生產(chǎn)線工業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

沈川平

(中國(guó)石油吐哈油田公司，新疆 鄯善 838202)

生產(chǎn)線工業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

沈川平

(中國(guó)石油吐哈油田公司，新疆 鄯善 838202)

根據(jù)油管加厚生產(chǎn)線電氣控制系統(tǒng)存在的問題，提出了設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。經(jīng)過應(yīng)用后，提高了產(chǎn)品加工精度，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)線自動(dòng)化水平，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；PLC；組態(tài)王

1 概述

隨著石油勘探技術(shù)的發(fā)展及石油開發(fā)區(qū)域的不斷擴(kuò)大，油井深度也日益增大，尤其在西北地區(qū)，3 000米以上的油井在各油田分布很多。油管作為石油開采的重要管材，市場(chǎng)需求量日益增大，但是在對(duì)較深的油井進(jìn)行開采時(shí)，由于油管自重增加，油管接頭處要承受很大的拉應(yīng)力，因而對(duì)其強(qiáng)度要求很高。同時(shí)，由于采油技術(shù)的需要，經(jīng)常通過油管注入高壓水或氣體，有時(shí)還需注入酸液進(jìn)行酸化處理以增加采收率，所以油管還要承受很大的內(nèi)壓力。因此，近年來，各油田不僅對(duì)油管的需求量逐年增多，而且對(duì)其質(zhì)量也提出了更嚴(yán)格的要求。

2 存在問題

某公司有一套利用傳統(tǒng)繼電器控制的油管生產(chǎn)線，此生產(chǎn)線主要由液壓加厚機(jī)、步進(jìn)機(jī)構(gòu)、氣壓控制系統(tǒng)、中頻感應(yīng)加熱爐、電氣控制系統(tǒng)等組成。由于該套生產(chǎn)線投產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)，控制系統(tǒng)落后，所以電氣系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)故障，造成了生產(chǎn)線停機(jī)，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)，并且該套生產(chǎn)線沒有設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)，管理者不能及時(shí)全面掌握生產(chǎn)線的運(yùn)行情況，設(shè)備的運(yùn)行情況依靠生產(chǎn)線上每個(gè)員工隨時(shí)進(jìn)行檢查，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，電氣系統(tǒng)維修費(fèi)用高，安全隱患多，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)需求。因此，對(duì)油管生產(chǎn)線電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)一套自動(dòng)化程度高的工業(yè)控制系統(tǒng)，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度,提高加工精度和加工效率，保障油田開采中對(duì)油管的需求成為當(dāng)務(wù)之急。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 邏輯控制部分

（1）目前，世界上生產(chǎn)PLC產(chǎn)品的主要企業(yè)分布在美國(guó)、歐洲和日本。主要企業(yè)有美國(guó)A-B公司、通用電氣（GE）公司，德國(guó)西門子（SIEMENS）公司、AEG公司，日本的歐姆龍、三菱等。主要PLC產(chǎn)品的模塊、軟件價(jià)格見表1。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求及各公司產(chǎn)品性能及價(jià)格，邏輯控制部分選擇西門子S7-200型。

表1 各種PLC品牌價(jià)格(單位：元)

（2）采用西門子S7-200 PLC為下位機(jī)。它主要由機(jī)架、CPU模塊、信號(hào)模塊、功能模塊、接口模塊、通信模塊、電源模塊和編程設(shè)備組成，各模塊安裝在機(jī)架上，系統(tǒng)構(gòu)成和擴(kuò)展都十分方便，不僅具有模塊化、易于分布實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行可靠、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有邏輯判斷、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和運(yùn)算等功能，能夠控制各種機(jī)械運(yùn)動(dòng)。PLC的輸入信號(hào)有開關(guān)、故障信號(hào)、傳感器信號(hào)等，輸出信號(hào)主要為控制電機(jī)、電磁閥、指示燈等。

