处理数据并分配内存点击采集点击查询点击参数设置触摸屏读取PLC中的数据触摸屏显示之前读取的数据更改标定参数触摸屏部分

图3.2 系统基本原理流程图

按照系统流程图，可做出相应的系统实物联接图。如图3.3所示，与LNG气瓶相连的，分别有三种传感器，即温度计、气体质量流量计、气压计，输出的信号进行调理后，进入到PLC的模拟量输入板块，再由RS232串口将采集来的信号传输至触摸屏，最终实现人机交互。

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温度计LNG气瓶气体质量流量计信号调理模拟量输入板块PLCRS232气压计触摸屏

图3.3 系统联接图

3.3.2 系统设计各部分的初步方案

（1）测试系统台架的设计

测试系统台架是用来安装PLC和触摸屏的工具，既要满足合理安装、布置配线、便于通讯等要求，又要兼具简易便携等特点，在开发时要注意PLC和触摸屏的安装要求，尽可能地利用最少的空间完成最大的功能实现。如图3.1和3.2所示，PLC对于安装有着一定的要求，设计台架时应予以充分考虑。

图3.1 PLC安装方向

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图3.2 PLC散热间隙

（2）测试系统气动回路的设计

气动回路包含各类阀件、传感器设备及管件接头等。在设计开始时，应先按照静态蒸发率的测试标准绘制气动回路原理图。接下来，针对原理图中的各组成部分，需要对各元器件进行选型，以简易便利、性价比优先为原则，选取适当的元器件，并进行调试。面对调试中可能出现的问题，需要对不合理的元件重新选型、对不合适的方案重新考虑进行修正，以期达到设计的目的。

（3）测试系统控制部分的设计

控制部分简单来说，即由PLC和触摸屏两部分组成。但是涉及到二者通讯、编程设计等问题，需要对两者的说明书进行详细地了解，在熟悉PLC和触摸屏的性能和功能之后开展后续的设计。由于本次设计要求不高，选取小型PLC即可完成要求，同理国产系列的触摸屏也能适应要求，但需要注意的是，小众的PLC和触摸屏问题可能较多、处理起来较为困难，设计时应多查阅手册和说明书。

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第四章测试系统台架的设计

4.1 测试系统台架设计方案

本次设计的目的是为了实现PLC和触摸屏联合控制的测试系统，这就需要一个台架将系统的各个部分安装在其中，使系统可以作为一个整体被投入到实际运行中。

首先，可以采用类似仪器箱的结构将PLC容纳其中，同时由于触摸屏本身是嵌入式的，所以安装时将其嵌入到箱体的盖子中。箱体长其次，为了满足PLC的安装需求，PLC与上方的触摸屏、箱体底部及两侧均留有20mm的空隙。同时，容器内底部留有高20mm的凸台，及高90mm的靠板，供PLC安放和安装。最后，在PLC的I/O端子一侧所对应的容器壁上需开两个长槽和一个圆孔供PLC接线用。右下角开有供电端口，220VAC输入。

4.2 测试系统台架及组件的示意图

如下图4.1（a）、（b）所示，将PLC、触摸屏、流量计、箱体等装配之后， 构成了完整的系统箱体设计。

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图4.1（a）装配图1

图4.1（b）装配图2

图4.2对应的是箱体，图4.3对应的是PLC模型，图4.4（a）、（b）对应的是触摸屏模型，通过拆解开来逐个认识各组件，可以便于之后对实物进行装配。

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图4.2 箱体

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图4.3 PLC模型

图4.4（a）触摸屏模型1

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图4.4（b) 触摸屏模型2

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第五章测试系统气动回路的设计

5.1 测试系统气动回路方案

按照第二章所述的测试方法设计了本次测试系统的气动回路初步方案，它的构件有以下诸多元件：阀、压力控制器、质量流量计、数字流量积算仪、温度计、压力表、气压计及管件接头等。整体设计图如图5.1所示。在实际调试中可以按图中所示的方式联接管路，管路可选择通用高压气体管道，其余部件为设计内容。本章节面向压力控制器、质量流量计和整体气动回路进行设计，对于系统中涉及到的温度计、压力计、气压计等部件作为整体气动回路的一部分在本文不做讨论。

1234567V-38E-1V-2V-4E-2V-11.被检瓶；2.安全阀；3.压力表；4.压力控制阀；5.升温器；6.温度计；7.质量流量计、数字流量积算仪；8.气压计图5.1 检测系统气动回路图

