楊浩然，吳明亮，吳明永，張來(lái)喜

(1.蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050；2.蘭州城市學(xué)院培黎石油學(xué)院，甘肅蘭州 730070)

0 引言

油、套管是輸送石油、天然氣等能源的主要方式，油、套管質(zhì)量影響整個(gè)輸送管線可靠性。油、套管生產(chǎn)過(guò)程中，接箍擰接機(jī)是上卸扣的主要設(shè)備，其決定著油、套管的連接性能和密封性能[1-2]。油、套管在擰接過(guò)程有嚴(yán)格的扭矩要求，如果扭矩達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，就會(huì)出現(xiàn)粘扣、松扣、密封不嚴(yán)甚至脫扣的問(wèn)題[3]。由于油、套管長(zhǎng)期處于惡劣的工作環(huán)境中，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失[4]。因此，智能、高效、可靠的高精度擰接機(jī)控制系統(tǒng)在油、套管生產(chǎn)過(guò)程中尤為重要。

目前，接箍擰接機(jī)的整個(gè)工作過(guò)程主要靠人工完成，操作人員通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和按鈕控制相應(yīng)的電磁閥來(lái)完成相應(yīng)的動(dòng)作，甚至有些參數(shù)要靠肉眼判斷，造成生產(chǎn)效率低、可靠性差。有必要設(shè)計(jì)一套可靠的自動(dòng)化智能控制系統(tǒng)來(lái)提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

本文依托中國(guó)石油某油田接箍擰接機(jī)工程項(xiàng)目，針對(duì)現(xiàn)有接箍擰接機(jī)控制方面的不足進(jìn)行了改進(jìn)，并結(jié)合成熟的PLC技術(shù)、通訊技術(shù)和C#高級(jí)語(yǔ)言設(shè)計(jì)了智能化程度更高、效率更高、可靠性更好、更加精確的接箍擰接機(jī)控制系統(tǒng)。

1 接箍擰接機(jī)的構(gòu)成與工作過(guò)程

接箍擰接機(jī)本體主要由主鉗、背鉗、液壓馬達(dá)、氣缸、拉壓力傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器等構(gòu)成[5]。背鉗通過(guò)氣缸控制，用于固定住管體；拉壓力傳感器安裝于背鉗下方中心位置，力臂長(zhǎng)度為1 m，因此傳感器測(cè)得的拉壓力值可以認(rèn)為就是扭矩值。背鉗整體可以通過(guò)另外一套氣缸根據(jù)擰接管體的長(zhǎng)度調(diào)節(jié)與主鉗的距離。主鉗通過(guò)液壓馬達(dá)控制，用于夾緊并旋轉(zhuǎn)接箍，工作時(shí)需要液壓站提供動(dòng)力。液壓站主要包含1臺(tái)22 kW主泵、1臺(tái)11 kW副泵和1臺(tái)0.25 kW冷卻風(fēng)機(jī)。兩泵之間的切換采用兩個(gè)電磁溢流閥控制，以此來(lái)控制主鉗旋轉(zhuǎn)的速度；在液壓回路中包含1個(gè)電磁換向閥來(lái)控制主鉗旋轉(zhuǎn)的方向。管體的輸送由外部擰接輥道完成，擰接輥道將剛完成車絲的管體從車絲機(jī)輸送至擰接機(jī)，途中需要將管體套上接箍并進(jìn)行預(yù)擰。

整個(gè)擰接過(guò)程可以分為輸送過(guò)程和擰接過(guò)程兩部分。輸送過(guò)程由外部擰接輥道完成，過(guò)程分為橫向輸送和軸向輸送，將管體從車絲機(jī)輸送至擰接機(jī)屬于橫向輸送，將管體送入/出擰接機(jī)屬于軸向輸送。擰接過(guò)程由擰接機(jī)本體完成，且有上扣和卸扣兩種功能。其工作流程如圖1所示。

