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水压试管机系统PLC控制RM
油管静水压试管装置自动控制系统-PLC控制
摘要
随着国民经济的飞速发展,钢管被广泛应用于石油化工,锅炉制造等行业,,它们的普遍特点是常用于高温、高压等恶劣工况下,因此对钢管的质量提出了更高的要求.本文所介绍的水压试验机控制系统正是为检验钢管的耐压能力而设计制造的.它是一个多方面为一体的复杂系统,是集机械,电气,液压,传感和自动控制为一体的复杂的机电液一体化设备。
本文所研究的是静水压试管装置的PLC控制
关键词:
静水压试管装置控制系统;PLC控制
DesignOfElectricalControlSystemForHydrostaticachine—TestingMachine—ControlByPLC
Abstract
Withtherapiddevelopmentofthenationaleconomy,steelpipesarewidelyusedinpetrochemical,boilermanufacturingindustry,theirgeneralcharacteristicsiscommonlyusedinhightemperature,highpressureandotheradverseconditions,sothequalityofsteelhasputforwardhigherrequirements.Describedinthisarticlehydrostatictestingmachinecontrolsystemforthetesttubeistheabilitytodesignandmanufactureofpressureof.Itisamultifacetedcomplexsystemasawhole,isamechanical,electrical,hydraulic,sensorintegrationandautomationforcomplexmechanical,electricalandhydraulicequipmentintegration.
Inthispaper,Thedesign,primarilyresponsibleforpartofPLCcontrol.
Keywords:
Controlsystemforhydrostatictestingmachine;PLCcontrol
目录
第1章绪论-1-
1.1背景-1-
1.2研究意义-1-
1.3国内外相关领域的研究现状-1-
1.4研究内容-3-
第二章静水压试管装置自动控制系统的工作原理及基本构成-3-
2.1静水压试管装置自动控制系统工作原理-3-
2.2静水压试管装置自动控制系统的基本构成-5-
2.3硬件系统组成-5-
第三章关于PLC与西门子S7-300的介绍-11-
3.1PLC相关知识-11-
3.1.1PLC的定义-11-
3.1.2PLC的基本结构-12-
3.1.3PLC工作原理-13-
3.1.4PLC基本功能与特点-15-
3.2西门子S7-300相关知识-17-
3.2.1西门子相关介绍
-17-
3.2.2S7-300介绍-18-
第四章S7-300工作环境-22-
4.1STEP7-22-
4.1.1编程软件简介-22-
4.1.2STEP7的项目结构-23-
4.1.3使用STEP7的基本步骤-24-
4.2选择编程语言-24-
4.3S7-300硬件组态设计-29-
4.4CAD图的解释-45-
第1章绪论
1.1背景
随着国民经济的飞速发展,钢管被广泛应用于石油化工,锅炉制造等行业,它们的普遍特点是常用于高温、高压等恶劣工况下,因此对钢管的质量提出了更高的要求,根据API(Americanpetroleuminstitute,美国石油组织)标准要求,各种不同品种和钢级的油井管,必须能承受相应等级的压力,于是,压力试验成为钢管生产过程中必需的质量检测环节,对钢管质量检验起着重要作用.水压试验机正是为检验钢管的耐压能力而设计制造的.水压实验机是一种利用油水平衡控制对钢管进行静水压试验的机器.它一方面检查钢管是否有渗漏现象,另一方面可以消除钢管在成型过程中产生的残余内应力.将钢管充满高压水后在一定压力范围内对其进行保压,保证规定时间内钢管全长范围内均无泄漏,它是一个多方面为一体的复杂系统,是集机械,电气,液压,传感和自动控制为一体的复杂的机电液一体化设备。
1.2研究意义
水压试验机是钢管生产线上必不可少的设备,因而水压试验机的工作效率直接影响到产品的生产率,因此提高水压试验机的生产率,对提高设备的检验能力及产品质量具有重要意义,很好的研究水压试验机的系统更有利于逐步改进提高现有设备的控制系统,提高设备的自动化水平,进而提高生产力水平,创造更多的经济效益.
1.3国内外相关领域的研究现状
随着高级钢管市场的扩大,对高压钢管水压试验机的需求也日益增大.以前,我国油套管,输送管主要生产企业使用的高压水压试验机主要依赖进口,直到1999年西安重型机械研究所设计研发出第一套高压钢管水压试验机才改变了这种局面.在不到10年的时间里,西安重型机械研究所根据用户需求,开发设计了十多套不同规格,不同试验压力的高压钢管水压试验机.由于国产高压钢管水压试验机的起步较晚,其发展过程中尚存以下亟待解决的问题:
(1)制管生产线生产率的提高对高压钢管水压试验机提出了挑战.目前,单头高压钢管水压试验机的试压最高频次是90根/小时,而前道工序的生产率有时会更高,因此,开发高试压频次的高压钢管水压试验机是今后的一个目标.
