（机械电子工程专业论文）螺旋焊管静水压试验的自动控制研究.pdf

螺旋焊管静水压试验的自动控制研究 摘要 静水压试验机自动控制系统 是由水控制系统 液压控制系统 电气控制系统和 w i n c c 软件系统组成的人机可视化的操作系统 它是基于现场实际情况 液压闭环控制 系统 可编程控制系统和w i n c c 操作系统相结合应用程序 它具有良好的人机可视画 面 能动态反应打压过程的压力变化 保压时间 和对钢管打压是否合格的判别 并能 存储每根钢管的打压曲线 保压时间 合格与否的判定记录 方便查找与质量跟踪 其 设计结果能够很好的适应现场的实际需要和市场对螺旋焊管检测设备的要求 本文主要 内容如下 介绍静水压试验机目前的状况和部分结构功能 提出了静水压试验机自动控制原理与方案设计 其中包括水系统设计方案 液 压控制系统的原理及设计方案 w i n c c 软件设计方案 静水压试验机自动控制系统的建立 其中包括水系统的建立 液压控制系统的 建立 v i n c c 软件控制部分程序画面编制 属性的添加 动作的链接 使w i n c c 的可视的人机操作界面与原有的s t e p 7 相链接 并编制了记录的存储表格与曲 线和记录的查询方式 利用w i n c c 软件开发的静水压试验机的自动控制系统 该系统由控制和数据库组成 实际打压过程由w 协c c 显示控制 使打压过程保 持液压系统和水系统达到一种的动态平衡 存储每根钢管试验压力曲线和保压 时间 作为每根的质量记录的跟踪 静水压试验机主要的力学参数的计算 螺旋焊管水压力能参数的计算 静水压 试验机主液压缸油压值的计算 主液压缸的参数的确定 拉杆的结构设计 排 气阀的工作状态的确定 根据现场应用的实际情况进行静水压试验机自动控制系统的实例说明 实践表明 利用w i n c c 编制的可视化的自动控制系统能够满足静水压试验机打压 过程的要求 能够有效地利用现场资源和现有的理论知识相结合 设计结果符合现场实 际 应用效果较好 关键词 静水压试验机 自动控制 可视化 大连理工大学硕士论文 a b s t r a c t i h e h y d r o s t a t i ct e s t i n ga u t o m a t i c c o n t r o ls y s t e m1 sv i s u a l s y s t e m o fm a n m a c h i n e i n t e r f a c e i ti sc o m p o s e do fh y d r a u l i cc o n t r o is y s t e r ne l e c t r i c a lc o n t r 0 1s y s t e ma n d 珏n c c s o f t w a r es y s t e m i tw a sb a s e do nt h ep r a c t i c a ll o c a l i t yc o n d i t i o nh y d r a u l i cc l o s e dl o o pc o n t r o l s y s t e m p r o g r a m m a b l e c o n t r o ls y s t e ma n dw i n c cs o f t w a r e s y s t e m 1 1 1 ea p p l i c a t i o np r o g r a m h a saw e l lv i s u a lm a n m a c h i n ei n t e r f a c e i tc a na r i s e 丘o mt h ed y n a m i cr e s d o n s et ot h ec h a n g e p r e s s u r ea n dp r e s st i m eo f p r e s st e s t i n g a n di tc a nj u d g e w h e t h e rt h ep i p ei sc o n f o r m i t y i tc a l l a l s os t o c ke a c h p i p ep r e s s c u r v e p r e s st i m ea n d t h er e c o r do f c o n f o r m i t yo r n o n c o n f o r m i t y i t c a n s u p p l y s e a r c ha n d q u a l i t y t r a c ka tr a n d o m t h es u c c e s s f u ld e s i g nc a nw e l lf i tt h e p r a c t i c a l l o c a l i t yr e q u i r ea n dt h em a r k e tr e q u i r eo fs p i r a lw e l dp i p et e s te q u i p m e n t t 1 1 i st e x tm a i n c o n t e n t si sa sf o l l o w s i ti n t r o d u c e st h es i t u a t i o na tp r e s e n ta n d p