唐繼英，蔣靜敏，陳寶玲

（1.天津冶金職業(yè)技術(shù)學院 電氣工程系，天津300400； 2.天津冶金職業(yè)技術(shù)學院 電子信息工程系，天津300400）

1 引言

石油與天然氣開采來自于鉆井平臺。石油鉆桿是石油及天然氣鉆采主要設備的重要部件，它是鉆柱的基本組成部分，其特點是壁薄，單位長度重量輕。它的作用主要有：提供泥漿通道；傳遞拉力和扭矩；在鉆井過程中不斷連接鉆桿來不斷加深井眼。石油鉆桿由管體，接頭組成，企業(yè)加工生產(chǎn)鉆桿使用的管體與接頭，是根據(jù)用戶需求的API（american petroleum institute 美國石油學會）性能參數(shù)如：鋼級、屈服強度、抗拉強度采購進貨后，再經(jīng)過調(diào)質(zhì)加工生產(chǎn)出產(chǎn)品。

2 石油鉆桿調(diào)質(zhì)線介紹

本調(diào)質(zhì)線由淬火加熱爐、淬火機架和回火加 熱爐及輔助運輸線組成。處理品種為碳素結(jié)構(gòu)鋼管、合金結(jié)構(gòu)管和API 各鋼級油管、套管、鉆桿管體等。規(guī)格為Φ60.3～139.7×各壁厚，長度小于11 500 mm 鋼管。

淬火爐和回火爐行進方式為步進式，裝料方式為側(cè)進側(cè)出，布料為單排布料。爐子活動梁和固定梁均為耐熱鑄鋼，頂面帶齒形面，每個齒槽內(nèi)放一根鋼管。步進機構(gòu)采用斜塊式步進梁機構(gòu)。步進梁能完成正循環(huán)、逆循環(huán)、單動、點動等動作，對鋼管輕托輕放、緩起緩行。無振動、沖擊和失控現(xiàn)象。具有踏步功能，使鋼管在齒形槽內(nèi)不斷轉(zhuǎn)動。

淬火機架由接料輥道、擋水移動門、斯維頓上料裝置、旋轉(zhuǎn)淬火裝置、鋼管壓緊裝置、撥料機構(gòu)、內(nèi)外噴淋和控水裝置組成。

電氣控制方面采用上下位集散式控制系統(tǒng)，上位機采用臺灣研華工控機，監(jiān)控組態(tài)軟件為WinCC；下位機采用德國西門子S7-300 PLC 和日本島電SR-93A 帶通訊接口的溫控表與上機位通訊，PLC 控制全線邏輯動作。包括，輥道順控、鋼管定位、步進梁控制、爐溫控制、爐壓控制、熱風總管壓力控制、熱風溫度控制、緊急停爐保護盒連鎖、燃燒安全系統(tǒng)、淬火控制、電氣設備控制和數(shù)據(jù)通信?？刂品绞接袃煞N，手動方式和自動方式。

3 基本概念

為了獲得一定的強度和韌性，把淬火和高溫回火結(jié)合起來的工藝，稱為調(diào)質(zhì)。

淬火是將工件加熱保溫后，在水、油或其它無機鹽、有機水溶液等淬冷介質(zhì)中快速冷卻。淬火后鋼件變硬，但同時變脆。

為了降低鋼件的脆性，將淬火后的鋼件在高于室溫而低于710℃的某一適當溫度進行長時間的保溫，再進行冷卻，這種工藝稱為回火。它能調(diào)整工件的硬度、強度、塑性、韌性等力學性能，降低或消除應力，避免變形開裂，保持使用過程的尺寸穩(wěn)定。

采用淬火+回火方式處理的鋼管（多為薄壁管），一般具有良好的淬透性。其含碳量在0.25%～0.40%之間，合金含量低于4%，水中冷卻的臨界直徑不小于40 mm。

4 PLC 控制系統(tǒng)

石油鉆桿步進式調(diào)質(zhì)線采用S7-300PLC為主控制器，S7-300PLC 系統(tǒng)組態(tài)和編程軟件是STEP7 軟件，用來實現(xiàn)對系統(tǒng)的淬火爐、淬火機床、回火爐等熱處理設備的自動控制。

調(diào)質(zhì)線主控制器CPU 型號為313-2DP，包含數(shù)字輸入/輸出模塊DI16/DO16 和計數(shù)模塊；電源模塊為 PS307（5A）；信號處理模塊包括 4 塊DI32×DC24 V 和4 塊DO16×繼電器輸出AC120 V。

