S7-300在海上浮式輸油管綜合強(qiáng)度測(cè)試儀上的應(yīng)用

¹朱翔宇，²梁宏

（¹遼寧科技大學(xué) 鞍山；²中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)計(jì)算技術(shù)研究所有限公司 沈陽(yáng)）

Application of S7-300 in Offshore Floating Oil Hose Comprehensive Strength Tester

［摘要］ 本文介紹了西門子S7-300 PLC、TP1200 Comfort 及TIA Portal軟件在國(guó)內(nèi)率先在海上浮式輸油管綜合強(qiáng)度測(cè)試儀上的應(yīng)用，并從軟硬件設(shè)計(jì)方面敘述了對(duì)關(guān)鍵功能的成功實(shí)現(xiàn)。

［關(guān)鍵詞］ 綜合強(qiáng)度測(cè)試儀、TIA Portal

［Abstract］ This paper introduces that the application of S7-300,TP1200 comfort and TIA Portal in offshore floating oil hose comprehensive strength tester which is the first equipment in China.In aspects of hardware and software design,the paper also describes the successful application of main function.

［Key Words］ Comprehensive strength tester、TIA Portal

一、項(xiàng)目背景

海上輸油管線是海上油田的命脈，它的安全性能直接關(guān)系到整個(gè)海上油田的安全。海上輸油管道工作環(huán)境的惡劣程度與陸地管道相比更加復(fù)雜多變，既可能受到波浪、潮汐及腐蝕等作用，又可能面臨船錨等撞擊拖掛的危險(xiǎn)，而且管道本身不僅受到靜水壓力的作用，同時(shí)會(huì)受到軸向拉力和彎曲荷載的作用。由于長(zhǎng)期處于此等惡劣條件下，管道材料的內(nèi)部有發(fā)生細(xì)裂紋的危險(xiǎn)，如不加以應(yīng)對(duì)和控制，則會(huì)嚴(yán)重影響管道的強(qiáng)度以致降低其壽命。

彎曲強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度，是橡膠制品檢測(cè)的重要評(píng)估參數(shù)。國(guó)內(nèi)對(duì)這三項(xiàng)強(qiáng)度檢測(cè)試驗(yàn)都是分開單獨(dú)進(jìn)行的，功能單一且自動(dòng)化程度不高；勞動(dòng)者現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，安全得不到保障。目前，彎曲、扭轉(zhuǎn)和拉伸三項(xiàng)測(cè)試功能綜合在一起的自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)全部被歐美國(guó)家壟斷。國(guó)內(nèi)在這方面的研究，大多處在研究和試制階段，還沒(méi)有產(chǎn)品，滿足不了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求。

二、項(xiàng)目工藝

該項(xiàng)目研發(fā)了一種對(duì)海上浮式輸油管三種強(qiáng)度測(cè)試為一體的測(cè)試儀，該測(cè)試儀可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。采用一體化框架結(jié)構(gòu)，將三種測(cè)試功能集成在一起，提高了兼容性和多功能性，大大提高了測(cè)試儀的綜合使用能力。

2）長(zhǎng)效冗余控制系統(tǒng)。液壓電氣控制采用冗余設(shè)計(jì)方案，確保長(zhǎng)期使用的穩(wěn)定性與易維護(hù)性。

3）運(yùn)動(dòng)可調(diào)節(jié)控制機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用比例閥與激光位移傳感器作為執(zhí)行和反饋元件，并在控制算法上采用PID方式進(jìn)行位置與速度的雙閉環(huán)控制。在比例閥控制管路中增加靜態(tài)穩(wěn)壓截至閥，以保證靜態(tài)穩(wěn)定性。如圖1所示。

圖1 綜合強(qiáng)度測(cè)試儀

三、控制系統(tǒng)組成

1.硬件系統(tǒng)

設(shè)備采用西門子S7-300系列PLC中的315-2PN/DP，觸摸屏采用TP1200 Comfort，觸摸屏與PLC系統(tǒng)通過(guò)PROFINET網(wǎng)絡(luò)相連，通過(guò)觸摸屏完成所有試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置和試驗(yàn)操作，同時(shí)記錄重要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可集監(jiān)控和操作于一體，實(shí)現(xiàn)人性化的操作控制。配合采用數(shù)字量與模擬量模塊、與傾角檢測(cè)傳感器、壓力傳感器、拉力傳感器、直線位移傳感器和激光位移傳感器等進(jìn)行控制與測(cè)量。測(cè)試負(fù)載力輸出，采用液壓動(dòng)力輸出。通過(guò)比例閥控制油缸動(dòng)作位置與速度。