a r ts t r u c t u r ef u n c t i o no f h y d r o s t a t i ct e s t i n g i tg a v ea u t o m a t i cc o n t r o lt h e o r ya n d p r o j e c td e s i g no fh y d r o s t a t i ct e s t i n g t h ep r o j e c t d e s i g no fh y d r o s t a t i ct e s t i n gi n c l u d et h ew a t e rs y s t e mp r o j e c td e s i g nt h et h e o r ya n dp r o j e c t d e s i g no f h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e ma n d t h ep r o j e c td e s i g no f w i n c c s o f t w a r es y s t e m t h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo fh y d r o s t a t i ct e s t i n gi n c l u d et h ew a t e rs y s t e mb u i l dt h e h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mb u i i dt h ec o n t r o lp r o c e s sp i c t u r eo r g a n i z a t i o no f h n c cs o f h a r e s y s t e m a t t r i b u t i o na d d i t i o na c t i o n c h a i n i n ge t c i t c a l lc h a l nt h ev i s u a lm a n m a c h i n e i n t e r f a c eo f c cs o f t w a r es y s t e mt oo r i g i n a l s t e p 7 t h ea u t o m a t i cc o n t r 0 1s y s t e mo f h y d r o s t a t i ct e s t i n gg a v et h ef 0 1 1 2 1o f s t o r er e c o r da n d t h ec u r v ea n dt h eq u e r ym e a n so f r e c o r d t h ea a t o m a t i cc o n t r 0 1s y s t e r no f h y d r o s t a t i ct e s t i n gi sc o m p o s e do f t h ec o n t r 0 1s y s t e r na n dt h e d a t as o c k 研1 cv i s u a lm a n m a c h i n ei n t e r f a c eo f 眦c cs o f t w a r es y s t e mc o n t r o l st h ep r e s s t e s t i n g i tc a nk e e p t h ed y n a m i cb a l a n c eo f t h ew a t e r s y s t e ma n d t h eh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m i ts t o c k st h ep r e s st e s t i n gc u r v ea n d p r e s st i m eo f t h ee a c hs t e e lp i p ea st h eq u a l i t yr e c o r do f e a c hs t e e lp i p e t h ep a r a m e t e rc a l c u l a t i o no fh y d r o s t a t i ct e s t i n gi n c l u d e st h ep a r a m e t e rc a l c u l a t i o no f s p i r a lw e l dp i p e w a t e rp r e s s u r e e n e r g y t h eh y d r a u l i cc y l i n d e ro i l v a l u ec a l c u l a t i o no f h y d r o s t a t i ct e s t i n g t h ep a r a m e t e re s t a b l i s ho f m a i n h y d r a u l i cc y l i n d e r t h es t r u c t u r ed e s i g no f p u l l e r t h eo p