(上海海隆石油管材研究所，上海 寶山 200949)

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，溫度和流量等工業(yè)過程量的控制顯得更加重要，對這些變量的控制要求也不斷提高，PLC技術(shù)作為現(xiàn)代工業(yè)自動化的主要技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。

鉆桿在使用過程中必須能夠承受巨大的內(nèi)外壓，這使得鉆桿必須要有足夠高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。而在鉆頭扭曲改變鉆探方向時(shí)又不能使管體發(fā)生彎曲變形，所以鉆桿又要有足夠高的塑性和韌性。對于地質(zhì)鉆桿來說，既要有足夠的強(qiáng)度，又要有足夠高的塑性和韌性。一般通過調(diào)質(zhì)處理得到的回火索氏體可以滿足這樣的要求。想要獲得較好的回火索氏體組織，必須得到馬氏體，這就要求鉆桿要有相當(dāng)好的淬透性[1]。

目前，鉆桿生產(chǎn)線的熱處理工位，主要進(jìn)行接頭和管體焊縫處的熱處理調(diào)質(zhì)，包括淬火和回火兩個(gè)工序。目前沒有一套較好的溫度采集記錄系統(tǒng)，無法保證管子焊縫的熱處理工藝質(zhì)量。

石油鉆桿作為石油開采工業(yè)中的重要裝備，在加工制造過程中對其工藝要求和工藝質(zhì)量要求非常嚴(yán)格，如果質(zhì)量不過關(guān)，鉆桿在下井作業(yè)時(shí)產(chǎn)生故障將造成嚴(yán)重的鉆井事故，最壞可能造成該油井報(bào)廢，直接經(jīng)濟(jì)損失不可估量。

本文主要是針對鉆桿熱處理溫度采集存在問題展開研究，從理論上分析了溫度采集記錄的實(shí)現(xiàn)過程，深入研究焊縫熱處理工藝流程以及質(zhì)量要求，并對各種方法進(jìn)行了比較，采用現(xiàn)代信號處理技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)進(jìn)行研究。主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：

1) 由于焊縫熱處理是專門針對鉆桿管體和鉆桿接頭對焊處焊縫的天然氣開采和集輸站場一般處于地?zé)崽幚?，加熱區(qū)域局限，溫度采集面較窄，為了保證焊區(qū)熱處理質(zhì)量，焊區(qū)溫度采集和記錄十分必要，方便對焊區(qū)熱處理溫度進(jìn)行查看和記錄。

2) 通過對溫度信號特點(diǎn)的分析，包括溫度傳感器原理，還需要對傳感器的布點(diǎn)做出分析，找出適用于溫度采集的最優(yōu)方法。

3) 信號采集與處理單元，有用信號的提取等。主要是利用傳感器對現(xiàn)場信號進(jìn)行采集，然后對采集來的信號在PLC進(jìn)行處理，通過對特征信息的提取和分析進(jìn)行溫度采集和記錄功能。

4) 監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)。本文采用雷諾的高精度溫度傳感器為采集設(shè)備，并利用WinCC軟件進(jìn)行人機(jī)交互界面的制作。

5) 通過profibus實(shí)現(xiàn)上位機(jī)WinCC與下位PLC的通訊。

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要應(yīng)該從現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和控制臺這三個(gè)模塊進(jìn)行考慮。各部分的作用是：現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊主要是通過傳感器拾取現(xiàn)場信號；控制臺主要是對采集到的信號進(jìn)行分析和處理。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

1 PLC組態(tài)以及控制程序編寫

PLC的全稱為可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程[3]。

在組態(tài)概念出現(xiàn)之前，要實(shí)現(xiàn)某一任務(wù)，都是通過編寫程序(如使用BASIC,C,FORTRAN等)來實(shí)現(xiàn)的。編寫程序不但工作量大、周期長，而且容易犯錯(cuò)誤，不能保證工期。組態(tài)軟件的出現(xiàn)，解決了這個(gè)問題。對于過去需要幾個(gè)月的工作，通過組態(tài)幾天就可以完成。