5.2 压力阀的选择 5.2.1 压力阀功能分析

压力阀应能控制气瓶内检测所需要的恒定压力，并且保持在检测过程不随意产生启闭动作。应能伴随气瓶内介质气体量的变化而进行快速有效调节，保持瓶内的检测压力相对稳定不变：当外界环境的变化引起气体量增大，阀瓣的开启度能随之变大，出口气流量变大；当外界环境的变化引起气体量减小，阀瓣的开启度随之变小，出口

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气流量变小。在这个过程中既不能出现因为动作延迟而导致流量瞬间变大，也不能因为气体量突然减小而导致控制阀产生关闭操作。

5.2.2 压力阀的选择

按照上述功能要求，选取了某国产厂商型号500(505)/18D 的压力控制器。控制器采用膜片式传感器和无泄漏活塞式的传感器两种形式。500/18D 膜片式传感器可用于空气、气体等中性气体和润滑油、轻燃油等液体介质。控制器的设定值可调，调节范围－0.1～1.6MPa。

其主要技术性能包括以下方面： 工作粘度：<1×10-3m 2/s 开关元件：微动开关

外壳防护等级：IP54 （符合 DIN40050，与 GB4208 中 IP54 相当） 安装位置：压力口垂直向下（允许倾斜 15°） 环境温度：－25℃～55℃ 介质温度：－25℃～80℃ 抗振性能：Max 100m/s2 重复性误差：≤2.5%

触点容量：AC 220V 6A（阻性）

5.3 压力阀部件选择 5.3.1 质量流量计的选择

热式气体质量流量计是气体流量计中的新型仪表，它适用于钢厂，电厂，核电站及各种管道气体的流量测量。不需要进行压力和温度修正，直接测量气体的质量流量。依据的原理是流体吸收热的速度直接与质量流量相关。移动的气体分子撞击热电阻时吸收带走热量，流量越大，接触热电阻的分子越多，吸收的热量越多，热吸收与某种气体的分子数，热学特性和流动特性有关。

依据采集的要求，选择某品牌公司产品，型号DY-EP热式气体质量流量计。其型号具有多种特点，适合负责各种复杂环境。如，不需要温度、压力补偿；一个流量计能同时兼顾小流量和大流量测量，特别适合大口径测量等。可以出色的完成工艺管道的检漏及设备的检漏工作。施工量极小，由于采用插入式结构，只需要在管道上开一

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个Φ22-Φ25孔。带球阀，校正维修方便。智能数显流量积算仪配套。基地式仪表可以就地显示和带报警控制。以上这些优点有利于实际测试，故选择该型号质量流量计。

其输出为线性输出。一体化结构输出的模拟信号是标准4-20mA线性信号，在分体式结构中从变送器单元输出的4-20mA信号，线性较差，只有再从流量积算仪输出的信号才是准线性4-20mA信号。从流量积算仪再输出的4-20mA，可以人为设定整个流量范围的一段。例如：某流量计量程为0-5000Nm3/h，输出4-20mA线性信号，可以设定0-3000Nm3/h，100-1500Nm3/h，输出4-20mA。

流量计可选量程分为2SLM、5SLM、和10SLM 3种，分别对应的是2 L/min、5 L/min和10 L/min。经过计算后所需测试的流量范围为：2.75~5.60L/min。当待测定的流量值在满量程的1/3~2/3内时，此时流量计的误差最小。故选择量程为10SLM的流量计可以满足实际检测误差值小于1.5%、线性误差小于1%的检测需求。

5.3.2 数字流量积算仪的选择

结构类型分为一体化结构、分体式结构和高级铠装型。设计追求简易，故选择分体式结构。其原理即传感器、变送器和显示部分分离，显示部分为一台独立的智能流量积算仪，显示瞬时流量和累计流量，设置报警点和输出4-20信号。两部分通过三根线联结，变送器为三线制。

数字流量积算仪是DY-EP型流量计自带的，它可为气体质量流量计提供工作电源、操作控制、数字瞬时流量和累积流量的显示，与DY-EP型质量流量计配合使用。该积算仪带有串行通讯口，可通过RS232 或RS485 接口与上位机通讯，实现实时流量监测和控制。

5.4 检测气动回路使用时应注意的问题

1）当测试压力在非开放式常压状态（承压状态）下，测试压力应控制在0.8 MPa以下，气瓶内的实际压力最好控制在比压力阀的开启压力高0.02~0.03 MPa，这样可以快速建立起测试平衡压力，提高检验效率。

