沈川平

(中國石油吐哈油田公司，新疆 鄯善 838202)

生產(chǎn)線工業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計

沈川平

(中國石油吐哈油田公司，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)計方案，進行了系統(tǒng)設(shè)計。經(jīng)過應(yīng)用后，提高了產(chǎn)品加工精度，降低了工人勞動強度，提高了生產(chǎn)線自動化水平，取得了顯著的經(jīng)濟效益。

控制系統(tǒng)；設(shè)計；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，市場需求量日益增大，但是在對較深的油井進行開采時，由于油管自重增加，油管接頭處要承受很大的拉應(yīng)力，因而對其強度要求很高。同時，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，有時還需注入酸液進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，各油田不僅對油管的需求量逐年增多，而且對其質(zhì)量也提出了更嚴格的要求。

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、步進機構(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)時間長，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，嚴重影響了生產(chǎn)，并且該套生產(chǎn)線沒有設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)，管理者不能及時全面掌握生產(chǎn)線的運行情況，設(shè)備的運行情況依靠生產(chǎn)線上每個員工隨時進行檢查，工人勞動強度大，電氣系統(tǒng)維修費用高，安全隱患多，已遠遠不能滿足生產(chǎn)需求。因此，對油管生產(chǎn)線電氣控制系統(tǒng)進行改造，設(shè)計一套自動化程度高的工業(yè)控制系統(tǒng)，降低工人勞動強度,提高加工精度和加工效率，保障油田開采中對油管的需求成為當務(wù)之急。

3 方案設(shè)計

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

表1 各種PLC品牌價格(單位：元)

（2）采用西門子S7-200 PLC為下位機。它主要由機架、CPU模塊、信號模塊、功能模塊、接口模塊、通信模塊、電源模塊和編程設(shè)備組成，各模塊安裝在機架上，系統(tǒng)構(gòu)成和擴展都十分方便，不僅具有模塊化、易于分布實現(xiàn)、運行可靠、性價比高等優(yōu)點，同時具有邏輯判斷、順序控制、定時、計數(shù)和運算等功能，能夠控制各種機械運動。PLC的輸入信號有開關(guān)、故障信號、傳感器信號等，輸出信號主要為控制電機、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)計算機，在生產(chǎn)線上設(shè)置監(jiān)控室進行集中監(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)視器對生產(chǎn)情況進行監(jiān)控，能夠在第一時間發(fā)現(xiàn)并安排人員及時排除故障。

3.3 控制系統(tǒng)軟件

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

4 系統(tǒng)設(shè)計

4.1 變壓器負荷校核

原配電柜共計5面，編號為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）。對生產(chǎn)線電氣系統(tǒng)進行改造，因為利用原有的變壓器及動力配電柜，所以需要進行變壓器負荷的校核，負荷見表2。

表2 變壓器負荷

4.2 工房電氣設(shè)計

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

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

4.3 控制系統(tǒng)設(shè)計

液壓加厚生產(chǎn)線管料輸送需實現(xiàn)自動、手動上下料，工裝動作過程由PLC自動控制，整條生產(chǎn)線的設(shè)備集中于監(jiān)控室進行監(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，因此針對上述要求進行控制系統(tǒng)的設(shè)計。

4.3.1 生產(chǎn)過程控制設(shè)計

采用西門子S7-200系列小型可編程控制器，該PLC具有程序容量大、運行速度塊、編程靈活、多種中斷，性能優(yōu)良、且價格低等優(yōu)點。目前此種類型的PLC已成功應(yīng)用于機械行業(yè)各種生產(chǎn)線，效果較佳，可滿足工廠需求。同時，中頻加熱以及液壓加厚工位送料精度要求較高，因此設(shè)計兩種方案進行對比、分析。

方案一：控制液壓加厚機送料精度。液壓機前端加裝光電開關(guān)，當油管輸送至液壓機前時，光電開關(guān)發(fā)出到位信號，此時旋轉(zhuǎn)編碼器立刻啟動，當旋轉(zhuǎn)編碼器運行到設(shè)定值時，將信號反饋給輸送輥道，輸送輥道立刻停止，此時油管被準確送入液壓機進行加工。加工完畢后，根據(jù)液壓機反饋信號將油管自動送出到固定位置。

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，運轉(zhuǎn)過程中嚴格受到旋轉(zhuǎn)編碼器磨損量的限制，當編碼器滾輪出現(xiàn)磨損現(xiàn)象時需及時調(diào)整參數(shù)，若未及時發(fā)現(xiàn)此問題，則會造成送料長度偏差。

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

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

4.3.2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

上位機系統(tǒng)設(shè)計主要分為系統(tǒng)參數(shù)、故障監(jiān)控、生產(chǎn)動態(tài)、電機監(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)場生產(chǎn)運行情況。

選用組態(tài)王V6.53設(shè)計人機交互界面，通過界面可查詢中頻透熱爐的加熱溫度、加熱時間、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)備的運行狀態(tài)。操作面板采集到的信號反饋至PLC，PLC再對生產(chǎn)線各設(shè)備進行控制操作。

在兩臺液壓機、4臺中頻透熱爐以及整條生產(chǎn)線安裝攝像頭，監(jiān)控各個工位工作情況。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，實現(xiàn)生產(chǎn)線遠程控制、集中控制，方便操作人員及時發(fā)現(xiàn)、排除故障，保證生產(chǎn)線的正常運行。

5 結(jié)束語

自主設(shè)計的工業(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，對生產(chǎn)線進行生產(chǎn)監(jiān)控及故障排除?？刂葡到y(tǒng)操作界面友好，運行安全可靠，現(xiàn)場監(jiān)控一目了然，不僅降低了工人勞動強度，減少了維修次數(shù)，節(jié)省了設(shè)計費用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)濟效益。

[1]錢清泉，王 英.新編實用電工手冊[M].電子科技大學出版社，1996，882-1001.

[2]許寶發(fā)，李春茂.新編實用電工手冊[M].上海科學技術(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)控制計算機，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)鋈耍瑱C械工程師，長期從事石油化工設(shè)備的管理及維修工作。

book=267,ebook=350