基于S7-300可編程序控制器和WinCC的自動(dòng)水壓測(cè)試系統(tǒng)

郭　峰,　周英華

1. 上海第一機(jī)床廠有限公司　上海　201308 2. 上海喬特機(jī)電設(shè)備工程有限公司　上海　201314

基于S7-300可編程序控制器和WinCC的自動(dòng)水壓測(cè)試系統(tǒng)

郭峰1,周英華2

1. 上海第一機(jī)床廠有限公司上海201308 2. 上海喬特機(jī)電設(shè)備工程有限公司上海201314

基于S7-300可編程序控制器(PLC)、WinCC軟件、伺服電機(jī)、高壓水泵等設(shè)計(jì)了自動(dòng)水壓測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行了介紹，并給出了部分PLC程序。這一系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，并可降低水壓測(cè)試時(shí)的成本。

可編程序控制器；計(jì)算機(jī)；水壓；測(cè)試；設(shè)計(jì)

密封殼是核反應(yīng)堆驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的重要部件。在密封殼組件加工完成后需對(duì)該部件進(jìn)行高水壓測(cè)試，以記錄密封殼體的密封及變形情況。這一測(cè)試是核反應(yīng)堆驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)出廠前的關(guān)鍵工序，為此，筆者按生產(chǎn)上適用、技術(shù)上先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上合理的原則，設(shè)計(jì)了基于S7-300可編程序控制器(PLC)和WinCC軟件的自動(dòng)水壓測(cè)試系統(tǒng)[1]。

1　系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

自動(dòng)水壓測(cè)試系統(tǒng)主要用途是測(cè)試記錄密封殼工作時(shí)的實(shí)際水壓，并得到數(shù)據(jù)曲線。

系統(tǒng)主要由高壓水泵組件、工控機(jī)、S7-300 PLC、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、電動(dòng)球閥、壓力傳感器、壓力變送器、記錄儀、打印機(jī)等組成。

高壓水泵提供高壓水源，經(jīng)過(guò)電動(dòng)球閥進(jìn)入密封殼，然后關(guān)閉管道，測(cè)試密封殼在高壓密閉環(huán)境下的壓力情況。壓力測(cè)量范圍為0～40MPa,測(cè)量精度為0.5%，流量為134cm3/min，伺服電機(jī)額定輸出功率為2kW，轉(zhuǎn)速為2000r/min。系統(tǒng)中采用的調(diào)速比為1∶100，即實(shí)際轉(zhuǎn)速范圍為20～2000r/min，可控流量為1.34～134cm3/min。

升壓過(guò)程中，電動(dòng)球閥常開，系統(tǒng)通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到緩慢可控升壓要求。降壓過(guò)程中，關(guān)閉高壓水泵，程序自動(dòng)控制電動(dòng)球閥的開閉頻率，達(dá)到緩慢且可控的降壓要求。

2　系統(tǒng)硬件

高壓水泵組件由臥式四柱塞往復(fù)泵、水泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速箱、水缸、集水器、溢流閥、安全閥及水箱等部件組成。當(dāng)水泵柱塞為吸入行程時(shí)，隨水缸內(nèi)工作容積的增大，缸內(nèi)產(chǎn)生真空，水箱內(nèi)的液體在大氣壓力的作用下進(jìn)入水缸。當(dāng)水泵柱塞為排出行程時(shí)，進(jìn)水閥關(guān)閉，出水閥打開，水流經(jīng)過(guò)出水管匯集于集水器，然后輸送至密封殼內(nèi)，直至達(dá)到預(yù)定壓力，實(shí)現(xiàn)試壓。

為達(dá)到平穩(wěn)升降壓測(cè)試要求，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，在原型號(hào)為4DY-30/40的高壓水泵基礎(chǔ)上作以下改動(dòng)： ① 減小水缸缸體體積；② 將原三相交流異步電機(jī)更換為控制特性更符合試驗(yàn)要求的伺服電機(jī)，具有線性機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性，保證控制精度，當(dāng)控制電壓為零時(shí)，伺服電機(jī)會(huì)迅速自行停轉(zhuǎn)[2]。