S7-300是模塊化中小型PLC系統(tǒng)，它能滿足中等性能要求的應(yīng)用。大范圍的各種功能模塊可以非常好地滿足和適應(yīng)自動(dòng)控制任務(wù)。簡(jiǎn)單實(shí)用的分散式結(jié)構(gòu)和多界面網(wǎng)絡(luò)能力，使得應(yīng)用十分靈活。方便用戶和簡(jiǎn)易的無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)。當(dāng)控制任務(wù)增加時(shí)，可自由擴(kuò)展。由于大范圍的集成功能使得功能非常強(qiáng)勁。

其中CPU選用315-2PN/DP，它具有中等規(guī)模的程序存儲(chǔ)器和程序框架，對(duì)二進(jìn)制和浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算具有較高的處理能力。處理器處理每條二進(jìn)制指令執(zhí)行時(shí)間約為50ns，每條浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)行指令約為450ns。384KB主存儲(chǔ)器與程序組件執(zhí)行相關(guān)的大容量工作存儲(chǔ)器為用戶程序提供了充分的空間。作為程序裝載存儲(chǔ)器的微型存儲(chǔ)卡也允許將項(xiàng)目保存在CPU中，同時(shí)還可以用于數(shù)據(jù)歸檔和配方管理。通信方式支持PROFINET。硬件組態(tài)如圖2所示。

圖2 硬件組態(tài)

西門子精致屏系列中的TP1200無(wú)疑是性價(jià)比非常高的一款，面板配備高分辨率、高對(duì)比度的寬屏顯示屏，具有分辨率為1280×800像素的PC典型顯示屏。而且它的運(yùn)行軟件包括檔案和腳本、互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器、PDF閱讀器、Excel和Word文件，這對(duì)于該設(shè)備中所需要的數(shù)據(jù)記錄起到了很關(guān)鍵的作用。它還可以選擇通過(guò) PROFIenergy 以協(xié)調(diào)的空閑時(shí)間集中關(guān)閉設(shè)備的顯示屏，從而降低能量消耗。并且它堅(jiān)固耐用，通過(guò)眾多認(rèn)證，它甚至適用于最惡劣的環(huán)境條件。圖3為TP1200觸摸屏。

圖3 TP1200 觸摸屏

2.軟件系統(tǒng)

編程軟件采用西門子的TIA Portal V13版本的軟件，它是業(yè)內(nèi)率先采用統(tǒng)一工程設(shè)計(jì)平臺(tái)的自動(dòng)化軟件。借助全新的工程技術(shù)軟件平臺(tái)，用戶能夠快速、直觀地開發(fā)和調(diào)試自動(dòng)化系統(tǒng)。與其他軟件相比，無(wú)需花費(fèi)大量時(shí)間集成各個(gè)軟件包，同時(shí)顯著降低了成本。此外，TIA Portal作為一切未來(lái)工程軟件組態(tài)包的基礎(chǔ)，可對(duì)西門子全集成自動(dòng)化中涉及的自動(dòng)化和驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品進(jìn)行組態(tài)、編程和調(diào)試，也易于設(shè)備未來(lái)的升級(jí)與擴(kuò)展。

TIA Portal包含了編程軟件Step7和觸摸屏軟件WinCC，對(duì)于組態(tài)編程十分方便，同時(shí)在控制參數(shù)、程序塊、變量和消息等數(shù)據(jù)管理方面，所有數(shù)據(jù)只需輸入一次，大大減少了自動(dòng)化項(xiàng)目的軟件工程組態(tài)時(shí)間，降低了成本。TIA Portal的設(shè)計(jì)基于面向?qū)ο蠛图袛?shù)據(jù)管理，避免了數(shù)據(jù)輸入錯(cuò)誤，實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫的數(shù)據(jù)一致性。使用項(xiàng)目范圍的交叉索引系統(tǒng)，可在整個(gè)項(xiàng)目?jī)?nèi)輕松查找數(shù)據(jù)和程序塊，極大地縮短了軟件項(xiàng)目的故障診斷和調(diào)試時(shí)間。圖4為觸摸屏操作主畫面。

圖4 觸摸屏操作主畫面

四、控制系統(tǒng)功能

該設(shè)備主要是完成三種測(cè)試功能，分別是：

（1）拉伸測(cè)試

根據(jù)工藝需求，對(duì)拉伸力與拉伸位移的匹配關(guān)系進(jìn)行動(dòng)態(tài)與靜態(tài)的測(cè)試。拉力檢測(cè)數(shù)據(jù)，由量程60t的拉力傳感器執(zhí)行，信號(hào)放大器將負(fù)載實(shí)測(cè)拉力轉(zhuǎn)換為4～20mA電流信號(hào)。拉伸位移數(shù)據(jù)，由預(yù)裝在液壓缸內(nèi)的磁制位移傳感器，檢測(cè)軟管拉伸的相對(duì)位移。以上信號(hào)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)PLC的模擬量模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后在程序中經(jīng)過(guò)公式計(jì)算轉(zhuǎn)換后，可將實(shí)際工程量的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地顯示在觸摸屏上。