4.1 硬件組態(tài)

硬件組態(tài)是指，將所連接的硬件的信息集成到軟件當中，在軟件中編輯所連接的硬件的參數(shù)，編輯好后，下載到PLC 中。

硬件組態(tài)過程簡述如下。

1)新建項目：打開SIMATIC MANAGER（管理器），新建一個項目，自取一個項目名，并保存，然后點擊OK。

2)生成新站：選中該項目單擊右鍵，選中Insert new object，點擊SIMATIC 300 STATION。

3)硬件組態(tài)：將項目左面的“+”點開，選中SIMATIC 300（1）站，然后選中Hardware 并雙擊/或右鍵點OPEN OBJECT，硬件組態(tài)畫面即可打開。在硬件組態(tài)畫面右邊是硬件目錄窗口，可用菜單命令“View”中“Catalog”打開或關閉它。將硬件目錄窗口中SIMATIC 300 左面的+點開，點擊SIMATIC 300，選中RACK-300，然后將Rail 拖入到左邊空白處/或雙擊Rail，生成空機架（為中央機架）。依次按照實際配置的硬件將電源模塊、CPU 模塊、信號模塊放置在相應槽的位置，注意配置時要清楚各種模塊的型號和訂貨號，在硬件組態(tài)過程中注意每個模塊地址分配的情況，將配置好的硬件組態(tài)保存編譯并退出硬件組態(tài)畫面。

放CPU 模塊時出現(xiàn)profibus 網(wǎng)絡屬性對話框。選擇New 可新建網(wǎng)絡。本調(diào)質(zhì)線不選New。

本調(diào)質(zhì)線PLC 硬件組態(tài)如圖1 所示。

圖1 調(diào)質(zhì)線PLC 硬件組態(tài)Fig.1 PLC hardware configuration of the Tempering line

4)建立PC 與PLC 的連接：點擊SIMATIC MANAGER（管理器）菜單“Options”中的“Set PC/PG Interface…”，進入“Set PC/PG Interface…”對話框，在Access Path 選項卡中，選擇PC 與PLC 的連接方式，本調(diào)質(zhì)線選則PC Adapter（MPI）選項。

5)下載組態(tài)的站：將PLC 的電源開關打開；在SIMATIC MANAGER（管理器）中，選中SIMATIC 300（1），點擊菜單“PLC”中 的“Download”/或點擊工具欄的“Download”快捷圖標，將組態(tài)好的站下載。

4.2 程序塊的建立

硬件組態(tài)完畢后保存，會出現(xiàn)CPU313-2DP，雙擊CPU313-2DP-＞雙擊S7 程序-＞雙擊Symbols，出現(xiàn)符號表界面，可對變量的含義進行編輯，這樣，編程時可以用有意義的相對地址（用“”表示）代替無含義的絕對地址，增加程序的可讀性。圖2 列出了符號表的部分內(nèi)容。

圖2 調(diào)質(zhì)線符號表Fig.2 Symbols of the tempering line

編輯好符號表，接下來可以寫程序了。先建立組織塊OB1。方法如下：

在Blocks界面，點擊右鍵，點擊插入新塊“Insert New Object”-＞選擇組織塊“Organization Block”。選擇OB1，編程語言選擇梯形圖語言（LAD）。

建立其他模塊如FB，F(xiàn)C，DB，VAT_1 方法與建立組織塊OB1的方法相同。

值得注意的是，建立DB時，需要選擇背景數(shù)據(jù)塊“Istance DB”并選擇相應的功能塊如FB1，而不是選擇共享數(shù)據(jù)塊“Shared DB”。

如果對某個變量或某幾個變量感興趣，可以建立變量監(jiān)控表，即VAT，只要輸入變量地址或符號即可對該變量進行監(jiān)控。

5 軟件編程

調(diào)質(zhì)線PLC程序塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 調(diào)質(zhì)線PLC程序塊Fig.3 PLC blocks of the tempering line

下面介紹一下STEP 7 中的塊。

1）組織塊（oganization block，簡稱OB）。組織塊是操作系統(tǒng)和用戶程序間的接口，它被操作系統(tǒng)調(diào)用。組織塊控制程序執(zhí)行的循環(huán)和中斷、PLC 的啟動、發(fā)送錯誤報告等。你可以通過在組織塊里編程來控制CPU 的動作。