記錄儀選用YA200R型多功能記錄儀，具有傳感器隔離配電輸出、繼電器報(bào)警輸出、壓力信號(hào)變送輸出、歷史數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存與打印，以及遠(yuǎn)程通信功能。帶標(biāo)準(zhǔn)通用串行總線(USB)2.0接口，支持USB閃存盤數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存功能。采用更為穩(wěn)定的電流信號(hào)作為壓力信號(hào)變送輸出，輸出至PLC模擬量輸入端口。

安裝于管道中的壓力傳感器用于檢測(cè)管道壓力值，選用的壓力傳感器具有良好的抗干擾性能，如抗沖擊力、抗潮濕性、抗電磁場(chǎng)力等[3]。

電動(dòng)球閥控制回路具有三種反饋信號(hào)，即開、閉、運(yùn)行信號(hào)，這樣可方便有效監(jiān)控閥門狀態(tài)，從而做到更精準(zhǔn)化的控制。

3　控制方式

自動(dòng)水壓測(cè)試系統(tǒng)的控制分為手動(dòng)方式和自動(dòng)方式兩種，其中自動(dòng)方式又包括半自動(dòng)與全自動(dòng)兩種。圖1所示為操作臺(tái)。

圖1　自動(dòng)水壓測(cè)試系統(tǒng)操作臺(tái)

3.1　手動(dòng)方式

手動(dòng)方式使用操作臺(tái)上的按鈕、選擇開關(guān)、電位器等，通過(guò)控制邏輯電路來(lái)控制閥門的開閉，以及高壓水泵的啟停、調(diào)速等。這一方式主要用于正式試驗(yàn)前對(duì)各個(gè)控制部件的功能測(cè)試及維修保養(yǎng)過(guò)程中各控制部件的排查檢測(cè)。

此外，在工控機(jī)或PLC出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)手動(dòng)方式依然可以正常使用測(cè)試系統(tǒng)，不會(huì)影響生產(chǎn)。

3.2　半自動(dòng)方式

半自動(dòng)方式用于單段升壓及保壓程序的控制，用戶可在顯示界面中設(shè)置電動(dòng)球閥的開閉及伺服電機(jī)的速度等。在PLC程序中預(yù)置啟動(dòng)速度為200r/min,加減速率為50r/min。水泵伺服電機(jī)的速度也可在屏幕左側(cè)的滾動(dòng)條中設(shè)置，記錄儀表可記錄、保存升壓和保壓過(guò)程曲線。圖2所示為半自動(dòng)方式設(shè)置界面。

圖2　半自動(dòng)方式設(shè)置界面

3.3　全自動(dòng)方式

全自動(dòng)方式下可設(shè)定多段升壓及保壓的壓力值和時(shí)間，設(shè)定完成后可執(zhí)行自動(dòng)運(yùn)行程序，同時(shí)自動(dòng)記錄、保存升壓和保壓過(guò)程曲線。圖3所示為全自動(dòng)方式試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置界面。

圖3　全自動(dòng)方式試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置界面

4　電氣控制功能

4.1　電氣線路

自動(dòng)水壓測(cè)試系統(tǒng)除常規(guī)的電源配電、PLC輸入輸出、繼電器接觸器控制部分外，重點(diǎn)環(huán)節(jié)在于伺服電機(jī)速度控制給定，圖4所示為伺服驅(qū)動(dòng)器速度給定部分電路。圖4中KA40為手動(dòng)自動(dòng)切換電磁式繼電器，需注意按被控制對(duì)象的電壓、電流和負(fù)載性質(zhì)及要求來(lái)選型[4]。手動(dòng)方式給定源由電位器調(diào)節(jié)，RP1為水泵點(diǎn)動(dòng)速度給定調(diào)節(jié)電位器，RP2為水泵額定速度調(diào)節(jié)電位器。自動(dòng)方式下速度給定由PLC模擬量輸出模塊中PAW20端口輸出，這組0～10V的直流電壓給定連至伺服驅(qū)動(dòng)器的19、20號(hào)引腳，以控制伺服電機(jī)的運(yùn)行速度。

