S7-300在海上浮式输油管综合强度测试仪上的应用
1朱翔宇，2梁宏
（1辽宁科技大学 鞍山；2中国科学院沈阳计算技术研究所有限公司 沈阳）
Application of S7-300 in Offshore Floating Oil Hose Comprehensive Strength Tester
［摘要］ 本文介绍了西门子S7-300 PLC、TP1200 Comfort 及TIA Portal软件在国内率先在海上浮式输油管综合强度测试仪上的应用，并从软硬件设计方面叙述了对关键功能的成功实现。
［关键词］ 综合强度测试仪、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、项目背景
海上输油管线是海上油田的命脉，它的安全性能直接关系到整个海上油田的安全。海上输油管道工作环境的恶劣程度与陆地管道相比更加复杂多变，既可能受到波浪、潮汐及腐蚀等作用，又可能面临船锚等撞击拖挂的危险，而且管道本身不仅受到静水压力的作用，同时会受到轴向拉力和弯曲荷载的作用。由于长期处于此等恶劣条件下，管道材料的内部有发生细裂纹的危险，如不加以应对和控制，则会严重影响管道的强度以致降低其寿命。
弯曲强度、扭转强度和拉伸强度，是橡胶制品检测的重要评估参数。国内对这三项强度检测试验都是分开单独进行的，功能单一且自动化程度不高；劳动者现场检测，安全得不到保障。目前，弯曲、扭转和拉伸三项测试功能综合在一起的自动化检测技术全部被欧美国家垄断。国内在这方面的研究，大多处在研究和试制阶段，还没有产品，满足不了国内市场的需求。
二、项目工艺
该项目研发了一种对海上浮式输油管三种强度测试为一体的测试仪，该测试仪可以实现以下功能：
1）一体化结构设计。采用一体化框架结构，将三种测试功能集成在一起，提高了兼容性和多功能性，大大提高了测试仪的综合使用能力。
2）长效冗余控制系统。液压电气控制采用冗余设计方案，确保长期使用的稳定性与易维护性。
3）运动可调节控制机械结构设计。液压执行机构，采用比例阀与激光位移传感器作为执行和反馈元件，并在控制算法上采用PID方式进行位置与速度的双闭环控制。在比例阀控制管路中增加静态稳压截至阀，以保证静态稳定性。如图1所示。
图1 综合强度测试仪
三、控制系统组成
1.硬件系统
设备采用西门子S7-300系列PLC中的315-2PN/DP，触摸屏采用TP1200 Comfort，触摸屏与PLC系统通过PROFINET网络相连，通过触摸屏完成所有试验参数的设置和试验操作，同时记录重要的试验数据，可集监控和操作于一体，实现人性化的操作控制。配合采用数字量与模拟量模块、与倾角检测传感器、压力传感器、拉力传感器、直线位移传感器和激光位移传感器等进行控制与测量。测试负载力输出，采用液压动力输出。通过比例阀控制油缸动作位置与速度。
S7-300是模块化中小型PLC系统，它能满足中等性能要求的应用。大范围的各种功能模块可以非常好地满足和适应自动控制任务。简单实用的分散式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活。方便用户和简易的无风扇设计。当控制任务增加时，可自由扩展。由于大范围的集成功能使得功能非常强劲。
其中CPU选用315-2PN/DP，它具有中等规模的程序存储器和程序框架，对二进制和浮点数运算具有较高的处理能力。处理器处理每条二进制指令执行时间约为50ns，每条浮点数运行指令约为450ns。384KB主存储器与程序组件执行相关的大容量工作存储器为用户程序提供了充分的空间。作为程序装载存储器的微型存储卡也允许将项目保存在CPU中，同时还可以用于数据归档和配方管理。通信方式支持PROFINET。硬件组态如图2所示。
图2 硬件组态
西门子精致屏系列中的TP1200无疑是性价比非常高的一款，面板配备高分辨率、高对比度的宽屏显示屏，具有分辨率为1280×800像素的PC典型显示屏。而且它的运行软件包括档案和脚本、互联网浏览器、PDF阅读器、Excel和Word文件，这对于该设备中所需要的数据记录起到了很关键的作用。它还可以选择通过 PROFIenergy 以协调的空闲时间集中关闭设备的显示屏，从而降低能量消耗。并且它坚固耐用，通过众多认证，它甚至适用于最恶劣的环境条件。图3为TP1200触摸屏。
图3 TP1200 触摸屏
2.软件系统
编程软件采用西门子的TIA Portal V13版本的软件，它是业内率先采用统一工程设计平台的自动化软件。借助全新的工程技术软件平台，用户能够快速、直观地开发和调试自动化系统。与其他软件相比，无需花费大量时间集成各个软件包，同时显著降低了成本。此外，TIA Portal作为一切未来工程软件组态包的基础，可对西门子全集成自动化中涉及的自动化和驱动产品进行组态、编程和调试，也易于设备未来的升级与扩展。