(2)开发新型的排气端卡头移动机构以满足钢管长度变化时的试压需要.目前水压试验机排气端卡头移动用丝杠螺母机构,虽然定位准确,刚性好,但螺母磨损较严重,可以考虑用液压伺服机构来解决这一问题.
(3)开发新型的大口径钢管密封结构.随着制管生产技术的提高,钢管外径不断增大,需要试压的管径也相应增大,现在采用的径向预压紧组合密封是靠钢管外径密封的,钢管外径如果太大,此结构就太笨重,不利于更换卡头,寻找一种新的密封方式是需要解决的问题.目前国内外钢管水压试验机有很多种,但原理基本相似,国内的水压试验机在部分规格和某些部分的工艺上不如国外的水压机,例如目前我国无缝管轧制的规格仅到508mm,且较大规格(大于630mm)密封圈的制作工艺不过关,因此,我国还没有直径大于630mm,采用径向密封的无缝钢管水压试验机.近二十年来,国外水压机发展很快,技术先进,但系统复杂,制造和运行成本很高.为了适应产品高质量,高效率,降低能耗,减少公害,改善劳动条件,创建锻造文明生产的要求,在70年代中期,不少水压机己经实现通过计算机,一人对压机与操作机进行联动控制.20世纪70年代以后,由于高性能大流量油泵及其液压元器件,PLC,触摸屏,工控机和各种先进的测控元件等进入工业领域,水压机得到了长足进步.从80年代初到现在其控制水平又有提高,压机机组自编程已完全进入工业性实用阶段,并且开始实现钢管检测流程的网络管理及自动控制.国内外水压试验机的研究主要集中在原理与结构探讨,设备改造,组态系统设计,控制系统和对水压试验机的整体运行状态进行故障诊断以及预报潜在故障等方面,都取得了很大的进展.例如采用丝堵和胶塞密封的石油油套管水压试验机,由于其密封压力低,密封件使用寿命短,效率低,损伤螺纹等原因,已不能满足API标准的新要求.以前进口的水压试验机,因试验压力低,使用受到限制.近年来,新开发了多种水压试验机,不仅满足API标准的新要求,而且价格低,很受用户欢迎.
1.4研究内容
水压机是一种利用油水平衡控制对钢管进行静水压试验的机器.它主要有以下几部分组成:
钢管传送装置,水路系统,油路系统和控制系统.钢管传送装置负责钢管的进出传送,水路系统负责钢管进行静水压试验时向钢管里充水打压,油路系统负责钢管静水压试验时控制封头实现管端油水压力平衡,控制系统负责整个设备的自动运行控制和试验数据的自动保存和历史数据的管理.水压试验机的拟研制控制系统由硬件系统,软件系统组成.
1.硬件系统组成:
硬件系统组成硬件系统主要由上位机,下位机,人机接口,现场传感器和可执行元件组成.上位机包括工程师站和操作员站,他们共用一台电脑,上位机还作为数据服务器使用,存储试验数据.下位机由一台西门子S7-200PLC担任,它负责对现场传感器检测到的信号传送给上位机进行信号处理,同时它又把上位机的控制指令翻译成执行指令控制现场可执行元件的动作,从而实现系统整体自动协调动作,完成钢管的静水压试验.人机接口包括键盘,鼠标和操作台.利用键盘,鼠标,通过电脑操作画面完成参数传递和实时监控显示以及数据报表的打印等操作.操作台完成外围辅助设备的动作,包括钢管传送,油泵和水泵的起停,管端封头的移动等.现场传感器有水压传感器和油压传感器,它们负责实时检测水路系统和油路系统的压力,将它们转换为电信号传送到PLC,等待进一步处理.可执行元件包括电液比例阀,电磁换向阀,电机和信号指示灯,它们负责实现机械的各个具体动作和相关信号指示.
2.软件系统组成:
2.软件系统组成:
软件系统组成软件系统包括:
监控组态软件,历史数据管理软件,PLC运行开发软件STEP(7-Micro/WINV5.4).本次设计中,我主要负责PLC控制部分.