程序從OB1 開始執(zhí)行。本調(diào)質(zhì)線OB1 部分程序如圖4 所示。

圖4 調(diào)質(zhì)線OB1部分程序Fig.4 OB1 part program of the tempering line

網(wǎng)絡1 內(nèi)容為調(diào)用所有程序，即執(zhí)行FC13塊中程序。然后執(zhí)行網(wǎng)絡2 及其他網(wǎng)絡。

FC13 塊中包括“淬火爐手動”（FC1）、“機床手動”（FC3）、“回火爐手動”（FC2）、“淬火爐自動”（FC6）、“機床自動”（FC4）、“回火爐自動”（FC5）、“踏步模塊”（FC12）、“計數(shù)器”（FC8）、“復位”（FC7）等程序塊。

2）功能函數(shù)塊（function block，簡稱FB）。功能函數(shù)塊為STEP 7 系統(tǒng)函數(shù)，每一個功能函數(shù)塊完成一種特定的功能，你可以根據(jù)實際需要調(diào)用不同的功能函數(shù)塊。

功能塊（FB）是用戶編寫的有自己的存儲區(qū)（背景數(shù)據(jù)塊）的塊，每次調(diào)用功能塊時需要提供各種類型的數(shù)據(jù)給功能塊，功能塊也要返回變量給調(diào)用它的塊。

調(diào)用FB 時，必須指定DI（Instance DB）的編號。在編譯FB 或SFB 時自動生成背景數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)。一個功能塊可以有多個背景數(shù)據(jù)塊，用于不同的被控對象。

數(shù)據(jù)塊中沒有STEP 7 的指令，STEP 7 按數(shù)據(jù)生成的順序自動地為數(shù)據(jù)塊中的變量分配地址。數(shù)據(jù)塊分為共享數(shù)據(jù)塊（Shared DB）和背景數(shù)據(jù)塊（Instance DB）。應首先生成功能塊，然后生成它的背景數(shù)據(jù)塊。在生成背景數(shù)據(jù)塊時指明它的類型為背景數(shù)據(jù)塊（Instance）和它的功能塊的編號。

如FB1程序功能為雙向點動，上料氣動撥料開、關數(shù)據(jù)存放在DB1和DB2中。

上料氣動撥料開和關的程序一致，對應數(shù)據(jù)不同。FB1功能可分別通過調(diào)用DB1和DB2實現(xiàn)手動控制上料氣動撥料開和關；

同理，調(diào)用FB2（啟停反限自保）實現(xiàn)CS進料門開（DB3）、關（DB4），手動控制外進料輥正（DB7）、反轉(zhuǎn)（DB8），手動控制內(nèi)進料輥正（DB9）、反轉(zhuǎn)（DB10），手動控制步進機構(gòu)上升（DB13）、前進（DB14）、下降（DB15）、后退（DB16）。

3）函數(shù)（Function，簡稱 FC）。函數(shù)是為了滿足用戶一種特定的功能需求而由用戶自己編寫的子程序，函數(shù)編寫好之后，用戶可對它進行調(diào)用。

如FC1：淬火爐手動。

FC2：“回火爐手動”。

FC3：“淬火機床手動”。

FC4：“機床自動”。

FC7：復位。包括 淬火爐自動清零、淬火爐踏步清零、回火爐自動清零、回火爐踏步清零、淬火機床清零。

FC8：“計數(shù)器”。

如：淬火爐出料控制計數(shù)器，淬火爐計數(shù)器是否到數(shù)（20），結(jié)果存到DB51.DBX0.0。

FC12：淬火爐踏步和回火爐踏步。

步進梁的動作方式有周期方式和踏步方式，周期方式用于運送鋼管向前移動，而踏步方式用于等待出鋼。

當出現(xiàn)事故不能出料時，為防止鋼管彎曲變形，采取踏步周期。

此時活動梁上升180 mm，后退50 mm，再下降180 mm，前進50 mm，使鋼管在固定梁原齒槽踏步并自轉(zhuǎn)。活動梁升起18s，前進5s，下降18s，后退5s，一個周期為46s。

4）數(shù)據(jù)塊（Data Block，簡稱DB）。數(shù)據(jù)塊是用戶為了對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行存儲而開辟的數(shù)據(jù)存儲區(qū)域。