圖4　伺服驅(qū)動(dòng)器速度給定部分電路

自動(dòng)水壓測(cè)試系統(tǒng)將伺服驅(qū)動(dòng)器的進(jìn)線、出線，以及220V電源斷路器的保護(hù)信號(hào)也作為PLC的輸入，這樣便可實(shí)時(shí)監(jiān)控各硬件的狀態(tài)。需注意的是，試驗(yàn)回路的壓力值取自記錄儀的E、F兩個(gè)端子，采用的信號(hào)類型為4～20mA 電流信號(hào)[5]。工控機(jī)與PLC通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，通信協(xié)議為傳輸控制協(xié)議和網(wǎng)際協(xié)議[6]。

4.2　PLC軟件編程

半自動(dòng)方式下速度給定控制程序如下：

L"Control".motor_setpoint1DB101.DBW60

L2000

>I

JCN_b01

L2000

T"Control".motor_setpoint1

_b01： NOP0

L"Control".motor_setpoint1

DTR

TMD110

LMD110

L9.000000e+000

*R

TMD110

LMD110

TRUNC

T"Control".motor_setpoint2∥18000=2000r/min

在半自動(dòng)方式下，如"Control".motor_setpoint1中的設(shè)置速度乘以常數(shù)9，則可得到伺服驅(qū)動(dòng)器所需要的對(duì)應(yīng)給定。

整個(gè)控制系統(tǒng)是一套全閉環(huán)的控制系統(tǒng)，比例積分微分(PID)控制可減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，并可提高響應(yīng)速度。基于上述優(yōu)點(diǎn)，PID控制在工業(yè)過(guò)程控制中得到極其廣泛的應(yīng)用[7]。

本項(xiàng)目中在OB35中插入PID控制標(biāo)準(zhǔn)程序FB41。FB41與FB42功能塊都是西門子標(biāo)準(zhǔn)化PID控制程序，區(qū)別在于FB41用于控制連續(xù)變化的模擬量，而FB42用于控制離散型開關(guān)量，本項(xiàng)目中選用FB41。

PID控制模塊接口如圖5所示。

圖5　PID控制模塊接口

主要接口說(shuō)明如下。

(1) 當(dāng)COM_RST置1時(shí)，PID執(zhí)行重啟功能，復(fù)位PID內(nèi)部參數(shù)至默認(rèn)值，DB101.DBX0.5為人機(jī)對(duì)話界面上的Reset鍵。

(2) 當(dāng)P_SEL置1時(shí)，選擇比例控制有效。在面板上選擇自動(dòng)方式(I2.2=1)時(shí)，此功能激活。

(3) 當(dāng)I_SEL置1時(shí)，選擇積分控制有效。在面板上選擇自動(dòng)方式(I2.2=1)時(shí)，此功能激活。

(4) CYCYE為 PID采樣周期，采樣周期是一個(gè)重要參數(shù)，從信號(hào)保真及控制性能角度來(lái)考慮，應(yīng)選擇一個(gè)合適值。本項(xiàng)目中采樣周期設(shè)置為200ms[8]。

(5) SP_INT為PID的輸入給定值，MD110為伺服電機(jī)速度給定值。

(6) PV_PER為PID反饋值，DB102.DBW28為壓力傳感器的反饋值。

(7) GAIN為PID增益，本項(xiàng)目設(shè)為1.5。

(8) TI為積分時(shí)間，本項(xiàng)目設(shè)為33s。

(9) LMN為PID運(yùn)算處理后的輸出，即MD120為伺服電機(jī)實(shí)際輸出值。

設(shè)置以上參數(shù)后，需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，即在各個(gè)速度給定條件下，驗(yàn)證高壓水泵及相關(guān)閥門等控制元件工作的平穩(wěn)性，以保證產(chǎn)品參數(shù)設(shè)置的可靠正確[9]。

由于本系統(tǒng)并非大功率系統(tǒng)，因此僅使用比例積分功能，并未使用微分功能。調(diào)試中先置積分參數(shù)KI為0，比例參數(shù)KP從0開始增大，直至系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩。然后設(shè)定KP為當(dāng)前值，取KI為振蕩周期的50%，這樣便可得到較好的控制效果。

在西門子Simatic Manager軟件中進(jìn)行Insert New Object/OS操作,這樣便可以在STEP7軟件中新建一個(gè)WinCC項(xiàng)目。在WinCC中，右鍵單擊OS站，選擇Rename,修改WinCC項(xiàng)目名稱。選擇Open Object便可編輯該WinCC項(xiàng)目。

