1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

1．本课题研究背景、目的及意义

在现代管道技术中,管道的热变形、机械变形、各种振动、大型贵重设备与管道间的柔性连接等都离不开波纹膨胀节。随着市场经济的出现和发展,对波纹膨胀节的需求量也不断地增长。而波纹膨胀节的设计制造,又具有投资小、利润高、见效快等特点。伴随着波纹膨胀节应用领域的不断拓展和生产的逐步普及,使用过程中问题也很多,有些直接危及人的生命和财产的安全。对此国家有关行政主管部门设立了压力管道安全监督部门,即对压力管道受压元件进行安全注册,使其规范化,这对作为受压元件之一的波纹膨胀节的型式试验提出了严格的要求。

波纹膨胀节的型式试验项目,主要包括外观、结构尺寸、刚度、补偿量、气密性、耐压力、稳定性、焊缝、疲劳寿命等等^[1]。疲劳寿命是最为重要的检验项目之一,是波纹膨胀节在管系中实际使用情况的一种较为理想的模拟试验,通常在常温下进行。实测波纹膨胀节疲劳寿命次数与设计的许用疲劳寿命次数比值大小,反映了设计是否符合要求,运行是否安全可靠,且成本是否最低。因此, 金属波纹管膨胀节寿命试验装置控制系统的设计具有十分重要的意义。

2．本课题相关理论研究及现状^[16]

疲劳及可靠性理论与方法开始于20世纪90年代, W irsch ing 等做过有益探索, 国内李永生教授等^[2-4] 在波纹管疲劳方面也做过类似的研究。在波纹管的低周疲劳寿命中, 如仅根据Co ffin- Manson 或Sm ith - Watson- Topper等假设,在ɡ- N 方程中个别或全部材料常数服从某一分布的独立随机变量, 既近似也无法合理确定, 又没有考虑循环关系的随机性,很难准确计算出它的可靠疲劳寿命。尽管如此, 在疲劳寿命可靠性研究方面仍面临着巨大的瓶颈^[9-10], 对其疲劳机理的研究仍然不够成熟。与之同时, 出现了一系列相关的问题,主要有:

( 1)疲劳寿命计算通常不如强度计算精确,疲劳寿命的分散性也远远大于强度分散性;

( 2)疲劳寿命特性很难从其他机械特性中精确地推断出来, 必须通过试验和相关的数据统计才能得到;

( 3)同批波纹管产品、同样环境下得到的测试结果可能大相径庭, 这就需要统计数据来释;

( 4)为了获得高可靠性, 对于重要的产品和结构必须进行”失效安全” ^[3]设计, 即使一个纹管组件失效, 整个结构仍然保持完好且在短期内仍能承载。

3．波纹管膨胀节的发展概况及现状

膨胀节为补偿因温度差与机械振动引起的附加应力，而设置在容器壳体或管道上的一种挠性结构。由于它作为一种能自由伸缩的弹性补偿元件，工作可靠、性能良好、结构紧凑等优点，已广泛应用在化工、冶金、核能等部门。在容器上采用的膨胀节，有多种形式，就波的形状而言，以U形膨胀节应用得最为广泛，其次还有Ω形和C形等。而在管道上采用的膨胀节就结构补偿而言，又有万能式、压力平衡式、铰链式以及万向接头式等。

波纹管膨胀节是用金属波纹管制成的一种膨胀节。它能沿轴线方向伸缩，也允许少量弯曲。为了防止超过允许的补偿量，在波纹管两端设置有保护拉杆或保护环，在与它联接的两端管道上设置导向支架。另外还有转角式和横向式膨胀节，可用来补偿管道的转角变形和横向变形。这类膨胀节的优点是节省空间，节约材料，便于标准化和批量生产，缺点是寿命较短。波纹管膨胀节一般用于温度和压力不很高、长度较短的管道上。随着波纹管生产技术水平的提高，这类膨胀节的应用范围正在扩大.

4．基础知识

PLC是以嵌入式CPU为核心，加上输入、输出等模块，可以应用于工业控制领域的装置。当用户将程序烧入PLC内部后，PLC中的CPU采用逻辑扫描用户程序的运行方式^[5]。当只有该线圈通电或断电，并且必须当程序扫描到该线圈的时候，该线圈触点才会动作。当PLC运行时，其工作过程一般分为3个阶段，分别为输入采样，用户程序执行和输出刷新3个阶段。完成这3个阶段称为一个扫描周期^[6]。由于PLC是一种新型的控制器，它把微型计算机技术和继电器控制技术融合在一起，兼具计算机的功能完备、灵活性强、通用性好以及继电器接触器控制系统的简单易懂、维修方便的特点^[7]。主要体现在可靠性高、编程简单易学、功能强、安装简单，维修方便、采用模块化结构、接口模块丰富、系统设计和调试周期短等几个方面。经过长期的工程实践，PLC的优点越来越被广大技术人员所认识和接受，已经广泛应用到了石油、化工、机械、钢铁、交通、电力、轻工、采矿、水利、环保等各个领域^[8]。