e r a t i o np o s i t i o ne s t a b l i s ho f e x h a u s t v a l u e a c c o r d i n g t o p r a c t i c a lo p e r a t i o ns t a t u s t h e o i lw a t e rb a l a n c ec o n t r o l s y s t e m o f h y d r o s t a t i ct e s t i n g i si l l u s t r a t e d i ne v i d e n c et h ev i s u a lw i n c cs o f t w a r ec o n t r o ls y s t e mo fo i lw a t e rb a l a n c ei sa b l et o s a t i s f y t h ed e m a n df o rp r e s s u r et e s t i n go fh y d r o s t a t i ct e s t i n g i tc a na v a l l a b l yu t i l i z et h e 螺旋焊管静水压试验的自动控制研究 l o c a l i t y s o l l r c ea n dt h e o r i e so i lh a n d t h ed e s i g nr e s u l tc o n f o r m st op r a c t i c a l l o c a l i t y c o n d i t i o n i th a sa w e l la p p l i c a t i o n k e y w o r d s h y d r o s t a t i ct e s t i n g a u t o m a t i c a u t o m a t i cc o n t r o l a u t o m a t i cc o n t r o l e n g i n e e rs y s t e mv i s u a l m 大连理工大学硕士论文 独创性说明 作者郑重声明 本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究 成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发 表或撰写的研究成果 也不包含为获得大连理工大学或其他单位的学位或证书所用的材 料 与我一同工作的同志对研究所做的贡献已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名 瘴终绎 日期 大连理工大学硕士论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导都是完全了解 大连理工大学硕士 博士学位论文版权使 用规定 同意大连理工大学保留并向国家有着部门或机构送交学位论文的复印件和 电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有着数据库进行检索 也可采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇 编学位论文 作者签名 导师签名 她年 也月j 上日 5 4 攀 螺旋焊管静水压试验的自动控制研究 第一章综述 螺旋焊管广泛用于国民经济许多领域 可做石油 天然气 煤气 矿浆 煤粉及水 等输送用管 还可以做工程结构管 打桩管等 1 1 静水压试验机在螺旋焊管生产过程中的作用 为确保螺旋焊管有稳定的质量 消除部分焊接应力 生产企业总是根据用户的要求 采用静水压试验机对螺旋焊管进行检测 静水压试验机是针对不同的管径 不同的长度 的钢管 保压时间的钢管压力检测而设计的 在螺旋焊管生产标准 如a p i g b t 9 7 1 1 1 1 9 7 g b t 9 7 1 1 2 1 9 9 9 规定的不同型号 不同钢种等级的静水压试验的压 力值 并规定出相应的保压时间 在规定的保压时间 能够发现钢管的原材料和焊缝上 是否存在着某些缺陷 针对缺陷对此钢管做出相应的判级和返修 1 2 静水压试验机部分结构和功能介绍 静水压试验机主要由拉杆 头架 尾架 充水加压和卸压系统 钢管的提升和移动 系统组成 如图1 1 所示 f 耐茜 硅盈i 瑚 l 睡 i 戤h 蟹嚣 图1 1 静水压试验机总图 大连理工大学硕士论文 f i 9 1 1t h eh y d r o s t a t i ct e s t i n ga u t o m a t i cg e n e r a ld r a w i n g 钢管首先进入到水压机的起落架上 然后 钢管上升 到打压工位 头架和尾架两 侧密封头夹紧钢管 低压注水系统向钢管内注水 而后高压水泵向钢管内注水 达到钢 管所需压力值时 开始保压 保压时间结束后 钢管卸压并泄水 钢管再次落到起落架 上 拨管臂将钢管拨出打压工位 完成一次试压过程 1 2 1 拉杆结构 拉杆采用矩形的钢板制成 选用具有良好的弹性性能的材料 根据指定范围钢管的 长度 在拉杆上开出六个由2 0 5 r a m 的孔 用来尾架的固定 静水压试验机由四根拉杆 构成 其中每根拉杆都能承受所需载荷 