第二章静水压试管装置自动控制系统的工作原理及基本构成
2.1静水压试管装置自动控制系统工作原理
水压试验机原理上的根据是油水平衡受力平衡公式:
P油×S油=P水×S水式中:
:
P水为水压试验压力MPa;S水为钢管内径横截面积平方毫米;P油为水压试验工作油缸内压力MPa;S油为水压试验机工作油缸横截面积平方米.
图2.1水压试验机实验工作原理图
送料机构:
主要作用是将工作台上试压完成的钢管送入料框,同时将料架上的待试钢管送入台面上的试验位置,并使之定位.送料机构采用机械连动,用电磁阀,限位开关控制停,启,它是一种间隔动作的机构.夹紧机构:
主要作用是将送到试验台面上的钢管夹紧,目的是在试验时使前后试验头能准确地插入钢管,试压完成后又能顺利地使钢管拨出;此外还有使钢管在试压时不产生弯曲变形的作用.夹紧机构的执行装置一般用气缸来实现.前后试验头:
前后试验头是水压试验机的关键装置之一,通过前后试验头向钢管供水,加压,它和钢管的两个端头之间应该有良好的密封,一般供水和加压是通过前试验头进行的,而后试验头则安装排气装置.前后试验头的驱动装置一般采用液压缸,试压时使前后试验头前进,插入钢管并密封;试验完毕后,前后试验头退出,钢管和前后试验头脱开.供水装置:
供水装置主要由水泵和阀门组成,为了避免水泵频繁启,停,在整个试压期间都处于开动状态,对钢管的低压供水在一个试压周期内只要开启和关闭有关的阀门就行了,这种阀门一般有两个,一个是用来对试压床身上待试钢管进行冲洗,将钢管内的焊渣,尘土及其它脏物冲洗干净,我们称它为冲洗阀,另一个阀则用来对试压钢管预充以低压水,我们称之为充水阀.为了便于可靠地实现自动化,冲洗阀和充水阀一般都用气动执行机构,它们的启闭用气压传动来实现.排气机构:
排气机构的主要作用是在钢管预充水时将试压钢管内的空气排出,它还有另外一个作用是在试压完毕后将排气阀打开使试压管卸压.排气机构是安装在后试验头上的一个排气阀,它的执行机构也是一个气缸,在充水时将排气阀打开,进行排气;在增压时关闭;试压完成后又打开,使钢管卸压.增压装置的作用是向试压钢管内提供达到一定试验压力的高压水.
2.2水压试验机控制系统的基本构成
水压试验机的制控制系统由硬件系统,软件系统组成.
2.3硬件系统组成
水压机的结构如下图:
图2.2水压机系统结构图
在以往的控制系统中,由于采用的继电器和接触器控制方式存在很多问题,比如其控制元件体积大,在动作频繁时,响应速度较低,尤其在水气潮湿,尘埃较多的恶劣环境下工作时常发生电气故障,对生产影响很大.因此这里采用一种PLC的控制系统.几十年来,继电器控制系统为工业控制的发展起到了巨大的作用,而且目前仍然在工业领域中大量地应用,然而其控制性能与自身的功能己无法满足与适应工业控制的要求和展,与PLC相比较,存在着质的差别.
图2.3控制系统结构图
在硬件系统中上位机还作为数据服务器使用,存储试验数据,下位机由一台西门子S7-300PLC担任,它负责对现场传感器检测到的信号传送给上位机进行信号处理,同时它又把上位机的控制指令翻译成执行指令控制现场可执行元件的动作,从而实现系统整体自动协调动作,完成钢管的静水压试验.人机接口包括键盘,鼠标和操作台.利用键盘,鼠标,通过电脑操作画面完成参数传递和实时监控显示以及数据报表的打印等操作.操作台完成外围辅助设备的动作,包括钢管传送,油泵和水泵的起停,管端封头的移动等.现场传感器有水压传感器和油压传感器,它们负责实时检测水路系统和油路系统的压力,将它们转换为电信号传送到PLC,等待进一步处理.可执行元件包括电液比例阀,电磁换向阀,电机和信号指示灯,它们负责实现机械的各个具体动作和相关信号指示.在硬件系统中,还包括有稳压系统.为了满足API标准对钢管水压试验的要求,钢管水压试验机在系统设计时必须考虑稳压问题,系统稳压性能的好坏是衡量钢管水压试验机性能的重要指标.系统稳压性能的好坏是衡量钢管水压试验机性能的重要指标.稳压系统主要分两种:
允许补压的稳压系统.