圖1 接箍擰接機(jī)工作過(guò)程

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及功能需求

系統(tǒng)采用由上位機(jī)和下位PLC構(gòu)成的兩級(jí)控制系統(tǒng)，上位機(jī)與PLC通過(guò)以太網(wǎng)通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)控和采集。下位PLC與拉壓力傳感器通過(guò)A/D模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；利用PLC的高速計(jì)數(shù)器對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖數(shù)進(jìn)行采集，其他信號(hào)為開(kāi)關(guān)量[6]。

根據(jù)控制要求，系統(tǒng)需要具備以下功能：

(1)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)兩種操作方式，針對(duì)不同的工況，自由切換。自動(dòng)操作方式用于正常生產(chǎn)過(guò)程中，各個(gè)機(jī)構(gòu)協(xié)同運(yùn)行；手動(dòng)操作方式主要用于檢測(cè)、維護(hù)和故障排除。

(2)系統(tǒng)能夠加工不同的管體規(guī)格且具有足夠的靈活性。加工的管體規(guī)格不同，需要記錄的參數(shù)和判定合格的標(biāo)準(zhǔn)也有差異，系統(tǒng)需要有多種模式應(yīng)對(duì)不同的管體規(guī)格。

(3)系統(tǒng)具有報(bào)表功能，可以隨時(shí)查詢記錄的數(shù)據(jù)，能夠?qū)?shù)據(jù)繪制成相應(yīng)的曲線，進(jìn)行曲線報(bào)表打印。

(4)上位機(jī)和下位機(jī)之間的通訊速度快，且穩(wěn)定可靠。

(5)系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)，能夠自動(dòng)報(bào)警且上位機(jī)能夠顯示發(fā)生故障的設(shè)備，并能夠?yàn)楣收系呐懦峁┯行У男畔ⅰ?/p>

(6)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)繪制扭矩與圈數(shù)關(guān)系以及轉(zhuǎn)速與圈數(shù)關(guān)系曲線，以此來(lái)判定產(chǎn)品是否合格。

3 擰接過(guò)程的數(shù)據(jù)處理與算法

3.1 數(shù)據(jù)處理

在擰接過(guò)程中，受到外部環(huán)境影響，會(huì)導(dǎo)致拉壓力傳感器的檢測(cè)數(shù)值出現(xiàn)波動(dòng)，因此需要進(jìn)行均值濾波處理。

根據(jù)控制要求，下位機(jī)每隔20 ms對(duì)拉壓力傳感器進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，以5個(gè)數(shù)據(jù)為一組，去掉5個(gè)數(shù)據(jù)中的最大值和最小值，剩下3個(gè)數(shù)據(jù)取平均值，平均值為最終處理完成的數(shù)據(jù)，上位機(jī)每隔100 ms將一個(gè)處理數(shù)據(jù)計(jì)入報(bào)表。具體方法如下：

設(shè)5個(gè)數(shù)據(jù)分別為a1，a2，a3，a4，a5，A=a1+a2+a3+a4+a5，amin=min{a1,a2,a3,a4,a5}，amax=max{a1,a2,a3,a4,a5}，最終處理的平均值a=(A-amin-amax)/3。

3.2 特殊扣拐點(diǎn)判據(jù)

根據(jù)控制要求，在擰接特殊扣型時(shí)，需要在擰接結(jié)束后判斷扭矩與圈數(shù)關(guān)系曲線的拐點(diǎn)。拐點(diǎn)指的是扭矩大小急劇增加的起始點(diǎn)，拐點(diǎn)的縱坐標(biāo)稱為臺(tái)肩扭矩，拐點(diǎn)的橫坐標(biāo)稱為臺(tái)肩圈數(shù)，如果某一特殊扣型產(chǎn)品的扭矩與圈數(shù)關(guān)系曲線上不存在拐點(diǎn)，則認(rèn)為產(chǎn)品不合格。為了使系統(tǒng)能夠自動(dòng)判斷拐點(diǎn)，需要一定的判據(jù)。

擰接過(guò)程中扭矩大小急劇增加，意味著曲線斜率急劇增加，設(shè)x表示圈數(shù)，y表示扭矩，k表示斜率。k的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)