5）變量標簽（Variable Table，簡稱VAT）。用戶可以在變量標簽中加入系統(tǒng)變量，并對這些變量加上用戶易懂的注釋，方便用戶編寫程序或進行變量監(jiān)視。

6 監(jiān)控畫面

石油鉆桿調(diào)質(zhì)線上位機采用臺灣研華工控機，監(jiān)控軟件為北京亞控組態(tài)軟件；在監(jiān)控界面上可按所處理管材的工藝要求，設定淬火區(qū)加熱溫度、保溫溫度，回火區(qū)加熱溫度、保溫溫度，步進節(jié)拍、外淋內(nèi)噴時間、進料延時（現(xiàn)場確定）等工藝參數(shù)，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的可視化和控制。

充分考慮現(xiàn)場操作人員對系統(tǒng)的接受能力，設計友善的、漢化的人機界面，使操作人員簡便、容易、明確地操作和監(jiān)視。

調(diào)質(zhì)線監(jiān)控畫面包括步進爐概總圖、爐溫監(jiān)控、溫度曲線、動作順序等。

步進爐概總圖如圖5 所示。

圖5 步進爐概總圖Fig.5 Walking beam furnace main screen

下面對圖中部分部分功能加以說明。

6.1 步進機構(gòu)初始狀態(tài)

當淬火爐和回火爐步進機構(gòu)不在原始位置（淬火爐和回火爐步進機構(gòu)在下降位置和退到位位置稱為原始位置）時成紅色閃動。

當淬火爐和回火爐步進機構(gòu)在原始位置時成綠色不閃動。

當手動轉(zhuǎn)為自動之前成紅色閃動，要用手動方式操作成原始位置才能轉(zhuǎn)為自動操作。

6.2 步進機構(gòu)動作

從圖5 中步進機構(gòu)動作下面的指示燈可以查看步進機構(gòu)動作順序。

燈成紅色閃動說明步進機構(gòu)在動作過程中，燈成綠色不閃動說明步進機構(gòu)在靜態(tài)不動狀態(tài)中。

步進機構(gòu)自動動作順序是：

步進機構(gòu)自動踏步順序是：

6.3 進料數(shù)設置和檢測數(shù)清零

進料數(shù)設置和檢測數(shù)清零用于淬火爐和回火爐進料設置和進料計數(shù)。淬火爐和回火爐在自動運行之前，首先設置進料數(shù)，進料數(shù)任意設置，但進料數(shù)必須＞1，＜9 999，然后設置收尾數(shù)，收尾數(shù)任意設置，最后用鼠標點擊“確認”即可。淬 火爐和回火爐自動運行旋鈕放在自動運行位置即可運行。

設定進料數(shù)＞實際進料數(shù)時進料，設定進料數(shù)=實際進料數(shù)時收尾

設定進料數(shù)=實際進料數(shù)，設定收尾數(shù)=實際收尾數(shù)時，清零實際進料數(shù)，實際收尾數(shù)并從頭開始按照設定進料數(shù)進料。

7 結(jié)論

S7-300PLC 憑借強大控制功能控制全線邏輯動作，設計友善、漢化的人機界面使操作人員簡便、容易、明確地操作和監(jiān)視。石油鉆桿調(diào)質(zhì)線不僅提高了石油鉆桿產(chǎn)品質(zhì)量，提高了勞動生產(chǎn)率，還減少了由于操作人員的失誤造成的產(chǎn)品質(zhì)量的缺陷和故障，也極大地改善了現(xiàn)場工作人員的勞動條件。本系統(tǒng)適用于運動控制和過程控制需求并存的中小生產(chǎn)線和傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝技術(shù)裝備的改造和提升，為提高生產(chǎn)線的產(chǎn)品檔次、技術(shù)附加值和生產(chǎn)率提供可靠的技術(shù)手段。

［1］唐繼英，劉暢，李娜.現(xiàn)場總線技術(shù)與實訓［M］.天津；天津冶金職業(yè)技術(shù)學院，2011.

［2］胡健.西門子S7-300 PLC 應用教程［M］.北京；機械工業(yè)出版社，2007.

［3］西門子（中國）有限公司自動化與驅(qū)動集團.深入淺出西門子WINCC V6［M］.第2 版.北京；北京航空航天大學出版社，2004.

［4］步進式熱處理線通用工藝規(guī)程等 天津井通石油鉆桿公司內(nèi)部資料.