两根在上部两根在底部其截面如图1 2 所示 1 2 2 头架结构 图1 2 拉杆结构图 f i 9 1 2t e n s i o n b a rs t r u c t u r ed r a w i n g 图1 3 头架结构图 2 螺旋焊管静水压试验的自动控制研究 f i 9 1 3 h e a ds t o c k s t r u c t u r ed r a w i n g 头架与四根拉杆固定 下面的两根拉杆固定在基础上 头架上有夹持钢管的密封盘 密封盘通过球头与头架相连 以适应钢管不同的切斜面 密封头的移动由四个液压缸瓦 步移动控制 夹紧待打压的钢管 其部分结构如图1 3 所示 1 2 3 尾架结构 图1 4 尾架结构图 f i 9 1 4 t a i ls t o c k s t r u c t u r ed r a w i n g 尾架是静水压试验机移动的关键部件 由液压马达驱动 通过四个液压缸固定在拉 杆上 尾架上也有夹持钢管的密封盘 根据钢管的不同长度 调整尾架所在的拉杆上不 同的孔 尾架与拉杆的固定采用销结构 销的拨出与推进是由液压缸控制 实现对不同 长度的钢管进行打压 通过尾架上的水管提供充水 充压和排气 其部分结构如图1 4 所示 1 2 4 充水加压和卸压系统 静水压试验机充水是靠离心泵提供一个大容积 低压力的系统 钢管的充水初期是 靠离心泵快速充水 当低压离心水泵将管内压力达到8 0 b a r 的压力时 由高压水泵继续 打压 直到达到测试压力 其部分结构如图1 5 所示 3 大连理工大学硕士论文 图1 5 注水部分结构 f i 9 1 5 w a t e rf l o o d i n gp a r ts t r u c t u r e 1 2 5 钢管提升和移动系统 钢管的位置改变是靠机器上的液压缸压力的变化改变两个提升臂的高低来实现的 两个液压缸是通过独立的控制系统控制 以便于倒净钢管内的水 拨管臂是用于接收钢 管到打压位置 试压完成后将钢管送出打压单元的结构 如图1 6 所示 0 卜广 j 锄i 弧 0 卜1 i m 萧 苎 佩 r 一 一 鼎厅 厂 l u l虬 必 弋 飞 t i 厂 甜 一t 一 一一 1 刊 f叫 i 4 螺旋焊管静水压试验的自动控制研究 1 3 课题的提出 图1 6 钢管起落架部分结构 f i 9 1 6s t e e lp i p el a n d i n gg e a rp a r ts t r u c t u r e 虽然静水压试验机在未加自动控制系统之前能够满足一些工程要求 但随着螺旋焊 管工程对螺旋焊管质量要求越来越高 城市热力管网改造 引水工程 煤气输送等工程 招标的需要 原控制系统不足之处明显暴露出来 主要表现以下几个方面 1 液压控制系统和水系统分别独立控制 会出现液压系统压力高于水系统的压力 会损伤管端或将一些薄壁管由于两侧挤压力过大 钢管出现弯曲现象 而液压系 统压力低于水系统时还没有达到钢管的要求的试压压力时 主缸回退不能完整地 完成试压过程 2 手工的试压记录不能客观地反映试验过程的压力的变化 3 手工的试压记录不便存档和客户的方便携带 自购方从制造厂购买之日起三年 内 如购方有要求 制造厂应向购方提供这些记录 4 仅通过盘式压力表读数 出现误差的几率比较大 为解决静水压试验机的上述不足 满足工程招标的需求 为了保证每根钢管能在要 求的试验压力下试验 静水压试验机应配备能记录每根钢管试验压力和试验压力保持时 间的记录仪 配备自动或连锁装置 以防止在米满足要求 试验压力和保持时间 前将 判为合格钢管 不断提高我厂的技术水平 决定为原有的静水压试验机增加自动控制系 统 1 4 本文研究的目的和意义 考虑到静水压试验机的实际工作状态及减少投资 在原有的s t e p 7 的控制系统上 加上w i n c c 的计算机油水平衡控制系统 这样就能很好的解决静水压试验机的现场应 用不足 由于w i n c c 操作系统的采用 使打压过程有了可视的人机操作系统 能够清 楚地看出压力曲线变化情况 并能准确反映出保压时间 利用自动程序控制系统控制打 压过程 用记录库将每根钢管试验压力曲线和保压时间保存 这提供了适用于工业的图 形显示 消息 归档以及报表的功能模板 高性能的过程耦合 快速的画面更新 以及 可靠的数据使其具有高度的实用性 使新设计不但能够继承现有的结构和功能 而且使 5 大连理工大学硕士论文 整个系统的设计水平能够不断提高 满足市场和企业对静水压试验机能力的要求 能够 投资少 见效快 很好地解决了企业生产过程的难题 1 5 本文研究的内容 1 静水压试验机自动控制原理与方案设计 其中包括水系统设计方案 液压控制系 统的原理及设计方案 w i n c c 软件设计方案 2 静水压试验机自动控制系统的建立 其中包括水系统的建立 液压控制系统的建 立及软件控制系统的建立 3 在原有的s t e t 7 控制系统上加上w i n c c 的计算机操作控制系统 使人机操作系 统可视化 4 利用w i n c c 软件开发的静水压试验机的自动控制系统 该系统由控制和库组成 实际打压过程由w i n c c 显示控制 使打压过程保持液压系统和水系统达到一种 的动态平衡 存储每根钢管试验压力曲线和保压时间 作为每根的质量记录的跟 踪 5 分析打压过程中 液压系统和水系统的变化情况以及排气阀的排气的状态 建立 设计静水压试验机自动控制系统的数据库 