1.1 PLC組態(tài)

在使用工控軟件過程中，我們經(jīng)常提到組態(tài)一詞，組態(tài)英文是“Configuration”，其意義究竟是什么呢？簡單的講，組態(tài)就是用應(yīng)用軟件中提供的工具、方法，完成工程中某一具體任務(wù)的過程。

“組態(tài)(Configure)”的含義是“配置”、“設(shè)定”、“設(shè)置”等意思，是指用戶通過類似“搭積木”的簡單方式來完成自己所需要的軟件功能，而不需要編寫計(jì)算機(jī)程序，也就是所謂的“組態(tài)”。它有時(shí)候也稱為“二次開發(fā)”，組態(tài)軟件就稱為“二次開發(fā)平臺”[2]。

該文采用Step7V5.5組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)軟件組態(tài)，該款軟件為西門子經(jīng)典軟件，功能強(qiáng)大，編程語言多樣，具有較全面的庫函數(shù)，能夠很好的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理功能。

1.1.1 硬件組態(tài)

硬件組態(tài)是指根據(jù)硬件的安裝標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)格進(jìn)行硬件配置。先把安裝板固定在控制柜內(nèi)，然后依次安裝PS(電源)模塊、CPU模塊、數(shù)字量I/O模塊、模擬量I/O模塊。其中數(shù)字量I/O模塊和模擬量I/O的數(shù)量根據(jù)項(xiàng)目需要進(jìn)行安排，但每個(gè)導(dǎo)軌最多安裝8個(gè)模塊，其他模塊可以通過從站擴(kuò)展。

1.1.2 軟件組態(tài)

在STEP 7中，用項(xiàng)目來管理一個(gè)自動化系統(tǒng)的硬件和軟件。STEP 7用SIMATIC管理器對項(xiàng)目進(jìn)行集中管理，它可以方便地瀏覽SIMATIC S7、M7、C7和WinCC的數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)STEP 7各種功能所需的SIMATIC軟件工具都集成在STEP 7中[3]。

首先新建項(xiàng)目，右鍵單擊項(xiàng)目名稱出現(xiàn)如圖所示選擇插入新對象，選擇所需的PLC站點(diǎn)，這里選擇SIMATIC300站點(diǎn)，點(diǎn)擊進(jìn)入站點(diǎn)出現(xiàn)硬件表示，雙擊硬件進(jìn)入軟件中的組態(tài)界面，可以看到我們所需要的所有模塊(包括CPU、電源、I/O等)。

打開硬件配置后就可以依次配置PLC各個(gè)模塊，背板的第一個(gè)插槽必須放置電源模塊，依次放置CPU模塊和I/O模塊。

1.2 模塊屬性配置

在STEP7中組態(tài)好PLC各個(gè)模塊后，還需要根據(jù)項(xiàng)目需要對各個(gè)模塊進(jìn)行屬性設(shè)置，如地址分配和數(shù)據(jù)類型設(shè)置等。

首先對CPU進(jìn)行設(shè)置，右擊CPU模塊，找到對象屬性選項(xiàng)，雙擊打開，CPU屬性對話框就打開了，在這里根據(jù)需要對CPU屬性進(jìn)行配置就可以。本項(xiàng)目數(shù)字量I/O模塊采用默認(rèn)地址設(shè)置。

如圖2是對模擬量輸入模塊的屬性所進(jìn)行的配置，現(xiàn)場溫度信號經(jīng)溫度傳感器采集后轉(zhuǎn)化成4～20 mA的模擬量信號，這里設(shè)置測量范圍為4～20 mA，根據(jù)配置在硬件上對量程卡進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。

圖2 AI模塊屬性對話框

1.3 溫度信號的采集實(shí)現(xiàn)

