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油气管柱作为石油、天然气的输送通道,一旦发生疲劳破坏,将会对海洋环境和国民经济带来重大损失。为确保石油开发过程的安全、可靠性,需要对油气管柱进行疲劳试验,以精确预报管柱疲劳寿命,发现管柱疲劳易发区域,完善管柱结构改进,提高管柱的疲劳寿命。因此,研发高效率的油气管柱疲劳试验装置具有重要的工程实际意义。 本文针对油气管柱疲劳试验需求,研发共振型弯曲疲劳试验装置的控制与监测子系统,以西门子PLC为核心控制器,结合现场总线技术、LabVIEW虚拟仪器技术以及以太网等技术,设计出以工控机为上位机,PLC为下位机的两级控制系统。 结合共振弯曲疲劳试验法的工作原理,提出黄金分割法快速搜寻试件共振频率点,并基于西门子PLC设计出自适应模糊PID系统控制器,保证管柱试件能够在共振频率附近振动。其中,模糊控制器采用MATLAB离线仿真建模获得模糊查询表,PLC编程实现在线查询的方法进行设计。经试验验证,采用该方法可以有效地满足疲劳试验装置各项控制指标,是一种较为理想的智能控制方案。 同时,结合控制系统结构,基于PROFIBUS现场总线技术完成了PLC与变频器的通信互联,主要包括变频器参数设置,通信报文结构选择,主/从站组态以及系统程序的设计。并借助LabVIEW虚拟仪器技术完成数据采集和串口通信设计,实现对应变数据的采集与分析。 根据控制系统要求,分别采用WINCC组态软件和GSM模块建立了现场监控系统和手机短信形式的远程监控系统。上位机借助WINCC组态软件完成系统操作界面设计、监控界面制作以及数据报表的设计,实现对试验过程数据的实时监控。远程监控系统则借助于GSM网络,以PLC与GSM模块为发送终端,通过PLC编程完成试验数据发送。 最后,依据控制系统设计,选取合适的材料与设备,制定油气管柱共振弯曲疲劳试验样机试验方案,完成样机组装与系统调试。