2）当测试压力在非开放式常压状态（承压状态）下，还应注意：①承压检测状态时，所有待测瓶系统的管路、管路接管接头及检测系统的所有联接头气密性必需符合要求，不得有任何泄漏；②气瓶检测时的充液量不能超过满瓶的3/4液位，如果超充，从放空阀排出的低温液体会使质量流计受损；③承压测试压力控制在0.8 MPa以下时，压力侧接管使用专用夹子固定牢固以免松脱。

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第六章测试系统控制部分的设计

6.1 测试系统控制部分结构方案

本次测试系统设计控制部分由PLC和触摸屏两部分组成。针对本次系统设计的具体需求，PLC设计包含程序设计和与上位机通讯两部分，而触摸屏设计包含用户界面设计、与PLC通讯、数据采集记录等功能。下文着重论述如何通过两者结合的系统实现上述的功能。

信号输入模拟量输入板块PLCRS232触摸屏

图6.1 控制部分结构图

如上图6.1所示，控制部分的结构示意图。信号输入包含压力计、温度计、流量计等数据采集装置的模拟量输入。由于模拟量无法直观地被人认识，所以需要PLC和触摸屏进行模数转换，已达到数据的可读性，这在后续的设计中将作为极为重要的一点。

PLC必须带有模拟量输入板块，缺少模拟量输入板块将无法接收模拟量信号，可通过模拟量拓展块或自带的模拟量板块解决模拟信号输入的问题。PLC与触摸屏之间可以通过RS232串口进行通讯，选定合适的通讯协议有助于实现二者之间顺利地互通数据和有效地控制与被控制。

触摸屏作为人机交互的界面，设计应该简洁明了、容易上手、方便操作，在版面设计中注重各功能的实现，抛弃不相关的装饰和美化，让操作人员一目了然，操作之时一步到位。触摸屏作为数据的储存设备，应充分考虑利用其自带的数据库以保证断电离线后，数据保留至数据库，供操作人员的读取和使用。

6.2 PLC的控制部分设计 6.2.1 PLC的选型与说明

本次设计使用的是某厂商生产的小型PLC，型号为FBS-10MAT，具体包括: 6 点

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24VDC 数字输入(4 点总和可达 5KHz)，4 点 10KHz 晶体管输出，一个 RS232 或 USB通讯端口(最大可扩充至 3 个)，I/O 不可扩充。实物图如下图6.2所示。

图6.2 PLC实物图

因为本次设计主要功能面向模拟量输入，故对数字量输入输出不多做赘述，详细介绍其自带的模拟量扩充板。

6.2.2 关于FBs-B2A1D的详细介绍

FBs-B2A1D是FBS-10MAT的自带扩充板，两个模拟量输入一个模拟量输出，能够满足本次系统的测试需求。下图6.3所示，是FBs-B2A1D 的外观正视图，对各I/O接口的位置、功能进行了一定的展示。

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图6.3 FBs-B2A1D 之外观正视图

同时，下图6.4给出了对各I/O用途的详细说明，便于我们进一步了解和使用该扩充

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图6.4 FBs-B2A1D的各I/O说明图

图6.5，是对该扩充板的详细规格的整理。需要注意的是，模拟输入的范围不应超过额定范围，电流过大或者电压过高都会对PLC造成不可逆的伤害，如击穿电容或者烧坏线圈等，设计者和使用者应予以重视。其中，还列举了准确度，因为模拟量的采集不可避免的会受到外界环境的干扰，设备的抗干扰能力影响着信号采集的准确度，而信号的准确度对测试系统来说是至关重要的。该扩充板准确度的可达最大值之±1%以内，性能较为良好，完全符合本次设计的需求，无需对信号进行过多的调整。

图6.5 FBs-B2A1D 之功能规格

对该模拟扩充板进行详细了解后，顺利地使用该板进行模拟量采集工作是下一步

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的重要步骤。为此，图6.6对模拟扩充板的使用流程做了充分的说明，并对如何采集模拟量数值也有对应说明。通过该图表明，直接读取对应的缓存器数值即可解决模拟量采集问题，方法简单、操作简易，在程序设计时可省去大量数据读取的步骤。

图6.6 FBs 模拟扩充板之使用步骤

在开发PLC模拟量采集系统时，我们经常会采用模拟扩充模块，然而这次系统设计本着简易、成本低的原则，所以对两者的不同点有所了解便于我们开发本次系统。

模拟扩充板和以往的模拟扩充模块不同之处，具体表现在FBs 模拟扩充板的I/O 寻址模式与FBs 系列模拟扩充模块有着差异。模拟扩充板所占用的系统资源，不再是数值输入缓存器（简称IR 缓存器R3840～ R3903）或数值输出缓存器（简称为OR