3.2 數(shù)據(jù)采集監(jiān)控部分

生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控部分采用工業(yè)計(jì)算機(jī)，在生產(chǎn)線上設(shè)置監(jiān)控室進(jìn)行集中監(jiān)控。監(jiān)控室內(nèi)設(shè)置2面操作柜、2部監(jiān)視器，生產(chǎn)線信息通過攝像頭反饋至監(jiān)視器，操作人員通過監(jiān)視器對(duì)生產(chǎn)情況進(jìn)行監(jiān)控，能夠在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并安排人員及時(shí)排除故障。

3.3 控制系統(tǒng)軟件

控制系統(tǒng)軟件包括下位機(jī)PLC控制軟件和上位機(jī)人機(jī)界面軟件。下位機(jī)編程軟件采用STEP7 V5.4，主要功能是完成系統(tǒng)的硬件配置和編程。上位機(jī)采用組態(tài)王V6.53，主要功能是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面，顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行情況、故障狀態(tài)等信息。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 變壓器負(fù)荷校核

原配電柜共計(jì)5面，編號(hào)為1#-5#，原變壓器容量1 600 kVA，變壓器至配電柜母排是2×80×8mm銅母排（40℃載流量2 660 A）。對(duì)生產(chǎn)線電氣系統(tǒng)進(jìn)行改造，因?yàn)槔迷械淖儔浩骷皠?dòng)力配電柜，所以需要進(jìn)行變壓器負(fù)荷的校核，負(fù)荷見表2。

表2 變壓器負(fù)荷

4.2 工房電氣設(shè)計(jì)

（1）原有的1 600 kVA變壓器，1#（斷路器3 200 A）、2#（無功補(bǔ)償）及3#（斷路器1 200 A）配電柜、銅母排均符合要求；

（2）4#配電柜為四臺(tái)中頻感應(yīng)加熱爐提供電源，5#配電柜為液壓加厚機(jī)提供電源，這兩面配電柜內(nèi)斷路器不符合生產(chǎn)線的要求，需進(jìn)行改造。

4.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓加厚生產(chǎn)線管料輸送需實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、手動(dòng)上下料，工裝動(dòng)作過程由PLC自動(dòng)控制，整條生產(chǎn)線的設(shè)備集中于監(jiān)控室進(jìn)行監(jiān)控，操作人員可通過監(jiān)視器觀察生產(chǎn)線的生產(chǎn)情況，因此針對(duì)上述要求進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

4.3.1 生產(chǎn)過程控制設(shè)計(jì)

采用西門子S7-200系列小型可編程控制器，該P(yáng)LC具有程序容量大、運(yùn)行速度塊、編程靈活、多種中斷，性能優(yōu)良、且價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。目前此種類型的PLC已成功應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)各種生產(chǎn)線，效果較佳，可滿足工廠需求。同時(shí)，中頻加熱以及液壓加厚工位送料精度要求較高，因此設(shè)計(jì)兩種方案進(jìn)行對(duì)比、分析。

方案一：控制液壓加厚機(jī)送料精度。液壓機(jī)前端加裝光電開關(guān)，當(dāng)油管輸送至液壓機(jī)前時(shí)，光電開關(guān)發(fā)出到位信號(hào)，此時(shí)旋轉(zhuǎn)編碼器立刻啟動(dòng)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器運(yùn)行到設(shè)定值時(shí)，將信號(hào)反饋給輸送輥道，輸送輥道立刻停止，此時(shí)油管被準(zhǔn)確送入液壓機(jī)進(jìn)行加工。加工完畢后，根據(jù)液壓機(jī)反饋信號(hào)將油管自動(dòng)送出到固定位置。

此方案送料精度由旋轉(zhuǎn)編碼器精度和光電開關(guān)靈敏度決定，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中嚴(yán)格受到旋轉(zhuǎn)編碼器磨損量的限制，當(dāng)編碼器滾輪出現(xiàn)磨損現(xiàn)象時(shí)需及時(shí)調(diào)整參數(shù)，若未及時(shí)發(fā)現(xiàn)此問題，則會(huì)造成送料長(zhǎng)度偏差。