6 调整过程设计参数 满足不同规格和型号的钢管打压要求 6 螺旋焊管静水压试验的自动控制研究 第二章静水压试验自动控制原理与方案设计 2 1 整体方案 由于静水压试验机在螺旋焊管的生产工艺中占有重要位置 因此它的控制系统必须 满足螺旋焊管检测项目的需要 如图2 1 静水压试验机工作时的简图 如图 钢管进入 到工位后 由v 形起升机构将钢管升到适当的高度 使钢管的中心与推头的中心基本 重合 钢管的端面采用胶圈端面密封 两端与头架和尾架的推头紧密结合 准备工作完 成后 由三台离心泵向钢管内快速充水 头架和尾架的放气阀均打开 将钢管内的空气 排出到钢管外 当有清水从放气阀排出时 将放气阀关闭 放气阀关闭后 测试过程自 动开始 这时关闭充水泵 打开增压泵和高压泵 增压泵向向高压泵提供水 当达到预 先设定的压力值时 高压泵自动关闭 自动保压计时 达到预先设定保压时间 放气阀 自动打开 基本的测试过程结束 针对以上钢管的打压过程设计了相应的控制系统方案 1 水系统设计方案 2 液压控制系统设计方案 3 电气控制系统设计方案 略 4 w h c c 软件设计方案 7 大连理工大学硕士论文 2 1 静水压试验机工作简图 f i 9 2 1t h eh y d r o s t a t i ct e s t i n ga u t o m a t i co p e r a t i o np r o v i s i o n a lm a p 2 2 水系统设计方案 针对螺旋焊管不同规格和型号 其管径也不相同 最大的管径为2 0 3 2 m m 其体积 约为3 7 7 立方米 因此要求此系统具有快速为管内充水的能力 我们选择三台低压离 心泵同时向钢管内快速充水 以尽快缩短充水时间 当钢管内充满水后 还应能继续向 管内充水 使钢管内的压力能达到螺旋焊管生产标准要求 这样系统得有快速使钢管内 的压力升高的设备 我们选择增压泵和高压泵各一台 由增压泵向高压泵提供水由高压 水泵输出的高压水快速注入到钢管内 达到系统高压的要求 如图2 2 1 静水压试验机 水系统设计方案简图 2 2 1 水系统设计方案简图 f i 9 2 2 1w a t e rs y s t e md e s i g np r o j e c tp r o v i s i o n a lm a p 2 3 液压控制系统原理及设计方案 在静水压试验机中很多的功能部件均用到了液压控制 如钢管进入打压工位后的升 降 尾架的移动 推头与钢管管端结合的调整等 本论文中 我主要阐述液压闭环控制 的设计方案 2 3 1 液压闭环控制的原理 8 螺旋焊管静水压试验的自动控制研究 所谓液压闭环控制系统是指 管端的锁紧油压与管内的试验水压相平衡 水压实际 值的大小控制着油压实际值的大小 从而改变了管端的锁紧力 即满足了工艺要求又对 管端做了有效保护 具体分为两部 1 油压自身闭环控制 实际油压值与给定油压值的差值经比例积分调节器后 通过 控制伺服阀的开口度来控制油压 使实际油压值趋于给定油压值 完成自身的闭环 控制 2 给定油压 在油缸上安装了一个压力传感器检测油压值 它将实际油压值 m p a 以模拟信号的形式输送给可编程序控制器的模拟量输入块 在程序中按实际水压值 计算出管两端的锁紧力 公式为 p 计算油压 1 2 x np 实际水压 d 2 t 2 4 2 其中 d 一钢管外直径 m m t 一管壁厚 1 l l m 当实际水压值发生变化时p 计算油压值也随之发生变化 保证了管端锁紧力随着水压值的 变化而进行实时调整 其中在整个钢管试验中 为了保证注水时两端有一定的压力值需设定预紧力 在 程序设计时考虑到由于管径不同 测试压力值不同 预紧力进行了分段式地设定 例如 d 5 2 9一p 预紧力 1 5m p a 5 2 9 d 1 0 2 0 一p 预紧力 2 0m p a 1 0 2 0 d p 预紧力 3 0m p a 当油压值小于预紧力时 油压以预紧力输出 即油缸以预紧力锁紧管端 当油压值大于 等于预紧力时按p 计算油压公式输出 2 3 2 主液压缸控制方案的确定 9 大连理工大学硕士论文 根据给定的设计的参数 钢管的最大直径为2 0 3 2 m m 钢管的长度为8 1 2 m 钢 种等级为x 7 0 级 钢管两端的最大锁紧力为2 5 0 0 吨 对应的最大测试压力为2 1 1 m p a 这样主液压的主要参数确定为活塞直径为9 0 0 m m 活塞杆直径为6 0 0 m m 具体计算在 第四章给出 为使主液压的移动满足部分长管 短管打压要求 将主液压的行程确定 为1 5 0 0 m m 系统最大压力为2 5 m p a 如何解决如此大量的液压缸的油液输入和输出问 题呢 经过反复考虑 采用辅助缸和高位油箱来解决此问题 如图2 3 2 1 所示 当主液压缸前端的推头需要与钢管管端结合 由辅助缸充液带 动主液压缸活塞杆快速移动 主液压缸液控单向阀打开 自高位油箱向主液压缸内快速 补油 当推头接触到钢管管端时 油压升高超过设定的压力时 高压油同时进入辅助缸 和主液压缸 此时活塞进行慢速前进进行增压 2 3 2 1 用辅助缸增速回路简图 f i 9 2 3 21 a u x i l i a r yc y l i n d e ra c c e l e r a t i o nc i r c u i tp r o v i s i o n a lm a