基于S7-300可編程序控制器和WinCC的自動水壓測試系統(tǒng)

郭　峰,　周英華

1. 上海第一機床廠有限公司　上海　201308 2. 上海喬特機電設備工程有限公司　上海　201314

基于S7-300可編程序控制器和WinCC的自動水壓測試系統(tǒng)

郭峰1,周英華2

1. 上海第一機床廠有限公司上海201308 2. 上海喬特機電設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、高壓水泵等設計了自動水壓測試系統(tǒng)，對系統(tǒng)的硬件和軟件進行了介紹，并給出了部分PLC程序。這一系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，并可降低水壓測試時的成本。

可編程序控制器；計算機；水壓；測試；設計

密封殼是核反應堆驅動機構中的重要部件。在密封殼組件加工完成后需對該部件進行高水壓測試，以記錄密封殼體的密封及變形情況。這一測試是核反應堆驅動機構出廠前的關鍵工序，為此，筆者按生產上適用、技術上先進、經濟上合理的原則，設計了基于S7-300可編程序控制器(PLC)和WinCC軟件的自動水壓測試系統(tǒng)[1]。

1　系統(tǒng)構成及工作原理

自動水壓測試系統(tǒng)主要用途是測試記錄密封殼工作時的實際水壓，并得到數據曲線。

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

高壓水泵提供高壓水源，經過電動球閥進入密封殼，然后關閉管道，測試密封殼在高壓密閉環(huán)境下的壓力情況。壓力測量范圍為0～40MPa,測量精度為0.5%，流量為134cm3/min，伺服電機額定輸出功率為2kW，轉速為2000r/min。系統(tǒng)中采用的調速比為1∶100，即實際轉速范圍為20～2000r/min，可控流量為1.34～134cm3/min。

升壓過程中，電動球閥常開，系統(tǒng)通過伺服驅動器控制伺服電機轉速，達到緩慢可控升壓要求。降壓過程中，關閉高壓水泵，程序自動控制電動球閥的開閉頻率，達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泵、水泵驅動電機、減速箱、水缸、集水器、溢流閥、安全閥及水箱等部件組成。當水泵柱塞為吸入行程時，隨水缸內工作容積的增大，缸內產生真空，水箱內的液體在大氣壓力的作用下進入水缸。當水泵柱塞為排出行程時，進水閥關閉，出水閥打開，水流經過出水管匯集于集水器，然后輸送至密封殼內，直至達到預定壓力，實現試壓。

為達到平穩(wěn)升降壓測試要求，經過試驗，在原型號為4DY-30/40的高壓水泵基礎上作以下改動： ① 減小水缸缸體體積；② 將原三相交流異步電機更換為控制特性更符合試驗要求的伺服電機，具有線性機械特性和調節(jié)特性，保證控制精度，當控制電壓為零時，伺服電機會迅速自行停轉[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、繼電器報警輸出、壓力信號變送輸出、歷史數據轉存與打印，以及遠程通信功能。帶標準通用串行總線(USB)2.0接口，支持USB閃存盤數據轉存功能。采用更為穩(wěn)定的電流信號作為壓力信號變送輸出，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、抗電磁場力等[3]。

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

3　控制方式

自動水壓測試系統(tǒng)的控制分為手動方式和自動方式兩種，其中自動方式又包括半自動與全自動兩種。圖1所示為操作臺。

圖1　自動水壓測試系統(tǒng)操作臺

3.1　手動方式

手動方式使用操作臺上的按鈕、選擇開關、電位器等，通過控制邏輯電路來控制閥門的開閉，以及高壓水泵的啟停、調速等。這一方式主要用于正式試驗前對各個控制部件的功能測試及維修保養(yǎng)過程中各控制部件的排查檢測。

此外，在工控機或PLC出現故障時，通過手動方式依然可以正常使用測試系統(tǒng)，不會影響生產。

3.2　半自動方式

半自動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置電動球閥的開閉及伺服電機的速度等。在PLC程序中預置啟動速度為200r/min,加減速率為50r/min。水泵伺服電機的速度也可在屏幕左側的滾動條中設置，記錄儀表可記錄、保存升壓和保壓過程曲線。圖2所示為半自動方式設置界面。

圖2　半自動方式設置界面

3.3　全自動方式

全自動方式下可設定多段升壓及保壓的壓力值和時間，設定完成后可執(zhí)行自動運行程序，同時自動記錄、保存升壓和保壓過程曲線。圖3所示為全自動方式試驗參數設置界面。