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缓存器）R3904～R3967，而是一般的数据缓存器D4072～D4075(模拟输入扩充板)或D4076～D4077(模拟输出扩充板)，模拟扩充板所占用的资源详列于下图6.7，使用者和设计者可以对照了解。

图6.7 FBs-B2A1D 的I /O 配置

同时WinProladder在与PLC 联机后亦会自动检测并配置缓存器。使用者可参考WinProladder所提供之I/O 模块编号配置而知道该模块之实际配置I/O 地址以方便撰写应用程序。

在对该模拟扩充板各项参数和情况有一定认识后，PLC要实现模拟量采集必须得和信号来源进行接线通讯。下图6.8，将模拟量的输出输入接口电路通过实际接线的方式展现出来，较为直观明显。首先，选用包覆式双绞线作为信号源和模拟量端口的通信线。其次，以模拟量输入为例，双绞线其中一根的一端与信号源一极相连，另一端则与扩充板的模拟量输入端口相连。双绞线的另一根与信号源另一极相连，其另一端与扩充板上的姐弟端口相连。这样使得电压或者电流信号，可以在两者间构成完整的回路，以达到让信号传输到模拟量输入端口的目的。模拟量输出的接线同理，不做赘述。需要注意的是，图中所示的0.1-0.47μF电容是用来滤除噪声用的，电容可通交流阻直流，无关的交变信号可被剔除。在实际操作中可以加装，以减少来自噪声的干扰、确保影响信号的准确度，但并不是必要元件，视情况而定。如要求不高的场合，可选用较大的电容或者不用。

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图6.8 FBs-B2A1D 之模拟输入/输出电路示意图

6.2.3 WinProladder的介绍与PLC的编程

如上节提到的，WinProladder V3.11是一款该型PLC专用的编程软件，操作界面较为简单，能够通过梯形图和语句来实现编程。如图6.9所示。

图6.9 WinProladder初始化界面

针对两通道采集模拟量的情况，这里设计了有分支选项的流程，使得PLC在接到不同指令时按照相应的条件选择分支进行下一步的执行任务。正如下图6.10所示。

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程序开始后执行步骤s0，若M0继电器导通则执行步骤s1，若M1继电器导通则执行步骤s2，这里即是分支选项，需要按照不同的条件执行不同的指令。之后，不管是执行步骤s1还是步骤s2都会回到步骤s0，进行下一轮的判断和执行。

开始执行s0若MO通则若M1通则执行s1执行s2

图6.10 程序的流程示意图

按照上述的流程，以及之前所述的模拟量输入端口分配的寄存器地址，可以绘制出如下的梯形图6.11。梯形图前面部分主要是按照流程进行编译，而最后两条语句的功能是，将两模拟量通道对应的数据寄存器D4072、D4073中的数据分别转移至数据寄存器D0、D1中，实现数据的采集和保存，防止数据的覆盖和丢失。在之后的触摸屏的程序编译中，可以通过按下某键即执行直接读取D0、D1中的数据的脚本的方法，保证前后各数据读写位置的一致性，同时实现触摸屏和PLC之间控制和通讯。

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图6.11 梯形图

6.3 触摸屏的控制部分设计 6.3.1 触摸屏的选型与说明

本次设计使用的是某国产厂家生产的TPC1561Hi系列的触摸屏产品。外观详情如下图6.12所示。

图6.12 TPC1561Hi 外观图

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该型号的触摸屏，具有超大容量、永久存储、高效通讯、稳定可靠等优点，在国产的产品中名列前茅，也符合此次设计从简从易的硬性要求。

其详细参数如下表6.1所示：

类别 显示 主板 项目 分辨率 CPU频率 内存容量 磁盘容量 铁电存储 TPC1561Hi 1024*768 Cortex-A8，600MHz 256M DDR2 128M FLASH + 2G SD卡 8K MCGS嵌入版7.6 2×RS232、1×RS485 1×RS232/485 可扩展 USB 2.0 10M/100M自适应 存储 软件 组态软件 串口通讯 接口 CAN通讯 USB接口 以太网口 表6.1 TPC1561Hi的配置表

上表中，RS232是该型触摸屏与PLC的串口通讯端子。由于串口通讯，需要编写较为复杂的通讯协议，导致很多不必要的麻烦和困难。而该型触摸屏带有现下较为通用普遍的各种类型PLC的设备驱动，其中包含通讯协议，所以实际通讯中无需自行编写通讯协议，只需设置相应的设备即可。