p 2 3 3 液压闭环控制系统的设计方案 在水系统设计方案中指出 高压泵向钢管内快速充水 使钢管内的压力升高 这时 需要以水压值来控制油压值 使钢管两端的夹紧推头的夹紧压力与钢管内的水压相平衡 1 0 螺旋焊管静水压试验的自动控制研究 并保持预定的保压时间 然后卸压 完成一个工作循环 因此在静水压试验机的高压水 供水管路安装了一个压力变送器检测水压值 它将实际水压值传给可编程控制的p l c 中 与油压值相对比 从而调整油压系统的压力 满足钢管打压的需要 为使油压值跟随水压值的变化而变化 我们采用了具有跟随 随动功能的电液伺服 阀 电液伺服阀是静水压试验机中液压闭环控制系统的关键元件 它将小功率的电讯号 输入转变成大功率的液压输出 电液伺服阀与反馈检测元件压力传感器相配合 形成闭 环控制系统 对输出的物理量进行高精度的自动控帝i 2 3 3 液压闭环控制系统原理图 f i g 2 3 3h y d r a u l i cc l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e m p r i n c i p l ed r a w i n g 2 4w i n c c 软件设计方案 2 4 1w i n c c 操作系统的选择 从平时收集的资料和相关行业静水压试验机的控制系统的借鉴 我们决定采用 w i n c c 操作系统 它有如下的主要功能 1 w i n c c 能够提供工业标准数学模型库和控制功能库 组态模式灵活 满足 用户所需测控要求 能对测控信息的历史记录进行存储 显示计算分析打印 界面操作方便灵活 2 采用双重安全性体系 数据处理安全可靠 大连理工大学硕士论文 w i n c c 组态软件向下通过c n t 控制网界面 与数据采集的硬件设备进行 通信 向上通过t c p i p 与高层管理网互联能与多种通信协议互联 支持多 种硬件设备 可以满足不同测点要求 能在冶金 机械电力 矿山 化工等 各行业中通用 支持h t a l 可浏览因特网 为国际间合作 网际信息处理 过程监视提供有力的工具 w i n c c 具有强大的通信功能与良好的开放性 丰富的画面显示组态功能 给用户提供了丰富方便的作图工具 同时提供大 量常用的工业设备图符 仪表图符 提供趋势图 历史曲线 组数据分析图 等 能够利用可视化编程工具 以图形的方式绘制各种各样的现场控制设备 编 制符合要求的控制程序 直接用鼠标操作开关 按钮 既可以模拟仿真 又 可以直接与p l c 通信 实现软件对硬件的控制 利用面向对象技术和动态连接库技术 w i n c c 极大地丰富了控制系统的显 示画面和编程环境 从而灵活方便地实现多任务操作 w i n c c 组态软件基于r i c h w i n 中文平台及可视化 有效地实现了汉字的录 入编辑与显示 随着硬件性能的提高而价格的下降 将该组态软件安装在高 性能的计算机上 可以满足控制系统趋势图 历史曲线等方面的工艺要求 w i n c c 组态软件具有较大的测控点 规模与优越的性能价格比 支持1 0 0 0 3 0 0 0 点的控制器 能将p l c 的快速逻辑融于d c s 之中 实现调节量 逻辑 量 顺序控制量等集成化控制策略 2 4 2 w i n c c 与静水压试验机控制系统连接 静水压试验机原控制系统是由s t e p 7 p l c 控制 w i n c c 与s t e p 7 p l c 相连使原有 的控制系统有了更好的人机结合的可视化的操作系统 1 2 o 螺旋焊管静水压试验的自动控制研究 因为只有静水压试验机应用w i n c c 操作系统 所以采用单用户项目 单用户项目 是单个操作员终端 在计算机上可以完成组态 操作 与过程总线的连接以及项目数据 的存储 h n c c 可视化 选项 数据库 厂 w i n c c 一 服务器组件 1 0 0 对于 下部开口的 数值范围 例如 59 1 6 85 8 1 4 1 3 2 1 9 17 57 5 85 8 2 1 9 1 5 0 88 58 5 2 0 5 0 89 09 0 4 2 静水压试验压力超过规定最小屈服强度的9 0 时对管端负荷的补偿 采购方和制造厂协商 可采用下列方法确定静水压试验压力 4 2 1 水压试验时 如压力值相当于应力超过规定最小屈服强度的9 0 为防止钢管变 螺旋焊管静水压试验的自动控制研究 形 制造厂可采用计算方法对旋转于管端上产生纵向压应力的压力进行补偿 计算方法 以巴洛 b a r l o w 公式为依据 并依据最大剪切理论确定的系数予以修正 该计算方法 仅适用于试验压力超过规定最小屈服强度的9 0 在任何情况下 试验表压不得低于采 用巴洛公式地规定最小屈服强度的9 0 时计算的压力 该计算方法是有效环向应力 s e 的近似计算方法 在工厂的试验条件下比较实用 4 2 2 计算的试验压力应圆整到最邻近的l o p s i 1 0 0 k p a 4 2 3 用于补偿管端负荷的静水压试验压力应采用下列公式计算 s e 一旦垒 p 1 5 音 2 f p 式中 a 钢管内径横截面积 八一管壁横截面积 久一主液压缸横截面积 i n 2 n l l n 2 p 广 一静水压试验压力 p s i k p a p r 一端面密封主液压缸内压力 p s i k p a s 一有效环向应力 p s i k p a 