1)允许补压的稳压系统.允许补压的稳压系统的设计一般基于这样的设计思路:
由于系统泄漏无法避免,需采取补压措施,但必须设法保证稳压时压力波动在API标准规定的范围内.
图2.4允许补压的稳压系统
这种回路采取了补压措施,增加了高压蓄能罐,若无蓄能罐,稳压时高压往复泵或增压器一直处于工作状态;水阀6,7不仅在充水阶段起排气作用,在稳压结束后还肩负着试管卸荷的作用.排气过程要求迅速,所以水阀6,7通径较大,卸荷时系统处于高压状态,这时要打开水阀6,7的阀芯,势必液压系统控制压力高,可以想象放气阀体积相当庞大;水阀1稳压时接通大容积高压蓄能罐,稳压时间到后要关闭,所以通径也大,控制压力高;水阀3,4,5和径向密封水路相连,径向密封所需的流量较小,所以通经也小.1,2,3,4,5,6,7水阀的结构基本相同,这种阀中间部分为水腔,两侧为控制腔.上下控制活塞和水阀阀芯的同轴问题只能靠机加工来保证,加工误差和实际使用时磨损产生的偏差难以消除,所以同轴度差,这是水阀阀口关不住的主要原因;从控制腔的密封环境看,水中的污染物易损坏控制部分活塞杆处密封,进而损坏控制活塞密封圈,造成控制腔里的液压油窜入水腔,系统里的水窜入控制油腔,这是钢管水压试验机"吃油"现象的根本原因,使维护难度增大,生产成本增高.
2)不采用任何方式补压的稳压系统.API标准对稳压过程是否可以补压没不采用任何方式补压的稳压系统.有明确规定,而在西气东输工程<1016mm×14.6mm钢管生产中,要求钢管水压试验机在静水压试验过程中不应采取任何方式进行补压.为了满足用户的要求,我公司对钢管水压试验机稳压回路进行了改进.这种改进是根据钢管在试压过程中不同阶段的特点,合理设计高性能水阀,使系统泄漏量减少到最低限度,从而实现不采取任何措施对系统进行补压.不需补压的稳压系统示意如图3.2,现计对该系统做以分析.
图2.5不需补压的稳压回路
系统在低压充水过程中,要求水阀6,7能迅速排气,所以要求通经大.同时低压充水时试管内水压较低,因而在这阶段只需较低的控制压力就能控制水阀6,7的开启或关闭;在增压,稳压阶段,要求水阀6,7能可靠关闭.保压时间到后,试管卸压时实际需要的水量很小,所以水阀5的通径较小,因而所需的控制压力也较低这种水阀设计时不宜利用试管内高压水密封阀口,原因是控制系统出现故障时,阀芯若打不开可能酿成安全事故.为了安全,设计时应考虑在控制部分出现故障时,利用试管内的高压水自动抬起阀芯,卸掉高压水.在增压过程中水阀2的作用是向径向密封处接通高压水,水阀3的作用是卸去密封压力.水阀4的开启或关闭,接通或断开密封蓄能器,虽然多数时间处于高压状态,但水量均不大,通径小,可参考水阀5的设计结构.水阀1可借鉴先导式液压阀的原理来设计,避免直动式结构体积庞大,控制压力高的缺点.控制部分的驱动力只需克服试管内的高压水作用在水阀1导阀部分的力即可,导阀芯直径较小,所以仍可选用活塞直径较小的双作用标准油缸.主阀芯阀口设计成面接触,同时利用试管内的高压作用在主阀芯上部,这样稳压阶段阀口密封更可靠.控制油缸和导阀部分采用球接手连接,有利于保证主阀芯和阀体之间的同轴精度.水阀1,2,3,4,5,6,7静密封选用O型密封圈,动密封选用夹织物V型组合密封圈,这样在水质较差的情况下,也能使用较长时间.2.2.2软件系统组成软件系统包括:
监控组态软件,历史数据管理软件,PLC运行开发软(STEP7V5.5).本次设计中,我主要负责PLC控制部分.STEP7V5.5是基于Windows平台的应用软件.是SIEMENS公司专为SIMATIC系列S7-300研制开发的编程软件,它可以使用通用的个人计算机作为图形编辑器.用于在线(联机)或者离线(脱机)开发用户程序,并可在线实时监控用户程序的执行状态.STEP7V5.5是基于Windows平台的应用软件.是SIEMENS公司专为SIMATIC系列S7-300研制开发的编程软件,它可以使用通用的个人计算机作为图形编辑器.用于在线(联机)或者离线(脱机)开发用户程序,并可在线实时监控用户程序的执行状态.STEP7V5.5编辑软件的基本功能是在Windows平行编制用户应用程序,它主要完成下列任务.