如圖3所示，通過紅外測溫設(shè)備將現(xiàn)場鉆桿焊縫溫度轉(zhuǎn)化為4～20 mA模擬量電流信號，信號經(jīng)過中繼分成兩路，一路信號傳輸?shù)浆F(xiàn)場PID調(diào)節(jié)器的輸入端用于加熱溫度的PID閉環(huán)控制。另一路信號通過傳輸線傳輸?shù)轿鏖T子模擬量輸入模塊(AI)的通道中，通過AI模塊的A/D轉(zhuǎn)換功能將模擬量信號轉(zhuǎn)換成機(jī)器可以識別的數(shù)字量信號，然后通過PLC程序編譯實(shí)現(xiàn)所需信號的標(biāo)定，標(biāo)定后將實(shí)際測到的溫度傳輸?shù)紻B數(shù)據(jù)塊進(jìn)行存儲，并將實(shí)際測到的溫度信號以可讀取的方式顯示在人機(jī)交互界面上。

圖3 信號采集和傳輸

查閱資料得到，實(shí)現(xiàn)信號的標(biāo)定，需要明確以下量的關(guān)系，假設(shè)實(shí)際測試物理量為A，物理量測試儀的量程為A0～Am，轉(zhuǎn)化為機(jī)器語言的實(shí)際量為D，量程對應(yīng)的數(shù)字量的范圍為D0～Dm，則實(shí)際測試值可以從式(1)得出。

(1)

假設(shè)選擇的測溫儀量程為400～1200 ℃，西門子300模擬量輸入模塊將電信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值范圍為0～27648假設(shè)PLC讀取值為X，帶入式(1)可得對應(yīng)溫度T(單位℃)為式(2)所示：

(2)

根據(jù)式(2)可以再程序中實(shí)現(xiàn)溫度的標(biāo)定和讀取。將經(jīng)過標(biāo)定后的溫度值保持在對應(yīng)的DB數(shù)據(jù)塊中，這樣在人機(jī)交互界面中可以通過讀取相應(yīng)的DB塊的地址實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示[5-8]。

2 基于WinCC7.0的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

SIMATIC WinCC--視窗控制中心，它是第一個(gè)使用最新的32位技術(shù)的過程監(jiān)視系統(tǒng)，具有良好的開放性和靈活性。

通用的應(yīng)用程序，適合所有工業(yè)領(lǐng)域的解決方案；多語言支持，全球通用 ；可以集成到所有自動化解決方案內(nèi)；內(nèi)置所有操作和管理功能，可簡單、有效地進(jìn)行組態(tài)；可基于Web持續(xù)延展，采用開放性標(biāo)準(zhǔn)，集成簡便；集成的Historian 系統(tǒng)作為IT 和商務(wù)集成的平臺；可用選件和附加件進(jìn)行擴(kuò)展 ；“全集成自動化” 的組成部分，適用于所有工業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域的解決方案。

WinCC7.0是SIMATIC PCS 7過程控制系統(tǒng)及其它西門子控制系統(tǒng)中的人機(jī)界面組件。WinCC7.0提供了所有最重要的通訊通道， 用于連接到SIMATIC S5/S7/505控制器(例如通過S7協(xié)議集)的通訊，以及如PROFIBUS-DP/ FMS、DDE(動態(tài)數(shù)據(jù)交換)和OPC(用于過程控制的OLE)等非專用通道[9]。

2.1 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

鉆桿焊縫熱處理溫度采集記錄系統(tǒng)主要目的是實(shí)現(xiàn)熱處理溫度的實(shí)時(shí)有效的采集和準(zhǔn)確的記錄。人機(jī)交互要求具有簡便、安全、可靠等特點(diǎn)，根據(jù)項(xiàng)目需求做了參數(shù)設(shè)置、溫度曲線實(shí)時(shí)顯示、歷史查詢、報(bào)警監(jiān)視等多組畫面。通過按鈕各個(gè)畫面可以相互切換。

2.1.1 項(xiàng)目配置

打開WinCC7.0軟件，創(chuàng)建單用戶項(xiàng)目。創(chuàng)建項(xiàng)目完成后對各個(gè)選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置，首先進(jìn)行計(jì)算機(jī)屬性設(shè)置，單擊計(jì)算機(jī)可以看到右側(cè)出現(xiàn)服務(wù)器，雙擊服務(wù)器進(jìn)入屬性對話框，在服務(wù)器屬性對話框中對服務(wù)器名稱、啟動項(xiàng)、參數(shù)等根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。