方案二：控制油管中頻感應(yīng)加熱爐前對(duì)齊位置以及液壓機(jī)機(jī)械手送料長(zhǎng)度。鋼管被送入中頻加熱前，首先進(jìn)行對(duì)齊操作，對(duì)齊采用光電開關(guān)感應(yīng)停止。當(dāng)中頻加熱完成后，通過平移梁將鋼管送入液壓機(jī)加工工位。此時(shí)，機(jī)械手抱緊鋼管，將鋼管送入液壓機(jī)，機(jī)械手設(shè)置固定行程。

此方案機(jī)械手為死行程，送料精度只要嚴(yán)格控制光電開關(guān)靈敏度，而機(jī)械手只需定期維護(hù)即可。這種方案方便、可靠、精準(zhǔn)，因此液壓機(jī)的送料精度控制采用方案二。

4.3.2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為系統(tǒng)參數(shù)、故障監(jiān)控、生產(chǎn)動(dòng)態(tài)、電機(jī)監(jiān)控等，操作人員可以根據(jù)生產(chǎn)工藝，方便的更改參數(shù)和監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)運(yùn)行情況。

選用組態(tài)王V6.53設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，通過界面可查詢中頻透熱爐的加熱溫度、加熱時(shí)間、啟停狀態(tài)以及中頻電壓。將中頻透熱爐的操作面板轉(zhuǎn)接至人機(jī)交互界面上，可設(shè)置中頻透熱爐的相關(guān)參數(shù)以及監(jiān)控生產(chǎn)線設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。操作面板采集到的信號(hào)反饋至PLC，PLC再對(duì)生產(chǎn)線各設(shè)備進(jìn)行控制操作。

在兩臺(tái)液壓機(jī)、4臺(tái)中頻透熱爐以及整條生產(chǎn)線安裝攝像頭，監(jiān)控各個(gè)工位工作情況。監(jiān)控室設(shè)置相應(yīng)的接收設(shè)備，將攝像頭采集到的信息反應(yīng)于監(jiān)控室的顯示屏上，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線遠(yuǎn)程控制、集中控制，方便操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)、排除故障，保證生產(chǎn)線的正常運(yùn)行。

5 結(jié)束語

自主設(shè)計(jì)的工業(yè)控制系統(tǒng)替代傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)后，操作人員能根據(jù)操作屏反饋的信息及視頻系統(tǒng)中顯示的信息，對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)監(jiān)控及故障排除。控制系統(tǒng)操作界面友好，運(yùn)行安全可靠，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控一目了然，不僅降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了維修次數(shù)，節(jié)省了設(shè)計(jì)費(fèi)用20多萬元，每年還可節(jié)省人工成本約30萬元，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]錢清泉，王 英.新編實(shí)用電工手冊(cè)[M].電子科技大學(xué)出版社，1996，882-1001.

[2]許寶發(fā)，李春茂.新編實(shí)用電工手冊(cè)[M].上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1992，295-369.

[3]方俊山.可編程序控制器在電加熱鍋爐控制中的應(yīng)用[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2002，(12)：60-61.

[4]鐘 彥.可編程序控制器在過程控制中的應(yīng)用[J].電訊技術(shù)，1998，(02)：20-26.

Design of Industrial Control System of Production Line

SHEN Chuan-ping
(Petrochina TuhaOilfield Company，Shanshan XinJiang 838202，China)

According to the existence ofelectric control system ofoil pipe thickening production problems,puts forward the design scheme,the system design.After application,improve product processing precision,reduces the labor intensity ofworkers,improve the levelofautomation ofproduction line and hasachieved remarkable economic benefits.

control system；design；PLC；kingview

TM 58

A

1672-545X（2013）04-0263-02

2013-01-14

沈川平（1970—），男，甘肅平?jīng)鋈?，機(jī)械工程師，長(zhǎng)期從事石油化工設(shè)備的管理及維修工作。

book=267,ebook=350