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1、太原科技大学毕业设计（论文）目录摘要IIIAbstractIV第1章 水压试管机介绍11.1水压试管机分类11.2水压试管机平衡及密封原理11.3水压试管机液压控制方案21.4 水压试管机计算机监控系统设计31.4.1 系统描述31.4.2 计算机监控系统设计41.4.3 结论7第2章 PLC及S7-200简介82.1 PLC简介82.1.1 PLC发展82.1.2 PLC 内部结构图102.1.3 PLC的基本结构112.1.4 PLC的工作原理112.1.5 PLC的应用领域132.1.6 PLC未来展望142.2 S7-200简介142.2.1 S7-200系列优点142.2.2 S7-
2、200 的CPU介绍152.2.3 S7-200的特性16第3章 串行通信接口技术173.1 用自由口模式创建用户定义的协议173.2 自由口模式下PLC与计算机的通信173.2.1通信协议173.2.2 指令格式定义18第4章 水压试管机下位机通讯模块的设计224.1 PLC程序执行过程224.2 程序清单224.21 MAIN主程序：234.2.2 Read子程序:244.2.3 Write子程序:264.2.4 Verify子程序：274.2.5 Initialize子程序：294.2.6 RCVcomplete中断程序:324.2.7 XMTcomplete中断程序:33总结35参考文
3、献36致谢37水压试管机监控系统 下位机通讯模块设计摘 要本设计用可编程控制器（PLC）与工业计算机实现对钢管的水压密封试验。本文对通讯模块的系统设计将两者结合，由PLC完成对现场设备的直接控制，同时通过串行总线与工业计算机通信用来实现设计要求。 本设计首先对试管机的原理概述，并给出了对其设计的一套方案；其次对设计所需要的PLC及S7-200的特点进行介绍，由此可见PLC的优越性，然后又对自由口及通信协议进行了诠释，对设计程序时提出了要求；最后就是此次设计的程序的要点。本次设计通过四个章节对水压试管机进行从原理到软件实现的流程，最终完成整个设计。关键词：通讯，PLC，协议Hydrostatic
4、 test machine control systemThe communication module designAbstractThis design with programmable logic controller (PLC) and industrial computer for the hydraulic sealing test tube. Based on communication module system design will finish by combination of PLC, the direct control, and through serial b
5、us and industrial computer communication to realize the design requirements.The design principle of the first test-tube machine, and presents the design of a set of solutions, Next to the needs of design of S7-200 PLC and characteristics, thus the superiority of PLC, then to freedom and the communic
6、ation protocol, put forward to design program requirements, Finally, the design procedure is the key. The design of hydraulic pressure tube through the four chapters from principles to machine to process of software, complete the whole design.Keywords: Communication, PLC, The agreementIII第1章 水压试管机介绍
7、在我国的钢管生产企业中广泛使用水压试管机对钢管进行水压实验，确保产品质量。水压试管机试压的流程是：送料机构把钢管送至水压机的预定密封位冲水头和排气头内的径向预密封加压充水排气增压保压卸压径向预密封卸压冲水头和排气头退回钢管退出。在整个过程中冲水头和排气头的径向预密封加压环节非常关键，如果不能及时完成径向预密封加压，水压机将无法增压。1.1水压试管机分类水压试管机根据其密封型式可分为径向密封水压试管机和端面密封水压试管机。径向密封采用与焊管内径或外径配合密封圈。通过密封圈的受压膨胀实现管壁密封，其优点是钢管夹紧和抽出都很容易，密封可靠，钢管轴向受力小，不易弯曲，但密封头结构较为复杂，规格较多；端
8、面密封依靠密封材料在管口端面被压迫产生弹性变形而达到管口密封的效果，其优点是试验头结构简单，通用性好，但对密封材料性能和油水压差比例伺服控制系统要求较高。1.2水压试管机平衡及密封原理 水压试管机广泛应用于国民经济的各个领域。被试管件有螺焊管、无缝钢管等，试验压力从7.5MPa一120MPa不等。水压试管机也有多种结构形式。大部分水压试管机有一个共同点，移动端采用液压平衡缸与水压相平衡技术，见图1.1，是水压试管机的关键技术之一。图1.1 移动端与被试管件水压试管机的预密封加压原理图如图1.2所示。当水压试管机的送料机构把钢管送至水压机的预定密封位后，排气头装置向前运动把钢管推入充水头，接着预