內(nèi)部變量主要是對加熱時(shí)間進(jìn)行了配置。在進(jìn)行外部變量配置時(shí)需要對傳輸路徑的驅(qū)動進(jìn)行配置，本項(xiàng)目采用PROFIBUS總線通訊，單擊屬性，進(jìn)入連接對話框，根據(jù)PLC的地址進(jìn)行配置[2-3]。變量管理配置好后，進(jìn)行變量創(chuàng)建和關(guān)聯(lián)。

該項(xiàng)目使用研華工控機(jī)作為上位機(jī)，配置西門子CP5611卡作為通訊接口，采用PROFIBUS-DP通訊方式實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和PLC的通信，上位機(jī)地址設(shè)置為3，傳輸速率1.5 Mbps。

2.2 監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)

打開圖形編輯器，新建畫面，輸入畫面名稱，根據(jù)畫面內(nèi)容進(jìn)行排版和布局。

畫面如圖4所示，其中包括流水編號和工位溫度實(shí)時(shí)顯示窗口，還有超溫報(bào)警燈、參數(shù)設(shè)置窗口、狀態(tài)監(jiān)視等內(nèi)容。

圖4 人機(jī)界面布局

2.3 數(shù)據(jù)歸檔與SQL服務(wù)器設(shè)置

將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔處理，以便實(shí)現(xiàn)歷史記錄的可追溯性。通過在WinCC7.0中添加腳本動作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的歸檔和調(diào)用。

2.3.1 WinCC7.0數(shù)據(jù)歸檔

在WinCC7.0管理器中打開“變量記錄”選項(xiàng)卡，選擇“歸檔組態(tài)”條目。打開數(shù)據(jù)窗口，選擇需要?dú)w檔的變量，并選擇歸檔周期為500 ms，歸檔類型為變量觸發(fā)。

WinCC7.0中全局動作中添加VBS動作，對各個(gè)工位的溫度采集進(jìn)行數(shù)據(jù)歸檔保存，連接SQL-server2005數(shù)據(jù)庫，通過訪問數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)各個(gè)工位的數(shù)據(jù)存儲和歷史數(shù)據(jù)的調(diào)用。

2.3.2 SQL-server2005配置

配置好WinCC67.0后進(jìn)行SQL-server2005的配置，打開SQL Server Management Studio，選擇服務(wù)器類型為“Database Engine”，選擇服務(wù)器名稱為“PC-1WINCC”，認(rèn)證選擇為SQL Server Authentication，輸入用戶名和密碼進(jìn)入數(shù)據(jù)庫管理窗口，新建查詢窗口，編輯語句建立db-heat數(shù)據(jù)庫，通過語句建立數(shù)據(jù)字段名和定義[10-11]。語句表如圖5。

圖5 語句文檔

3 溫度采集記錄方法應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)安裝調(diào)試

根據(jù)熱處理工位現(xiàn)場情況進(jìn)行測溫點(diǎn)的布局和硬件電氣線路連接，系統(tǒng)安裝調(diào)試。

3.1.1 溫度記錄系統(tǒng)安裝

1)根據(jù)熱處理工位分布布置溫度采集傳感器，退火工位布置一個(gè)傳感器，在加熱爐上開出溫度采集孔，淬火和回火各布置兩個(gè)溫度采集點(diǎn)，每個(gè)工位均布置一個(gè)溫度傳感器。

2)配置一臺工控機(jī)用于監(jiān)控軟件的安裝和調(diào)試。

3)根據(jù)電氣原理圖紙對電控柜進(jìn)行配盤并做好連接線路的連接?，F(xiàn)場溫度采集到的模擬量信號一路傳輸?shù)絇ID調(diào)節(jié)器用于控制加熱功率，保證加熱的均勻性和保溫的恒定性。一路信號經(jīng)信號分配器傳輸?shù)絇LC模擬量輸入模塊被PLC讀取并進(jìn)行處理。

