1 绪论 1 绪论
1.1课题背景
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 (American petroleum institute,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
随着高钢级钢管市场的扩大,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。
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(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
拟研制水实验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S7-200 PLC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
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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：
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/WIN V5.4）。本次设计中，我主要负责PLC控制和编程部分。
1.5 论文结构
本文通过六部分对‘水压试验机电气控制系统—PLC控制和编程’进行了叙述：1 绪论，介绍了课题背景、研究意义、国内外相关领域的研究现状；2水压机控制系统的工作原理及基本构成，硬件系统、软件系统组成进行了简介；3 系统软件PLC部分的设计实现，介绍了编程方案，西门子S7-200，介绍了控制系统I/O设计，数据线性处理， PLC和PC机的通信；4 部分重点程序介绍；5 结论与展望 包括研究课题总结，前景展望。
1.6 本章小结
本章主要对课题的研究背景、研究意义、国内外相关领域的研究现状、研究内容和本论文的结构做出了简要的说明。
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2 水压机控制系统的工作原理及基本构成 2 水压机控制系统的工作原理及基本构成
2.1 水压试验机控制系统工作原理
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毫米。
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
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