其中x→x0但x≠x0。在實(shí)際應(yīng)用中由于主鉗轉(zhuǎn)速慢，數(shù)據(jù)記錄速度快，為保證x≠x0，設(shè)n為數(shù)據(jù)記錄的次數(shù)，xn為第n次圈數(shù)數(shù)據(jù)記錄，對(duì)應(yīng)的斜率kn可以表示為

(2)

通過(guò)實(shí)際擰接數(shù)據(jù)測(cè)得：如果對(duì)于給定的斜率參考值M，存在一個(gè)正數(shù)z，只要n>z，對(duì)應(yīng)kn的值總滿足不等式kn>M，且任意取兩個(gè)值n1和n2，當(dāng)z

4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求和點(diǎn)數(shù)，系統(tǒng)選用S7-1200 PLC，具體模塊配置與其他硬件選型如下。

4.1 PLC的模塊配置

PLC的CPU型號(hào)為1214C，本機(jī)帶有14個(gè)輸入點(diǎn)、10個(gè)輸出點(diǎn)和2個(gè)模擬量電壓輸入點(diǎn)。擴(kuò)展1塊輸入/輸出模塊SM1223(16點(diǎn)輸入，16點(diǎn)輸出)。由于PLC本體的模擬量輸入點(diǎn)只能接收電壓信號(hào)，因此需要擴(kuò)展1塊可接受電流信號(hào)的模擬量輸入信號(hào)板SB1231(1模擬量輸入)。

4.2 拉壓力傳感器

本系統(tǒng)選用BK-1B的拉壓力傳感器，量程為-5 000～5 000 kg，輸出信號(hào)為4～20 mA。

4.3 旋轉(zhuǎn)編碼器

系統(tǒng)選用型號(hào)為T(mén)RD-J1000-RZ旋轉(zhuǎn)編碼器，分辨率1/1 000。

5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為下位程序設(shè)計(jì)和上位軟件設(shè)計(jì)兩部分，下位軟件設(shè)計(jì)是指PLC的程序設(shè)計(jì)，使用STEP7進(jìn)行設(shè)計(jì)[7-8]；由于100 ms采集一組數(shù)據(jù)并記錄報(bào)表對(duì)軟件的運(yùn)行效率要求較高，因此采用C#高級(jí)語(yǔ)言對(duì)上位機(jī)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5.1 系統(tǒng)的下位程序設(shè)計(jì)

5.1.1 擰接程序的設(shè)計(jì)

根據(jù)要求接箍擰接機(jī)需要擁有上扣功能和卸扣功能，其中上扣功能需要有手/自動(dòng)兩種操作模式。具體流程如圖2和圖3所示。

圖2 自動(dòng)上扣流程圖

圖3 卸扣流程圖

5.1.1.1 上扣

管體到達(dá)擰接工位，開(kāi)始軸向送入，管體到達(dá)主鉗減速檢測(cè)開(kāi)關(guān)后開(kāi)始減速，并延時(shí)停止，確保接箍到達(dá)主鉗內(nèi)合適的位置。管體到位后，背鉗夾緊，延時(shí)一段時(shí)間后打開(kāi)主泵溢流閥，主鉗夾緊并高速旋轉(zhuǎn)，達(dá)到減速扭矩后，主泵溢流閥關(guān)閉，副泵溢流閥打開(kāi)，主鉗變?yōu)榈退傩D(zhuǎn)，達(dá)到控制扭矩后，副泵溢流閥關(guān)閉，主鉗停止旋轉(zhuǎn)，等待J值按鈕確認(rèn)，若需要繼續(xù)擰接，則需要按重復(fù)擰接按鈕，打開(kāi)副泵溢流閥繼續(xù)低速旋轉(zhuǎn)上扣，J值確認(rèn)按鈕按下后，主鉗松開(kāi)，延時(shí)一段時(shí)間，背鉗松開(kāi)，管體軸向送出，退出檢測(cè)開(kāi)關(guān)后，延時(shí)停止，然后進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。手動(dòng)上扣僅是將延時(shí)控制換為人工操控按鈕和轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，控制流程與自動(dòng)控制相似。