3.1.2 系統(tǒng)調(diào)試

調(diào)試方案：

1)用廢管進(jìn)行加熱并調(diào)整系統(tǒng)程序。

2)好管測試并用標(biāo)準(zhǔn)測溫槍進(jìn)行溫度比較并做好記錄。

3)實(shí)時(shí)溫度曲線查看，以及歷史溫度曲線查詢。

4)報(bào)警界面的調(diào)試。

在系統(tǒng)調(diào)試過程中，根據(jù)不同的工位將該工位采集到的溫度在PLC程序中進(jìn)行標(biāo)定和監(jiān)控，通過調(diào)整PID參數(shù)達(dá)到對現(xiàn)場溫度較好的控制效果，測試現(xiàn)場的真實(shí)溫度，采樣周期為250 ms，采樣精度較高。

經(jīng)過調(diào)試，該方法能夠很好的實(shí)現(xiàn)熱處理溫度的實(shí)時(shí)顯示和歷史數(shù)據(jù)的調(diào)取并顯示。

3.2 系統(tǒng)的應(yīng)用

系統(tǒng)調(diào)試結(jié)束后需要對系統(tǒng)進(jìn)行一段時(shí)間的試運(yùn)行，經(jīng)過1個(gè)月時(shí)間的試運(yùn)行，試運(yùn)行期間該系統(tǒng)能夠很好的將采集到的溫度信號進(jìn)行顯示，并能夠?qū)崿F(xiàn)溫度曲線歷史記錄的查詢試運(yùn)行效果良好正式投入使用。

該溫度采集記錄系統(tǒng)在運(yùn)行中系統(tǒng)比較穩(wěn)定可靠，測試的溫度經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)測溫槍比對滿足生產(chǎn)工藝要求，能夠很好的保證產(chǎn)品質(zhì)量。淬火工位溫度曲線如圖6。

圖6 淬火工位溫度曲線

工位查詢溫度曲線如圖7。

圖7 工位查詢溫度曲線

每個(gè)工位完成后可以自動倒出報(bào)表自動保存為Excel文檔，找到存儲路徑打開數(shù)據(jù)記錄，查看各個(gè)數(shù)據(jù)字段名和各個(gè)記錄的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場手動記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，完全符合工藝要求。

4 結(jié)語

該文章主要介紹了一種基于PLC的焊縫熱處理溫度采集記錄監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，主要采用西門子PLCS7-300、WinCC7.0和SQL2005數(shù)據(jù)庫完成數(shù)據(jù)的采集和記錄，并通過語句實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互功能。該系統(tǒng)具有以下功能：

1)實(shí)現(xiàn)了焊縫熱處理溫度PID控制和溫度的實(shí)時(shí)采集并顯示在界面上。

2)通過在人機(jī)交互界面上添加功能按鈕可以實(shí)現(xiàn)單工位溫度曲線的查看和多工位溫度曲線的查看功能。

3)實(shí)現(xiàn)溫度曲線報(bào)警閾值的設(shè)置，并做出報(bào)警畫面和報(bào)警記錄。

4)滿足溫度曲線的在線實(shí)時(shí)查看和歷史溫度曲線的在線查看和離線查看功能。

5)該系統(tǒng)具備友好的班次切換功能，滿足三班倒班和兩班倒班上下班切換功能。

該系統(tǒng)通過溫度采集和記錄方法的實(shí)現(xiàn)，滿足鉆桿焊縫熱處理溫度曲線的實(shí)時(shí)查看和歷史數(shù)據(jù)的可追溯性，對鉆桿焊縫熱處理工藝做好了各個(gè)溫度點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和存儲，采樣多記錄準(zhǔn)，對生產(chǎn)工藝的比對和調(diào)整能夠提供很好的參考，同時(shí)通過溫度曲線的查看能夠更直觀的反應(yīng)工藝的執(zhí)行，具有很好的推廣價(jià)值。

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