生产线工业控制系统的设计

    随着石油勘探技术的发展及石油开发区域的不断扩大，油井深度也日益增大，尤其在西北地区，3 000米以上的油井在各油田分布很多。油管作为石油开采的重要管材，市场需求量日益增大，但是在对较深的油井进行开采时，由于油管自重增加，油管接头处要承受很大的拉应力，因而对其强度要求很高。同时，由于采油技术的需要，经常通过油管注入高压水或气体，有时还需注入酸液进行酸化处理以增加采收率，所以油管还要承受很大的内压力。因此，近年来，各油田不仅对油管的需求量逐年增多，而且对其质量也提出了更严格的要求。

2 存在问题

    某公司有一套利用传统继电器控制的油管生产线，此生产线主要由液压加厚机、步进机构、气压控制系统、中频感应加热炉、电气控制系统等组成。由于该套生产线投产时间长，控制系统落后，所以电气系统经常出现故障，造成了生产线停机，严重影响了生产，并且该套生产线没有设置监控系统，管理者不能及时全面掌握生产线的运行情况，设备的运行情况依靠生产线上每个员工随时进行检查，工人劳动强度大，电气系统维修费用高，安全隐患多，已远远不能满足生产需求。因此，对油管生产线电气控制系统进行改造，设计一套自动化程度高的工业控制系统，降低工人劳动强度，提高加工精度和加工效率，保障油田开采中对油管的需求成为当务之急。

3 方案设计

    3.1 逻辑控制部分

    (1)目前，世界上生产PLC产品的主要企业分布在美国、欧洲和日本。主要企业有美国A—B公司、通用电气(CE)公司，德国西门子(SIEMENS)公司、AEG公司，日本的欧姆龙、三菱等。主要PLC产品的模块、软件价格见表1。根据现场需求及各公司产品性能及价格，逻辑控制部分选择西门子S7—200型。

    (2)采用西门子S7—200 PLC为下位机。它主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信模块、电源模块和编程设备组成，各模块安装在机架上，系统构成和扩展都十分方便，不仅具有模块化、易于分布实现、运行可靠、性价比高等优点，同时具有逻辑判断、顺序控制、定时、计数和运算等功能，能够控制各种机械运动。PLC的输人信号有开关、故障信号、传感器信号等，输出信号主要为控制电机、电磁阀、指示灯等。

    3.2 数据采集监控部分

    生产数据采集监控部分采用工业计算机，在生产线上设置监控室进行集中监控。监控室内设置2面操作柜、2部监视器，生产线信息通过摄像头反馈至监视器，操作人员通过监视器对生产情况进行监控，能够在第一时间发现并安排人员及时排除故障。

    3.3 控制系统软件

    控制系统软件包括下位机PLC控制软件和上位机人机界面软件。下位机编程软件采用STEW／V5．4，主要功能是完成系统的硬件配置和编程。上位机采用组态王V6．53，主要功能是实现人机交互界面，显示设备的运行状态、运行情况、故障状态等信息。
 

4 系统设计

    4.1 变压器负荷校核

    原配电柜共计5面，编号为1撑一5#，原变压器容量1600 kVA，变压器至配电柜母排是2×80×8 mm铜母排(40℃载流量2660A。对生产线电气系统进行改造，因为利用原有的变压器及动力配电柜，所以需要进行变压器负荷的校核，负荷见表2。

    4.2 工房电气设计

    (1)原有的1 600 kVA变压器，1#(断路器3200A)、幼(无功补偿)及磷(断路器1200A)配电柜、铜母排均符合要求；

    (2)4#配电柜为四台中频感应加热炉提供电源，5群配电柜为液压加厚机提供电源，这两面配电柜内断路器不符合生产线的要求，需进行改造。

    4.3 控制系统设计

    液压加厚生产线管料输送需实现自动、手动上下料，工装动作过程由PLC自动控制，整条生产线的设备集中于监控室进行监控，操作人员可通过监视器观察生产线的生产情况，因此针对上述要求进行控制系统的设计。

    4.3.1 生产过程控制设计

    采用西门子S7—200系列小型可编程控制器，该PLC具有程序容量大、运行速度块、编程灵活、多种中断，性能优良、且价格低等优点。目前此种类型的PLC已成功应用于机械行业各种生产线，效果较佳，可满足工厂需求。同时，中频加热以及液压加厚工位送料精度要求较高，因此设计两种方案进行对比、分析。方案一：控制液压加厚机送料精度。液压机前端加装光电开关，当油管输送至液压机前时，光电开关发出到位信号，此时旋转编码器立刻启动，当旋转编码器运行到设定值时，将信号反馈给输送辊道，输送辊道立刻停止，此时油管被准确送人液压机进行加工。加工完毕后，根据液压机反馈信号将油管自动送出到固定位置。

    此方案送料精度由旋转编码器精度和光电开关灵敏度决定，运转过程中严格受到旋转编码器磨损量的限制，当编码器滚轮出现磨损现象时需及时调整参数，若未及时发现此问题，则会造成送料长度偏差。方案二：控制油管中频感应加热炉前对齐位置以及液压机机械手送料长度。钢管被送入中频加热前，首先进行对齐操作，对齐采用光电开关感应停止。当中频加热完成后，通过平移梁将钢管送入液压机加工工位。此时，机械手抱紧钢管，将钢管送人液压机，机械手设置固定行程。

    此方案机械手为死行程，送料精度只要严格控制光电开关灵敏度，而机械手只需定期维护即可。这种方案方便、可靠、精准，因此液压机的送料精度控制采用方案二。

    4.3.2 监控系统设计

    上位机系统设计主要分为系统参数、故障监控、生产动态、电机监控等，操作人员可以根据生产工艺，方便的更改参数和监控现场生产运行情况。选用组态王V6．53设计人机交互界面，通过界面可查询中频透热炉的加热温度、加热时间、启停状态以及中频电压。将中频透热炉的操作面板转接至人机交互界面上，可设置中频透热炉的相关参数以及监控生产线设备的运行状态。操作面板采集到的信号反馈至PLC，PLC再对生产线各设备进行控制操作。在两台液压机、4台中频透热炉以及整条生产线安装摄像头，监控各个工位工作情况。监控室设置相应的接收设备，将摄像头采集到的信息反应于监控室的显示屏上，实现生产线远程控制、集中控制，方便操作人员及时发现、排除故障，保证生产线的正常运行。

5 结束语

    自主设计的工业控制系统替代传统继电器控制系统后，操作人员能根据操作屏反馈的信息及视频系统中显示的信息，对生产线进行生产监控及故障排除。控制系统操作界面友好，运行安全可靠，现场监控一目了然，不仅降低了工人劳动强度，减少了维修次数，节省了设计费用20多万元，每年还可节省人工成本约30万元，具有显著的经济效益。