其值等于规定最小屈服强度的百分数 d 钢管规定外径 i n r a m 卜稍管规定壁厚 i n r a m 4 2 4 根据钢管和液压缸内压测量结果而控制有效环恳应力的方法随着水压机系统设计 的不同而不同 4 3 静水压试验机油压值计算 静永压试验机油压值根据生产实际的调试应取1 2 倍的水压值 按照螺旋焊管生产 标准或合同的需要的保压时间进行保压 保压时间结束 主液压缸回退 完成一次试压 过程 3 7 大连理工大学硕士论文 主液压缸在工作过程中所受的推力 f 至 里二 生 1 4 式中 f 一主液压缸工作推力 d 钢管规定外径 i n r a m 卜钥管规定壁厚 i n m m p 一静水压试验压力 p s i 好a 4 4 主液压缸强度校核 4 4 1 液压缸的输出力 双作用活塞式液压缸的推力f f p a 1 0 3 1 式中 f 一双作用活塞式液压缸的推力k n p 一工作压力m p a a 一液压缸的作用面积m 2 a 导 础一妒埘2 a t 巾a l 一活塞直径m 巾m m 一活塞杆直径m 4 4 2 液压缸内径o a l 的计算 根据载荷力的大小和选定的系统压力来计算液压缸内径由a l 根据4 4 1 中的 1 式可得 雄 3 5 7 x 1 0 2 j 式中 a l 一液压缸内径m f 一液压缸推力k n p 一选定的工作压力m p a 液压缸的推力可根据螺旋焊管的管径 材质 壁厚及标准所要求的最大的推力约 1 2 0 0 吨 工作压力可根据液压泵的能力及液压管路的直径等原因综合考虑 暂定工作压力为 3 8 螺旋焊管静水压试验的自动控制研究 2 5 m p a 中a l 8 1 0 m m 圆整后取液压缸内径9 0 0 m m 4 4 3 根据强度要求计算活塞杆中埘 当活塞杆在稳定状态下仅受轴向载荷时活塞杆直径按简单拉压计算 此时 厅r 删玎 5 7 赳旷2 1 面 式中 0 一活塞杆材料的许用应力m p a 当活塞杆为碳钢时 0 1 0 0 1 2 0 m p a f 一活塞杆输出力n 中m m 5 4 0 m m 圆整后取活塞杆直径为6 0 0 m m 4 5 拉杆强度校核 为使水压机能承受1 2 0 0 t 的力 及短管打压的功能 采用销与头架和尾架固定连接 按每个销能承受1 2 0 0 t 拉力计算 4 5 1 拉杆与销的结构与校核 l 按舅切强厦条件计算o t 罟 阮 q 导 半堋 舱晶 肛等 翮q 式中 t 一剪切强度m p a 剪切强度极限m p a 0 一剪切力 3 9 a 一剪切面积 大连理工大学硕士论文 j 擦心 弋v 砭 i 么 108 0 4 5 钢调质后ob 6 5 0 m p a 0 6 o 7 ob t b 0 6 6 5 0 3 9 0 m p a d 懈 竺些 0 1 3 9 9 0 1 4 0 m 扛 痂2 忑五丽枷 1 3 9 9 枷 1 4 嘶 d 1 4 0 m m 所以取销直径d 2 0 0 m m 2 挤压强度校核 铲去 h 式中 p b 一挤压力 a b 一计算挤压面积 实际挤压面的投影面 直径平面 b 一挤压应力 ob s 一许用挤压应力 对于钢材一般取 b 1 7 2 o o 盯 阜 型 4 0 0 m p 彳 1 5 0 x 2 0 0 ob s 1 8 x 6 5 0 1 1 7 0 m p a 螺旋焊管静水压试验的自动控制研究 ob s 1 2 0 0 t 满足设计要求 2 拉杆挠度校核 上部两根拉杆由于重力作用会有下挠 估算两跨距为1 5 0 0 0 m m 4 1 大连理工大学硕士论文 儿 堕 4 8 e 式中 g 一拉杆的重力 g 4 4 2 0 0 x 1 5 0 0 0 x 7 8 5 1 0 5 2 0 4 5 5 k g 5 2 0 4 5 5 n l 一两跨距间的长度l 1 5 0 0 0 m m i 一惯性矩取惯性矩为1 3 7 9 5 2 5 2 4 2 m m 4 e 一弹性模量1 6 m n 的弹性模量为1 9 6 g 口a r 型羔 型 1 3 5 3 4 m 4 8 x 1 9 6 x 1 0 x 1 3 7 9 5 2 5 2 4 2 实际两跨之间的距离为1 5 3 3 0 m m g 4 4 2 0 0 x1 5 3 3 0 7 8 5 x 1 0 一 5 3 1 9 0 5 k g 5 3 1 9 0 5 n 以 坠擘 1 4 7 6 5 埘州 4 8 1 9 6 1 u 1 3 7 9 2 5 2 4 2 v c 黼v c 志 器划 3 3 聊聊 所以v c v c 满足要求 4 5 3 销孔衬套的选用 由于衬套需与拉杆焊接 必须选用高强度焊接性能好的材质 经过比较选用1 5 m n t i 采用正火处理 焊接性能好 切割加工性能好适用于制作载 荷较大的连接构件 销孔外强度校核 由p 盯 x a 式中 p 一此销孔位置截面所能承受最大的力 p 盯s 1 6 m a 1 盯i j s w a 2 4 2 衬套壁厚取4 0 e l m 时 螺旋焊管静水压试验的自动控制研究 p o s 1 6 a l t 1 5 m x a 2 2 9 5 3 0 x 1 5 0 x 2 1 6 0 x 4 0 x 2 3 7 5 4 0 1 5 0 2 1 1 0 9 3 i t 1 2 0 0 t 勉强满足要求 衬套壁厚取7 0 m m 时 p 盯j 1 6 m x a l t 1 5 a 2 