6.3.2 MCGS嵌入版组态软件的介绍

MCGS嵌入版的主要功能，包括可视化、支持多种硬件、高处理性能、多媒体画面、安全机制、网络功能、报警功能等。

其初始化界面，如下图6.13所示。使用者可以通过新建工程来进行触摸屏动态画面的设计。

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图6.13 MCGS嵌入版的初始画面

在这款组态软件中，一个工程包含多个要素，即主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库、运行策略等。他们的关系图如6.14所示。

图6.14 组态软件各要素的关系图

各个要素都有其各自作用，详细如下：

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1）主控窗口构造了应用系统的主框架

2）设备窗口是MCGS嵌入版系统与外部设备联系的媒介 3）用户窗口实现了数据和流程的“可视化” 4）实时数据库是MCGS嵌入版系统的核心

5）运行策略是对系统运行流程实现有效控制的手段

6.3.3 触摸屏组态软件的开发

要实现对本系统的控制和实时监控，主要是对用户窗口、实时数据库、运行策略进行开发。

用户窗口应包含，主页、实时数据监控画面、标定参数、历史数据表等。 首先，如图6.15（a）、（b）、（c）、（d）所示，这些是设计后的用户窗口，经模拟和下载后都可以实现相应的功能和作用。

图6.15（a）主页

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图6.15 （b）监控画面

图6.15 （c）标定参数页面

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图6.15 （d）静态蒸发率检测记录表格

其次，在实时数据库可以定义所需的变量值，如“ch1标定流量值”、“ch1流量模拟量值”、“ch1实时流量”等，这些变量也可以在用户窗口中定义。如“设备0_只写M0000”、“设备0_只读DDF00000”等，这类变量直接取与触摸屏相连的PLC上对应的通道值。如“设备0_只写M0000”，变量类型为开关，当这一通道值变为1时，即M0继电器闭合，从而起到控制的效果。而“设备0_只读DDF00000”，则是通过触摸屏直接读取PLC寄存器D0的数据，起到采集数据的作用。

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图6.16 实时数据库的内容

之后，要实现按一定周期对数据进行采集的功能，就需要用到策略组态。如图6.17（a）所示，包括数据对象操作、脚本程序和数据对象操作，分别对应了数据采集后的各个处理部分。

图6.17（a）周期测量的策略组态

如图6.17（b）所示，这里将“设备0_只读DDF00000”赋值给了“ch1流量模拟量值”，这样“ch1流量模拟量值”中保存有实时的通道1的流量模拟量值。通过下一步的换算，可以得到实时的通道1的实际流量值。

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图6.17（b）数据对象操作1

如下图6.17（c），图中所列的就是将模拟量值转换为实际值的公式语句。语句中所涉及到的4个标定值都是在实时数据库中定义过的、由操作人员手动输入到触摸屏中的参数值，通过一定计算方法使得本没有意义的模拟量变成有实际意义的数据。并将最后的计算结果赋给“ch1实时流量”。

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图6.17（c）脚本程序

最后一条策略行，如图6.17（d），通过数据对象操作中的扩充操作将“ch1实施流量”的当前值存入数据库中，已备之后的列表和查询。

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图6.17（d）数据对象操作2

除了周期测量的策略组态之外，还有为之前所说的标定参数的保存专门设计的一些脚本程序。如图6.18所示，在“保存1”按钮的属性设置里，找到“脚本程序”，在“按下脚本”中添加语句“!SaveSingleDataInit(ch1标定流量1)”等，使输入到输入框中的数值被保存为初始值。避免每次初始化都要重新输入标定值的麻烦，有利于提高效率、减少失误。

图6.18 标准按钮构建属性设置

通过上文所说的设计方案，完成了初步的触摸屏组态软件设计。点击菜单中的“文件”,找到“进入运行环境”的选项。进入到如下图6.19所示的界面。实际运行时，可先进行“通讯测试”，以保证PLC和触摸屏通过串口能够有效地通讯。点击“工程下载”，可以将编写好的组态软件写入到相应的触摸屏中，前提是计算机与触摸屏已通过USB建立了通讯。

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图6.19 下载配置界面

由于组态软件可直接进行模拟运行，故在点击“工程下载”之后，出现以上画面，说明软件已下载成功，并且没有组态错误，可以进行模拟运行。点击“启动运行”后，模拟窗口弹出，并且显示如下图6.20（a）。图中显示，设备““通用串口父设备0”【通用串口父设备】初始化失败！”，此信息出现是因为未进行PLC和触摸屏的通讯，这对后面的窗口模拟不会有影响，可点击“确认”跳过。

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图6.20 （a）初始化窗口

图6.20 （b）主界面窗口

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0vz8.html