1.在离线(脱机)方式下创建,编辑和修改用户程序.在离线方式下,计算机不直接与PLC联系,可以实现对程序的编辑,编译,调试利系统组态,r由于没有联机,所有的程序和参数都存储在计算机的存储器中.
2.在存线(联机)方式下通过联机通信的方式上装和下装用户程序及组态数据,编辑和修改用户程序.可以直接对PLC做各种操作.
3.在编辑程序过程中进行语法检查.为避免用户在编程过程中出现的一些语法错误和数据类型错误,要进行语法检查.使用梯形图编程时,存山现错误的地方自动加红色波浪线.使用语句表编程时,在出现错误的语句行前自动画上红色义,且在错误处加上红色波浪线.
4.提供对用户程序进行文档管理,加密处理等工具功能.
5.设置PLC的工作方式和运行参数,进行运行监控和强制操作等.STEP7V5.5的菜单条(含有8个主菜单选项)钮中有8个主菜单选项.
①文件(File).用鼠标单击(或对应的快捷键操作)菜单条中的File选项,可出现一个下拉菜单,可分别选择文件操作如新建,打开,关闭,保存文件,上装和下装用户程序,打印预览,页面设置等操作.
②编辑(Edit).编辑(Edit)主菜单选项提供一般Windows平台下的程序编辑工具.用鼠标单击(或对应的快捷键操作)菜单条中的Edit选项,可出现一个下拉菜单,可分别选择剪切,复制,粘贴程序块或数据块的功能操作,以及查找,替换,插入,删除和快速光标定位的操作.③视图(View).视图(View)丰菜单选项用于设置STEP7的开发环境,打开和关闭其他辅助窗口(如引导窗口,指令树窗口,工具条按钮区).用鼠标单击(或对应的快捷键操作)菜单条中的View选项,可出现一个下拉菜单,用户可根据需要或喜好设置开发环境,执行引导窗口区的选择项,选择编群语言(LAD,STL或FBD)的程序编辑器,设置程序编辑器的风格,如字体及功能框的大小.
④可编程控制器(PLC).可编程控制器(PLC)选项用于进行与PLC联机时的操作.用鼠标单击(或对应的快捷键操作)菜单条中的PLC选项,可出现一个下拉菜单,可用于选择PLC的类型,PLC的工作方式,查看PLC的信息,PLC通信设置,清除用户程序数据,进行在线编译,程序比较等功能.
⑤调试(Debug).调试(Debug)选项用于联机调试.
⑥工具(Tools).在工具(Tools)主菜单选项中,可以调用复杂指令向导(包括PID指令,NETR/NETW指令利HSC指令),安装文本显示器TD200,设置用户界面风格(如设置按钮及按钮样式,添加菜单项),在选项子菜单中也可以设置程序编辑器的风格,如字体及功能框的大小.
⑦窗口(Windows).窗口(Windows)主菜单选项的功能足打开一个或多个窗口,并进行窗口之间的切换.可以选择并设置多个窗口的排放形式(如水平,垂直或层叠).
⑧帮助(Help).利用帮助主菜单,可以非常方便地检索各种相关的帮助信息(包括提供网上查询功能).在软件操作过程中,可随时按F1键,显示在线帮助.历史数据管理软件包括数据库系统(Access数据库),数据报表查询软件(利用VB开发的可执行文件),VB开发系统,它们负责历史数据的报表查询.
第三章关于PLC与西门子S7-300的介绍
3.1PLC相关知识
3.1.1PLC的定义
PLC=ProgrammableLogicController,可编程逻辑控制器,一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
是工业控制的核心部分PLC=ProgrammableLogicController,可编程控制器,另外PLC还有以下几个名称:
PLC=PowerLineCommunication,电力线通信,即我们俗称的“电力线上网”。
PLC=PublicLimitedCompany,公共有限公司,股票上市公司。
PLC=Power-lineCarrier,输电线载波,电力线载波,电源线车。
PLC=PowerLoadingControl,动力负载控制。
PLC=PreparativeLayerChromatography,制备层色谱法。
PLC=ProgrammingLanguageCommittee,程序设计语言委员会[美]。
3.1.2PLC的基本结构
PLC的构成从结构上分,PLC分为固定式和组合式(模块式)两种。
固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等,这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、
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