2 9 5 x 3 0 x 1 5 0 x 2 1 0 0 x 4 0 x 2 3 7 5 x 7 0 x 1 5 0 x 2 1 2 8 9 t 1 2 0 0 t 所以取衬套壁厚为7 0 m m 4 5 4 拉杆支柱受压失稳校核 此支柱为1 6 m n 焊接结构 p g 塑 2 6 5 9 5 2 5 n 22 e 1 9 6 g p a l 1 8 2 0 m m 惯性矩i z 6 0 4 7 5 6 6 5 4 1 7 0 m m 4 i v 5 0 0 7 2 9 0 5 3 0 6 8 1 m m 4 4 3 大连理工大学硕士论文 i z 臼勺惯性半径小抗弯刚厦最小梁厦最大 a 8 3 0 0 m m 3 f 2 ilz 6 0 4 7 5 6 6 5 4 1 7 0 7 2 8 6 2 2 4 7 肌 2 i 2 6 9 9 3 r a m 等 等笋黾 计鼽 言 鹰等 s o 粥 计算临界应力 校核稳定性 因为旯m a 为短粗管 不存在稳定性问题 只有强度问题 临界应力为屈服强 度0 或强度条件ob 采用抛物线公式计算临界应力 斗榭l z s e x 0 4 i 蠢1 2 l 2 9 4 2 8 舰 只 a o c 0 0 0 8 3 x 2 9 4 7 8 x 1 0 6 2 4 4 6 6 k k 生 2 4 4 6 6 x 1 0 39 1 9 9 7 p2 6 5 9 5 2 5 此杆稳审 4 6 排气阀工作状态的确定 静水压试验机在给钢管内注水时 管内会存有一定量的气体 影响打压的效果 试验时管内的空气要尽可能排空 否则由于空气的可压缩性 将使压力波动较大 曲线 不够平滑 因此在升压前需将管内的气体排出 根据功能需要在头架和尾架上各安装一 排气阀装置 以便将管内的气体排出 螺旋焊管静水压试验的自动控制研究 图4 3 排气阀打开状态 f i 9 4 3 t h eo p e n i n gm o d e o fe x h a u s tv a l v e 在打压初期 排气阀状态如图4 3 所示 三台离心泵在低压状态下快速向管内充水 当低压离心水泵将管内压力达到8 0 b a r 的压力时 由高压水泵继续注水 排气阀处于开 启状态 将钢管内部存在的气体通过打开的锥形阀口排出 图4 4 排气阀关闭状态 f i 9 4 3 t h ec l o s e d m o d eo f e x h a u s tv a l v e 高压泵继续向钢管内注水 当钢管内的压力达到系统控制的压力时 排气阀上的液 压缸推动锥形阀 将排气阀口关闭 排气阀上的液压缸压力应高于水系统的压力 达到 要求的保压时间后 液压缸卸荷 排气阀打开 完成一次打压过程 4 5 大连理工大学硕士论文 第五章实际应用举例 以设计中4 2 6 7 1 2 0 0 0 材质为q 2 3 5 b 级钢管为例 说明本静水压试验机自动控 制系统的设计过程 打开计算机自动进入测试程序 在测试界面先根据钢管生产及测试 工艺要求输入各项参数如 工程名称 工程编号 产品规格 执行标准 钢管直径 钢 管壁厚 材质及钢级 钢管卷号 钢管管号 班次 试验压力 保压时间 操作者等 这些参数可以作为记录储存也可以与水压记录曲线同表输出 如图5 1 静水压试验机自 动控制操作界面 参数输入完毕进行确认后 即进入测试状态 该操作是人为先后启动 低 高压水泵向管内注水 水注满时关闭低压水泵及排气阀开始升压 当压力值达到设 定值时自动停止高压水泵进行保压 此时程序界面上显示水压值的实时曲线 在保压达 到设定的保压时间时 系统将根据实际水压值与设定值相差是否超过标准要求值来判断 钢管检测的合格情况 检测报告自动存入计算机 此时可人为决定检测结果是否打印 或集中打印 上述操作完成后自动返回初始状态准备检测下一根钢管 5 1 静水压试验机自动控制操作界面 f i 9 5 1 t h ea u t o m a t i cc o n t r o li n t e r f a c eo f h y d r o s t a t i ct e s t i n ga u t o m a t i c 螺旋焊管静水压试验的自动控制研究 在查询界面可对测试记录及测试曲线进行查询 记录界面可查看全部的测试记录 如图5 2 静水压试验压力记录的数据库 可供集中打印和刻录光盘 图5 2 静水压试验压力记录的数据库 f i 9 5 2 t h ed a t as h e do f h y d r o s t a t i ct e s t i n gr e c o r d 查询到如图所示的静水压试验压力记录的数据库后 如果想继续查询某根钢管的记 录及压力曲线 可做如下单根钢管的静水试验压力查询记录 如查询的钢管记录存在数 据库中 就会有下图5 3 单根钢管查询记录显示和5 4 压力曲线显示 5 3 单根钢管查询记录 4 7 大连理工大学硕士论文 f i 9 5 3 t h eq u e r y r e c o r d o f s i n g l es t e e l p i p e 压力曲线显示 f i 9 5 4 t h ed i s p l a yo f p r e s sc u r v e 螺旋焊管静水压试验机的自动控制系统已基本完成 我厂正处于试用阶段 以上的 图片均为我厂在给中石化生产击4 0 6 4 x 7 1 x 1 2 0 0 材质为x 6 0 管线钢的静水