9、密封装置开始对位于充水头和排气头装置内的密封圈进行加压，使密封圈产生变形与钢管外壁紧密结合形成密闭空间，这一过程称为预密封。进行预密封时，预密封增压器的水缸活塞杆在液压缸的带动下首先伸出，使水缸内的容积增大产生负压；在负压的作用下，储水罐内的水经过单向阀1被吸入水缸内，此时单向阀2处于关闭状态；当预密封增压器的活塞杆反向运动，活塞杆向水缸内回缩，把水缸内的水加压排除；经过加压的水打开单向阀2，然后顺序流过卸压阀、梭阀3和4进入位于充水头和排气头装置内的密封圈的径向加压槽内，对密封圈进行施压，密封圈受力变形与钢管外壁紧密结合形成密闭空间。改预密封方式的优点是结构简单，但也存在着明显的缺陷，即吸水
10、过程中单向阀2必须处于反向关闭状态。若单向阀2反向关闭不严将导致已流入密封圈径向加压槽内的高压水反向流出，密封圈会因水压降低离开钢管外壁引发密封失效；在实际使用中，由于试压用水的清洁度较低，经常会造成单向阀2丧失反向关闭功能，从而影响到水压机的正常使用。图1.2 水压试管机的预密封原理图1.3水压试管机液压控制方案随着我国石油天然气业的快速发展，油井深度的不断增加，对管线管、流体管、油管、套管不仅需求量日益增加，而且钢级要求亦有很大的提高。这些管子在出场前很重要的一道工序就是进行高压水压试验。48178高压水压试管机是两支钢管同时试压的高效试压设备。试压流程为下送料上试压方式，通过步进运输机将
11、钢管从一个工位送到另一个工位，生产线中有冲洗、试压、空水工位。在冲洗工位完成钢管的一端对齐、冲洗、测长等功能；在试压工位完成对钢管夹紧对中升起向试压中心送料、充水头和排气头前进至预定密封位、径向预密封加压、充水排气、增压、保压、卸压、径向预密封卸压、充水头和排气头退回、钢管下降松开；在空水工位对钢管进行空水。步进运输机有两种步距：800mm和1600mm，均由液压缸驱动，它负责完成整个试压过程中的接料和送料，要提高整个生产线的节奏，步进运输机的运行必须又快又稳。为了提高生产线的工作效率，在试压工作的同时，步进运输机的一些动作仍在执行，该设备有很高的自动化水平。试压中心与送料中心有700mm的落
12、差，试压时控制试压架升起的2个液压缸必须有700mm的垂直行程且必须同步，在液压系统中采用了分流马达控制满足了设备对同步举升的要求。管子试压时，两端的密封虽然采用的是大间隙密封，但间隙只不过10mm左右，为了延长装在充水头和排气头内密封圈的寿命，也为了避免试压架撞机架，试压架必须升起平稳快速、停靠准确，同时冲水头和排气头的前进也要平稳可靠。48178高压水压试管机的试压介质是乳化液，也就是说被试钢管中充满乳化液，靠外力压缩乳化液压力升高达到试压的目的。目前，液压泵和油阀的耐压已经比较高，而且性价比很好，因此我们采用油增水的方法，通过高压增压器来实现试验压力110 MPa的高压。高压试管时，不仅
13、要保压曲线平稳，而且要效率高。这就要求液压系统既要快速升压又要平稳卸压。该设备所试的最大管子直径为l778mm、长度15m，因此，快速充水、排气高压试管时密封可靠这一性能给液压系统又提出了更高的要求。1.4 水压试管机计算机监控系统设计 螺旋焊管是天然气等气体输送工程所使用的重要焊接管材，其质量的优劣直接影响到整个输气工程的安全及可靠，甚至关系到人身安危。为此，我们基于PLC和工业控制计算机以及触模屏，设计了一套水压试管机计算机监控系统。1.4.1 系统描述水压试管机系统由水压系统和液压系统及被试焊管组成。（1）水压系统 水压系统由高压水站和低压水站组成，包括2台400m3/h、37kW的低压
14、水泵和电机、2台75L/min、45kW的高压水泵、循环水池、清水池、各种控制阀及其它辅助组件，该系统在低压卸荷阀、充水阀、电磁换向阀等控制阀的控制下完成冲渣、低压充水和卸水、增水压、保压和减水压等工序。系统要求试压介质（水）的最高压力为20.7MPa，水压系统最高水压可达25MPa。（2）液压系统 液压系统由主液压站和副液压站、各种控制阀及液压辅件组成，包括额定流量分别为100L/min和25L/min、额定压力分别为12MPa和32MPa的液压泵、电机、加热器、液位计、磁性滤油器、先导式溢流阀、电接点温度表、电接点压力表等液压辅件。液压系统专为电液比例加载系统和多个工作油缸提供液压油；电液
15、比例加载系统由电液比例溢流阀、单向节流阀、直动式溢流阀、充液阀、充液箱、主液缸、压力传感器、三位四通电磁换向阀等组成，主要完成对被试螺旋焊管活动堵头（直接和主液缸的柱塞杆相连）的加压，以保证当水压增大时加在活动堵头上的力能随之增大，并总是大于水压对堵头所产生的力，达到精确控制水压增长。副液压站和辅助控制系统主要完成被试管的定位（移动和升降）、低压充水和卸荷、放气和集气管动作、往复缸的动作、机架和插销的移动等系统功能。整个系统的工作过程如下：首先启动主副液压泵和高低压水泵，通过移动管子和托辊升降使被试管子定位到所要求的位置；打开充水阀，关闭低压卸水阀，完成冲渣；开动往复缸封堵管子两端并启动电液比例加载系统给活动端堵头预加载，然后给被试管大流量充水；待水充满后关闭低压卸水阀同时打开高压进水阀，给被试管子充高压水，同时电液比例加载系统通过主液缸加压和PID控制使作用在管子堵头上的压力随着水压上升逐步增大；水压达到设定值后，系统保压1540s，可根据保压情况确定焊管合格与否；保压时间到，先通过卸水球阀卸压，再打开高压卸水阀和放气阀使管内卸压，同时电液比例加载系统随之卸荷；最后，打开充液阀，让往复缸带动堵头离开管端，然后移动管子，下降托辊，