拉伸測(cè)試時(shí)，首先需要根據(jù)預(yù)設(shè)的拉力值范圍在觸摸屏上設(shè)定拉伸力的預(yù)設(shè)值，當(dāng)軟管拉伸力達(dá)到預(yù)設(shè)值，且拉伸位移未超過(guò)管長(zhǎng)的10%，則釋放拉伸力，直到拉伸力接近零。并且可通過(guò)程序編寫出兩種模式的節(jié)拍速度，以滿足實(shí)驗(yàn)的需求。

循環(huán)往復(fù)執(zhí)行以上操作，并且由觸摸屏記錄出關(guān)鍵的數(shù)據(jù)信息，自動(dòng)生成Excel記錄表格，存檔記錄。

（2）扭曲測(cè)試

根據(jù)工藝需求，對(duì)膠管正負(fù)扭曲角度位置控制進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試。扭曲角度數(shù)據(jù)，由量程±45°傾角傳感器進(jìn)行測(cè)量，并輸出4～20mA電流信號(hào)，扭曲力由安裝在液壓管路上的量程為30MPa的壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量，并變送4～20mA電流信號(hào)。以上信號(hào)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)PLC的模擬量模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后在程序中經(jīng)過(guò)公式計(jì)算轉(zhuǎn)換后，可將實(shí)際工程量的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地顯示在觸摸屏上。

根據(jù)管長(zhǎng)可在觸摸屏上設(shè)定2°/m的最大扭曲角度范圍，并在最大角度時(shí)，記錄扭曲力數(shù)據(jù)。

（3）彎曲測(cè)試

根據(jù)工藝需求，對(duì)膠管左右彎曲同步位置與速度控制進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試。彎曲半徑由滑車位移激光傳感器測(cè)量，左右彎曲缸位移由激光傳感器測(cè)量，并轉(zhuǎn)換4～20mA信號(hào)，再經(jīng)過(guò)PLC的模擬量模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖5 系統(tǒng)功能框圖

為了保證彎曲半徑的圓心與設(shè)備中心重合，需通過(guò)閉環(huán)控制，保證左右兩端彎曲運(yùn)動(dòng)的速度與位置同步。比例閥與激光位移傳感器作為執(zhí)行和反饋元件，并在控制算法上采用PID方式進(jìn)行位置與速度的雙閉環(huán)控制。

在TIA Portal中的編程軟件中插入PID模塊，同時(shí)還有相應(yīng)的PID過(guò)程曲線，可以方便快捷地進(jìn)行PID參數(shù)設(shè)置與調(diào)節(jié)。圖5為系統(tǒng)功能框圖。

五、項(xiàng)目運(yùn)行

2015年年底該研發(fā)設(shè)備投入運(yùn)行，運(yùn)行效果良好，且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足質(zhì)量認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。

六、使用心得

本設(shè)備選用西門子產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)功能的最大原因是TIA Portal軟件。以前西門子公司的組態(tài)軟件，給人一種十分復(fù)雜，不知道從何入手的感覺(jué)，但是TIA Portal軟件直接、易用的特點(diǎn)從安裝開始就表現(xiàn)得淋漓盡致。

首先安裝過(guò)程一氣呵成，新建項(xiàng)目由向?qū)崾疽徊揭徊降丶纯赏瓿珊?jiǎn)單的配置，編程開發(fā)界面簡(jiǎn)潔、清晰，并且增加了許多拖拽的操作和直觀的界面顯示。當(dāng)組態(tài)完成后，變量地址即可自動(dòng)生成，查詢方便、快捷，使編程效率大幅度提高。

更加值得一提的就是軟件中帶有PID調(diào)節(jié)功能，只要添加了PID模塊，就會(huì)自動(dòng)生成直觀、清晰的PID參數(shù)調(diào)節(jié)界面，設(shè)定參數(shù)以及變化的曲線都能夠很好地反映出來(lái)，對(duì)此項(xiàng)目中的雙閉環(huán)PID調(diào)節(jié)的實(shí)施，起到了很關(guān)鍵的快速整定與調(diào)節(jié)的作用，既節(jié)省了時(shí)間又提高了精度，是非常值得推薦的。

本設(shè)備是以實(shí)驗(yàn)為主的設(shè)備，因此最重要的就是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。TIA Portal軟件中的數(shù)據(jù)記錄功能又是一大利器，只需要在變量表中設(shè)定好相應(yīng)的觸發(fā)條件，就可以按照所要求的時(shí)機(jī)記錄重要的數(shù)據(jù)，并且生成Excel表格，方便保存與查看。

希望西門子公司的軟硬件繼續(xù)以用戶為中心，以方便用戶為重，并且越來(lái)越好。

參考文獻(xiàn)

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