TIA Portal包含了编程软件Step7和触摸屏软件WinCC，对于组态编程十分方便，同时在控制参数、程序块、变量和消息等数据管理方面，所有数据只需输入一次，大大减少了自动化项目的软件工程组态时间，降低了成本。TIA Portal的设计基于面向对象和集中数据管理，避免了数据输入错误，实现了无缝的数据一致性。使用项目范围的交叉索引系统，可在整个项目内轻松查找数据和程序块，极大地缩短了软件项目的故障诊断和调试时间。图4为触摸屏操作主画面。
图4 触摸屏操作主画面
四、控制系统功能
该设备主要是完成三种测试功能，分别是：
（1）拉伸测试
根据工艺需求，对拉伸力与拉伸位移的匹配关系进行动态与静态的测试。拉力检测数据，由量程60t的拉力传感器执行，信号放大器将负载实测拉力转换为4～20mA电流信号。拉伸位移数据，由预装在液压缸内的磁制位移传感器，检测软管拉伸的相对位移。以上信号数据经过PLC的模拟量模块进行数据采集，然后在程序中经过公式计算转换后，可将实际工程量的数据实时地显示在触摸屏上。
拉伸测试时，首先需要根据预设的拉力值范围在触摸屏上设定拉伸力的预设值，当软管拉伸力达到预设值，且拉伸位移未超过管长的10%，则释放拉伸力，直到拉伸力接近零。并且可通过程序编写出两种模式的节拍速度，以满足实验的需求。
循环往复执行以上操作，并且由触摸屏记录出关键的数据信息，自动生成Excel记录表格，存档记录。
（2）扭曲测试
根据工艺需求，对胶管正负扭曲角度位置控制进行动态测试。扭曲角度数据，由量程±45°倾角传感器进行测量，并输出4～20mA电流信号，扭曲力由安装在液压管路上的量程为30MPa的压力传感器进行测量，并变送4～20mA电流信号。以上信号数据经过PLC的模拟量模块进行数据采集，然后在程序中经过公式计算转换后，可将实际工程量的数据实时地显示在触摸屏上。
根据管长可在触摸屏上设定2°/m的最大扭曲角度范围，并在最大角度时，记录扭曲力数据。
（3）弯曲测试
根据工艺需求，对胶管左右弯曲同步位置与速度控制进行动态测试。弯曲半径由滑车位移激光传感器测量，左右弯曲缸位移由激光传感器测量，并转换4～20mA信号，再经过PLC的模拟量模块进行数据采集。
图5 系统功能框图
为了保证弯曲半径的圆心与设备中心重合，需通过闭环控制，保证左右两端弯曲运动的速度与位置同步。比例阀与激光位移传感器作为执行和反馈元件，并在控制算法上采用PID方式进行位置与速度的双闭环控制。
在TIA Portal中的编程软件中插入PID模块，同时还有相应的PID过程曲线，可以方便快捷地进行PID参数设置与调节。图5为系统功能框图。
五、项目运行
2015年年底该研发设备投入运行，运行效果良好，且实验数据满足质量认证标准。
六、使用心得
本设备选用西门子产品来实现控制系统功能的最大原因是TIA Portal软件。以前西门子公司的组态软件，给人一种十分复杂，不知道从何入手的感觉，但是TIA Portal软件直接、易用的特点从安装开始就表现得淋漓尽致。
首先安装过程一气呵成，新建项目由向导提示一步一步地即可完成简单的配置，编程开发界面简洁、清晰，并且增加了许多拖拽的操作和直观的界面显示。当组态完成后，变量地址即可自动生成，查询方便、快捷，使编程效率大幅度提高。
更加值得一提的就是软件中带有PID调节功能，只要添加了PID模块，就会自动生成直观、清晰的PID参数调节界面，设定参数以及变化的曲线都能够很好地反映出来，对此项目中的双闭环PID调节的实施，起到了很关键的快速整定与调节的作用，既节省了时间又提高了精度，是非常值得推荐的。
本设备是以实验为主的设备，因此最重要的就是实验数据。TIA Portal软件中的数据记录功能又是一大利器，只需要在变量表中设定好相应的触发条件，就可以按照所要求的时机记录重要的数据，并且生成Excel表格，方便保存与查看。
希望西门子公司的软硬件继续以用户为中心，以方便用户为重，并且越来越好。
参考文献
［1］ 徐业峻.海上漂浮输油软管拉伸特性的理论与试验分析［J］.2013,32(2):131～134.
［2］ 西门子（中国）有限公司S7-300 CPU 31xC和CPU 31x.技术数据［Z］.
［3］ 西门子（中国）有限公司SIMATIC S7-1500与TIA博途软件使用指南［Z］.
［4］ 西门子（中国）有限公司WinCC Professional V13.0 SP1［Z］.