5.1.1.2 卸扣

卸扣時(shí)，先打開(kāi)副泵溢流閥，主鉗開(kāi)始以低速旋轉(zhuǎn)，延時(shí)一段時(shí)間，檢測(cè)扭矩是否大于減速扭矩，若大于減速扭矩，則繼續(xù)用低速旋轉(zhuǎn)，若低于減速扭矩，副泵溢流閥關(guān)閉，主泵溢流閥打開(kāi)，主鉗高速旋轉(zhuǎn)，直至完全松開(kāi)，卸扣功能僅有手動(dòng)功能。

5.1.2 主鉗圈數(shù)和瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的計(jì)算

PLC通過(guò)高速計(jì)數(shù)器對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行脈沖數(shù)采集[9]。采集的脈沖數(shù)除以旋轉(zhuǎn)編碼器自身的分辨率，就得到旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，再乘以相應(yīng)的傳動(dòng)比，就可以得到主鉗轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)。瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的計(jì)算原理與曲線斜率的計(jì)算相似，實(shí)際實(shí)現(xiàn)通過(guò)PLC的循環(huán)中斷組織塊，設(shè)定每隔100 ms執(zhí)行一次中斷，在中斷開(kāi)始和結(jié)束時(shí)分別讀取一次脈沖數(shù)，結(jié)束時(shí)的脈沖和下一次開(kāi)始時(shí)的脈沖的時(shí)間間隔為100 ms，將2個(gè)時(shí)刻的脈沖數(shù)作差，在經(jīng)過(guò)圈數(shù)計(jì)算，就可以得到100 ms主鉗轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，進(jìn)而計(jì)算轉(zhuǎn)速。擰接過(guò)程大約需要持續(xù)1 min以上，所以10 ms是很小的時(shí)間間隔，因此可認(rèn)為該轉(zhuǎn)速為主鉗的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。

5.2 系統(tǒng)的上位軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的上位軟件采用C#高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)[10]。主要完成數(shù)據(jù)顯示、曲線繪制、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)記錄、報(bào)表打印、故障報(bào)警、用戶管理和模式轉(zhuǎn)換等功能。該上位軟件具有良好的兼容性、高效性、穩(wěn)定性和易擴(kuò)展性。下面將介紹軟件的主要功能。軟件主界面如圖4所示。

圖4 主界面圖

5.2.1 數(shù)據(jù)顯示與曲線繪制功能

在操作過(guò)程中，很多數(shù)據(jù)需要最直觀的傳遞給操作人員，而不是需要操作人員去進(jìn)行復(fù)雜的查詢。因此，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，要將這部分信息在主界面進(jìn)行顯示。判斷一個(gè)產(chǎn)品是否合格，主要的判定依據(jù)是數(shù)據(jù)繪制成的曲線，因此曲線也需要放在主界面顯示。繪制的曲線有2條，一條是扭矩-圈數(shù)關(guān)系曲線，另一條是轉(zhuǎn)速-圈數(shù)關(guān)系曲線，這2條曲線在擰接過(guò)程中實(shí)時(shí)繪制，擰接過(guò)程開(kāi)始后，當(dāng)扭矩達(dá)到起始扭矩時(shí)，軟件開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)并繪制曲線，直至擰接過(guò)程結(jié)束。流程如圖5所示。

圖5 報(bào)表記錄流程圖

5.2.2 數(shù)據(jù)記錄與報(bào)表打印功能

數(shù)據(jù)記錄主要是指上位機(jī)每100 ms采集一組下位機(jī)的數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包含扭矩、轉(zhuǎn)速和圈數(shù)。由于管體規(guī)格的差異，擰接過(guò)程持續(xù)的時(shí)間也有所區(qū)別，根據(jù)要求一個(gè)產(chǎn)品需按照記錄2 000組數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量進(jìn)行設(shè)計(jì)。也就是說(shuō)每個(gè)產(chǎn)品要記錄6 000個(gè)數(shù)據(jù)，而正常情況下每天加工的產(chǎn)品數(shù)量成百上千，如此數(shù)量顯然數(shù)據(jù)庫(kù)很難承受，因此采用OLEDB技術(shù)，將數(shù)據(jù)直接記錄到Excel中，每個(gè)產(chǎn)品對(duì)應(yīng)一個(gè)Excel文件。每個(gè)Excel文件中除了擰接過(guò)程記錄的數(shù)據(jù)，還包含對(duì)應(yīng)產(chǎn)品的相關(guān)參數(shù)以及數(shù)據(jù)繪制成的曲線，以上內(nèi)容構(gòu)成最終的報(bào)表，Excel的文件名為擰接序號(hào)，軟件擁有擰接合格立即打印的功能，可以實(shí)時(shí)打印報(bào)表。