圖3　全自動方式試驗參數設置界面

4　電氣控制功能

4.1　電氣線路

自動水壓測試系統(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，重點環(huán)節(jié)在于伺服電機速度控制給定，圖4所示為伺服驅動器速度給定部分電路。圖4中KA40為手動自動切換電磁式繼電器，需注意按被控制對象的電壓、電流和負載性質及要求來選型[4]。手動方式給定源由電位器調節(jié)，RP1為水泵點動速度給定調節(jié)電位器，RP2為水泵額定速度調節(jié)電位器。自動方式下速度給定由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動器的19、20號引腳，以控制伺服電機的運行速度。

圖4　伺服驅動器速度給定部分電路

自動水壓測試系統(tǒng)將伺服驅動器的進線、出線，以及220V電源斷路器的保護信號也作為PLC的輸入，這樣便可實時監(jiān)控各硬件的狀態(tài)。需注意的是，試驗回路的壓力值取自記錄儀的E、F兩個端子，采用的信號類型為4～20mA 電流信號[5]。工控機與PLC通過工業(yè)以太網進行通信，通信協(xié)議為傳輸控制協(xié)議和網際協(xié)議[6]。

4.2　PLC軟件編程

半自動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

在半自動方式下，如"Control".motor_setpoint1中的設置速度乘以常數9，則可得到伺服驅動器所需要的對應給定。

整個控制系統(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，并可提高響應速度。基于上述優(yōu)點，PID控制在工業(yè)過程控制中得到極其廣泛的應用[7]。

本項目中在OB35中插入PID控制標準程序FB41。FB41與FB42功能塊都是西門子標準化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量，本項目中選用FB41。

PID控制模塊接口如圖5所示。

圖5　PID控制模塊接口

主要接口說明如下。

(1) 當COM_RST置1時，PID執(zhí)行重啟功能，復位PID內部參數至默認值，DB101.DBX0.5為人機對話界面上的Reset鍵。

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

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

(4) CYCYE為 PID采樣周期，采樣周期是一個重要參數，從信號保真及控制性能角度來考慮，應選擇一個合適值。本項目中采樣周期設置為200ms[8]。

(5) SP_INT為PID的輸入給定值，MD110為伺服電機速度給定值。

(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，本項目設為1.5。

(8) TI為積分時間，本項目設為33s。

(9) LMN為PID運算處理后的輸出，即MD120為伺服電機實際輸出值。

設置以上參數后，需對系統(tǒng)進行可靠性試驗，即在各個速度給定條件下，驗證高壓水泵及相關閥門等控制元件工作的平穩(wěn)性，以保證產品參數設置的可靠正確[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。調試中先置積分參數KI為0，比例參數KP從0開始增大，直至系統(tǒng)出現等幅振蕩。然后設定KP為當前值，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軟件中進行Insert New Object/OS操作,這樣便可以在STEP7軟件中新建一個WinCC項目。在WinCC中，右鍵單擊OS站，選擇Rename,修改WinCC項目名稱。選擇Open Object便可編輯該WinCC項目。

4.3　WinCC軟件制作

WinCC軟件將所有設備和系統(tǒng)都完整地嵌入到一個自動控制解決方案中，采用共同的組態(tài)和編程，進行共同數據管理和共同通信，這樣可以大大簡化系統(tǒng)的結構，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具有非常完善而強大的可視化功能[11]，在WinCC中使用圖形編輯器對所需要的用戶圖形進行編輯，主要操作有插入按鈕、插入靜態(tài)文本、插入輸入輸出對話框、插入滾動條等，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上，對報警記錄部分進行設定，主要的報警內容有急停方式提示、伺服驅動器故障、電源斷路器跳閘、參數寫入錯誤等，還需要用標簽記錄編輯器對測試壓力等過程變量進行歸檔。圖7所示為試驗數據報表圖形界面。

圖7　試驗數據報表圖形界面

需要注意的是，STEP7中的符號表、共享數據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，同時也可以避免因大量建立變量而產生的錯誤，從而省去較多的復核檢查工作，提高工作效率。

5　結束語

筆者從密封殼水壓測試工藝要求出發(fā)，設計了基于S7-300 PLC和WinCC的自動水壓測試系統(tǒng)，選用合適的控制及檢測元件，采用傳輸控制協(xié)議和網際協(xié)議通信方式構建控制系統(tǒng)。自系統(tǒng)投入運行以來，工作穩(wěn)定可靠，大大降低了試驗人員的勞動強度，提高了企業(yè)生產效率。

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(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，主要從事電氣設計、設備技改與維保等工作，E-mail: guofeng2@shanghai-electric.com