4.3　WinCC軟件制作

WinCC軟件將所有設(shè)備和系統(tǒng)都完整地嵌入到一個(gè)自動(dòng)控制解決方案中，采用共同的組態(tài)和編程，進(jìn)行共同數(shù)據(jù)管理和共同通信，這樣可以大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減少大量部件接口[10]。

WinCC軟件部分的主要工作在于圖形界面的編輯。WinCC具有非常完善而強(qiáng)大的可視化功能[11]，在WinCC中使用圖形編輯器對(duì)所需要的用戶圖形進(jìn)行編輯，主要操作有插入按鈕、插入靜態(tài)文本、插入輸入輸出對(duì)話框、插入滾動(dòng)條等，圖6所示為控制圖形界面。

圖6　控制圖形界面

在完成圖形編輯的基礎(chǔ)上，對(duì)報(bào)警記錄部分進(jìn)行設(shè)定，主要的報(bào)警內(nèi)容有急停方式提示、伺服驅(qū)動(dòng)器故障、電源斷路器跳閘、參數(shù)寫入錯(cuò)誤等，還需要用標(biāo)簽記錄編輯器對(duì)測(cè)試壓力等過(guò)程變量進(jìn)行歸檔。圖7所示為試驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)表圖形界面。

圖7　試驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)表圖形界面

需要注意的是，STEP7中的符號(hào)表、共享數(shù)據(jù)塊可一次性地傳入所集成的WinCC中，這樣可以大大減少建立變量所需的工作量，同時(shí)也可以避免因大量建立變量而產(chǎn)生的錯(cuò)誤，從而省去較多的復(fù)核檢查工作，提高工作效率。

5　結(jié)束語(yǔ)

筆者從密封殼水壓測(cè)試工藝要求出發(fā)，設(shè)計(jì)了基于S7-300 PLC和WinCC的自動(dòng)水壓測(cè)試系統(tǒng)，選用合適的控制及檢測(cè)元件，采用傳輸控制協(xié)議和網(wǎng)際協(xié)議通信方式構(gòu)建控制系統(tǒng)。自系統(tǒng)投入運(yùn)行以來(lái)，工作穩(wěn)定可靠，大大降低了試驗(yàn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了企業(yè)生產(chǎn)效率。

[1] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)設(shè)備維修分會(huì).設(shè)備工程實(shí)用手冊(cè)[M].北京： 中國(guó)經(jīng)濟(jì)出版社，1999： 167.

[2] 施振金.電機(jī)與電氣控制[M].北京： 人民郵電出版社，2007： 149.

[3] 陳杰，黃鴻.傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M].北京： 高等教育出版社，2002： 9.

[4] 《電氣工程師手冊(cè)》第二版編輯委員會(huì).電氣工程師手冊(cè)[M].2版.北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2000： 552.

[5] 吳勤勤.控制儀表及裝置[M].4版.北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2013： 4.

[6] 陳章平，楊澤，沈國(guó)宇，等.西門子S7-300/400 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京： 清華大學(xué)出版社，2009： 158-159.

[7] 柳棟梁，汪玉鳳.仿人智能PID控制在無(wú)塔恒壓供水中的應(yīng)用[J].機(jī)械制造，2015，53(11)： 17-19.

[8] 何克忠，李偉.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[M].2版.北京： 清華大學(xué)出版社，2015： 164.

[9] 康瑞清.儀器與系統(tǒng)可靠性[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2012： 129.

[10] 姜建芳.西門子WinCC組態(tài)軟件工程應(yīng)用技術(shù)[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2015： 9.

[11] 王浩，王琨.基于PLC和WinCC的空氣壓縮機(jī)電控系統(tǒng)的改造[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2016，35(3)： 47-51.

(編輯： 丁罡)

An automatic hydraulic pressure test system was designed based on S7-300 PLC, WinCC software, servo motor and high-pressure pump. The hardware and software of the system was introduced and some PLC programs were given. This system is stable and reliable in operation and can reduce the cost of hydraulic pressure test.

PLC；Computer；HydraulicPressure；Test；Design

TM571

A

1674-540X(2017)04-034-05

2017年8月

郭峰(1983—)，男，本科，工程師，主要從事電氣設(shè)計(jì)、設(shè)備技改與維保等工作，E-mail: guofeng2@shanghai-electric.com