5.2.3 用戶管理功能

軟件中用戶類型分為2種：一種是普通用戶，普通用戶的用戶管理權(quán)限僅限對(duì)本用戶的密碼修改，以及本用戶的登錄與退出；另一種是管理員用戶，管理員用戶的用戶管理權(quán)限有創(chuàng)建新用戶、修改所有用戶的密碼或用戶名、設(shè)置每個(gè)用戶的用戶類型和刪除用戶等。用戶在登錄完成后，軟件就會(huì)判斷所登錄用戶的用戶類型，以此來(lái)決定用戶管理權(quán)限。

5.2.4 模式轉(zhuǎn)換功能

軟件包含扭矩和特殊扣兩種模式，其中特殊扣模式是專門(mén)針對(duì)特殊口型產(chǎn)品的模式，這種模式會(huì)記錄臺(tái)肩扭矩和臺(tái)肩圈數(shù)并計(jì)算臺(tái)肩扭矩百分比，根據(jù)結(jié)果將拐點(diǎn)標(biāo)在實(shí)時(shí)繪制的曲線上，并將拐點(diǎn)的數(shù)據(jù)記錄至報(bào)表，以在報(bào)表的曲線上也標(biāo)出拐點(diǎn)。

5.3 系統(tǒng)的通訊設(shè)計(jì)

S7.NET通訊協(xié)議完全用C#編寫(xiě)，僅適用于上位機(jī)與PLC的以太網(wǎng)連接。在本系統(tǒng)中，與上位機(jī)通訊的PLC是S7-1200 PLC，因此，本系統(tǒng)的上位機(jī)和PLC之間的通訊可以使用S7.NET通訊協(xié)議。上位機(jī)作為客戶端，PLC作為服務(wù)器，上位機(jī)可以對(duì)PLC進(jìn)行讀寫(xiě)操作，在PLC中不需要寫(xiě)任何通訊程序。通訊接口為以太網(wǎng)接口，通過(guò)交換機(jī)與PLC相連接。

6 系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況

系統(tǒng)自2018年4月投入運(yùn)行至今，未發(fā)生過(guò)故障。系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)，自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單。圖6為2018年5月18日生產(chǎn)的某個(gè)特殊扣產(chǎn)品的報(bào)表，從報(bào)表可以看出，雖然曲線中有一段波動(dòng)，但由于橫坐標(biāo)為圈數(shù)而不是時(shí)間，因此這段波動(dòng)是擰接過(guò)程中緩慢產(chǎn)生的真實(shí)扭矩，不是傳感器的瞬時(shí)波動(dòng)，這段波動(dòng)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速曲線可以看出，是由于擰接過(guò)程到達(dá)減速扭矩，主鉗減速導(dǎo)致的，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量沒(méi)有影響。箭頭所指的點(diǎn)為拐點(diǎn)，曲線拐點(diǎn)位置判斷準(zhǔn)確，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖6 2018年5月18日某產(chǎn)品報(bào)表圖

7 結(jié)論

本系統(tǒng)結(jié)合PLC技術(shù)、通訊技術(shù)、C#高級(jí)語(yǔ)言和合理的控制算法設(shè)計(jì)的新型接箍擰接機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)控制中自動(dòng)化和智能化程度低的問(wèn)題。系統(tǒng)可以長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行，具有很高的可靠性和抗干擾能力。實(shí)踐證明，本系統(tǒng)高效智能，具有良好的推廣價(jià)值。