5．PLC的发展概况现状和趋势

（一）．PLC的发展现状

目前，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，PLC已由最初一位机发展到现在的以16位和32位微处理器构成的微机化PC，而且实现了多处理器的多通道处理。如今，PLC技术已非常成熟，不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程I/O和通信网络、数据处理以及图象显示的发展，使PLC向用于连续生产过程控制的方向发展，成为实现工业生产自动化的一大支柱。

现在，世界上有200多家PLC生产厂家，400多品种的PLC产品，按地域可分成美国、欧洲、和日本等三个流派产品，各流派PLC产品都各具特色。其中，美国是PLC生产大国，有100多家PLC厂商，著名的有A-B公司、通用电气（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司。欧洲PLC产品主要制造商有德国的西门子（SIEMENS）公司、AEG公司、法国的TE公司。日本有许多PLC制造商，如三菱、欧姆龙、松下、富士等，韩国的三星（SAMSUNG）、LG等，这些生产厂家的产品占有80%以上的PLC市场份额。

经过多年的发展，国内PLC生产厂家约有三十家，国内PLC应用市场仍然以国外产品为主。国内公司在开展PLC业务时有较大的竞争优势，如：需求优势、产品定制优势、成本优势、服务优势、响应速度优势。

（二）．PLC的发展趋势

随着PLC应用领域日益扩大，PLC技术及其产品结构都在不断改进，功能日益强大，性价比越来越高。

（1）、在产品规模方面，向两极发展。一方面，大力发展速度更快、性价比更高的小型和超小型PLC。以适应单机及小型自动控制的需要。另一方面，向高速度、大容量、技术完善的大型PLC方向发展。随着复杂系统控制的要求越来越高和微处理器与计算机技术的不断发展，人们对PLC的信息处理速度要求也越来越高，要求用户存储器容量也越来越大。

（2）、向通信网络化发展

PLC网络控制是当前控制系统和PLC技术发展的潮流。PLC与PLC之间的联网通信、PLC与上位计算机的联网通信已得到广泛应用。目前，PLC制造商都在发展自己专用的通信模块和通信软件以加强PLC的联网能力。各PLC制造商之间也在协商指定通用的通信标准，以构成更大的网络系统。PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的组成部分。

（3）、向模块化、智能化发展

为满足工业自动化各种控制系统的需要，近年来，PLC厂家先后开发了不少新器件和模块，如智能I/O模块、温度控制模块和专门用于检测PLC外部故障的专用智能模块等，这些模块的开发和应用不仅增强了功能，扩展了PLC的应用范围，还提高了系统的可靠性。

（4）、编程语言和编程工具的多样化和标准化

多种编程语言的并存、互补与发展是PLC软件进步的一种趋势。 PLC厂家在使硬件及编程工具换代频繁、丰富多样、功能提高的同时，日益向MAP(制造自动化协议)靠拢，使PLC的基本部件，包括输入输出模块、通信协议、编程语言和编程工具等方面的技术规范化和标准化。

4. 设计方案和系统构成以及计划的解决方案

PLC在整个金属波纹管膨胀节寿命试验装置控制系统设计装置中发挥着至关重要的作用，它是这个控制系统的核心，引导指挥着整套系统的运作顺序。所以选择PLC型号至关重要。需要经过对金属波纹管膨胀节寿命试验装置控制系统设计装置性能的分析，控制系统实际需要的点数，以及考虑到今后恒压供水模拟装置扩展的需要，合理选定PLC型号 。在选定PLC的型号以及保护装置之后，接下来需要解决的问题是对装置运作顺序的设计，也就是对PLC进行编程。PLC的程序设计大多采用类似于继电器控制线路的梯形语言。将控制过程按工艺流程分成若干个动作工序, 再分别用梯形图语言编制各工序的处理程序, 这是设计中非常关键的地方，因为这关系到整套系统能否正常工作。根据金属波纹管膨胀节寿命试验装置控制系统设计装置的要求需要设控制程序。装置上电后,循环采集输人端的各种信号, 经存储在其中的用户程序处理后, 对输出端的状态进行刷新, 从而完成金属波纹管膨胀节寿命试验装置的自动控制。

本设计采用实验室现有s7-200，WINCC^{[7] [9] [10]}等实验设备。

金属波纹管膨胀节寿命试验装置控制系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、通讯接口以及报警装置等部分组成。金属波纹管膨胀节寿命试验装置控制系统的系统结构如下图示:

系统构成图

参考文献

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

一、本课题要研究或解决的主要问题

本课题要求进行金属波纹管膨胀节寿命试验装置控制系统的设计，根据工艺要求实现相应功能。课题要求采用plc进行手动、半自动、全自动方式控制，通过液压系统精确控制主缸和试验缸的位移量、液体的压力，采用计算机进行上位机监控，动态显示波纹管内压力、滑块位移曲线和数据，显示滑块累计行程次数及本次开机滑块行程次数，实现曲线和数据的存储和打印，工艺过程参数的设定，打印出标准图表、内容包括波纹管内压力曲线及数据，滑块累计行程次数。

课题需解决的主要难点：