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(kuò)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(chǎng)需求量日益增大，但是在對(duì)較深的油井進(jìn)行開采時(shí)，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(duì)其強(qiáng)度要求很高。同時(shí)，由于采油技術(shù)的需要，經(jīng)常通過(guò)油管注入高壓水或氣體，有時(shí)還需注入酸液進(jìn)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(lái)，各油田不僅對(duì)油管的需求量逐年增多，而且對(duì)其質(zhì)量也提出了更嚴(yán)格的要求。

2 存在問(wèn)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(jī)、步進(jìn)機(jī)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(shí)間長(zhǎng)，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(jī)，嚴(yán)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(shí)全面掌握生產(chǎn)線的運(yùn)行情況，設(shè)備的運(yùn)行情況依靠生產(chǎn)線上每個(gè)員工隨時(shí)進(jìn)行檢查，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，電氣系統(tǒng)維修費(fèi)用高，安全隱患多，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)需求。因此，對(duì)油管生產(chǎn)線電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)一套自動(dòng)化程度高的工業(yè)控制系統(tǒng)，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高加工精度和加工效率，保障油田開采中對(duì)油管的需求成為當(dāng)務(wù)之急。

3 方案設(shè)計(jì)

    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(guó)、歐洲和日本。主要企業(yè)有美國(guó)A—B公司、通用電氣(CE)公司，德國(guó)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(jià)格見表1。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求及各公司產(chǎn)品性能及價(jià)格，邏輯控制部分選擇西門子S7—200型。

    (2)采用西門子S7—200 PLC為下位機(jī)。它主要由機(jī)架、CPU模塊、信號(hào)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(jī)架上，系統(tǒng)構(gòu)成和擴(kuò)展都十分方便，不僅具有模塊化、易于分布實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行可靠、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有邏輯判斷、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和運(yùn)算等功能，能夠控制各種機(jī)械運(yùn)動(dòng)。PLC的輸人信號(hào)有開關(guān)、故障信號(hào)、傳感器信號(hào)等，輸出信號(hào)主要為控制電機(jī)、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(jì)算機(jī)，在生產(chǎn)線上設(shè)置監(jiān)控室進(jìn)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(guò)攝像頭反饋至監(jiān)視器，操作人員通過(guò)監(jiān)視器對(duì)生產(chǎn)情況進(jìn)行監(jiān)控，能夠在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并安排人員及時(shí)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(jī)PLC控制軟件和上位機(jī)人機(jī)界面軟件。下位機(jī)編程軟件采用STEW／V5．4，主要功能是完成系統(tǒng)的硬件配置和編程。上位機(jī)采用組態(tài)王V6．53，主要功能是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面，顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行情況、故障狀態(tài)等信息。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    4.1 變壓器負(fù)荷校核

    原配電柜共計(jì)5面，編號(hào)為1撐一5#，原變壓器容量1600 kVA，變壓器至配電柜母排是2×80×8 mm銅母排(40℃載流量2660A。對(duì)生產(chǎn)線電氣系統(tǒng)進(jìn)行改造，因?yàn)槔�用原有的變壓器及�?dòng)力配電柜，所以需要進(jìn)行變壓器負(fù)荷的校核，負(fù)荷見表2。

    4.2 工房電氣設(shè)計(jì)

    (1)原有的1 600 kVA變壓器，1#(斷路器3200A)、幼(無(wú)功補(bǔ)償)及磷(斷路器1200A)配電柜、銅母排均符合要求；

    (2)4#配電柜為四臺(tái)中頻感應(yīng)加熱爐提供電源，5群配電柜為液壓加厚機(jī)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(jìn)行改造。

    4.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    液壓加厚生產(chǎn)線管料輸送需實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、手動(dòng)上下料，工裝動(dòng)作過(guò)程由PLC自動(dòng)控制，整條生產(chǎn)線的設(shè)備集中于監(jiān)控室進(jìn)行監(jiān)控，操作人員可通過(guò)監(jiān)視器觀察生產(chǎn)線的生產(chǎn)情況，因此針對(duì)上述要求進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

    4.3.1 生產(chǎn)過(guò)程控制設(shè)計(jì)

    采用西門子S7—200系列小型可編程控制器，該P(yáng)LC具有程序容量大、運(yùn)行速度塊、編程靈活、多種中斷，性能優(yōu)良、且價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。目前此種類型的PLC已成功應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)各種生產(chǎn)線，效果較佳，可滿足工廠需求。同時(shí)，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(jì)兩種方案進(jìn)行對(duì)比、分析。方案一：控制液壓加厚機(jī)送料精度。液壓機(jī)前端加裝光電開關(guān)，當(dāng)油管輸送至液壓機(jī)前時(shí)，光電開關(guān)發(fā)出到位信號(hào)，此時(shí)旋轉(zhuǎn)編碼器立刻啟動(dòng)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器運(yùn)行到設(shè)定值時(shí)，將信號(hào)反饋給輸送輥道，輸送輥道立刻停止，此時(shí)油管被準(zhǔn)確送人液壓機(jī)進(jìn)行加工。加工完畢后，根據(jù)液壓機(jī)反饋信號(hào)將油管自動(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中嚴(yán)格受到旋轉(zhuǎn)編碼器磨損量的限制，當(dāng)編碼器滾輪出現(xiàn)磨損現(xiàn)象時(shí)需及時(shí)調(diào)整參數(shù)，若未及時(shí)發(fā)現(xiàn)此問(wèn)題，則會(huì)造成送料長(zhǎng)度偏差。方案二：控制油管中頻感應(yīng)加熱爐前對(duì)齊位置以及液壓機(jī)機(jī)械手送料長(zhǎng)度。鋼管被送入中頻加熱前，首先進(jìn)行對(duì)齊操作，對(duì)齊采用光電開關(guān)感應(yīng)停止。當(dāng)中頻加熱完成后，通過(guò)平移梁將鋼管送入液壓機(jī)加工工位。此時(shí)，機(jī)械手抱緊鋼管，將鋼管送人液壓機(jī)，機(jī)械手設(shè)置固定行程。

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

    4.3.2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為系統(tǒng)參數(shù)、故障監(jiān)控、生產(chǎn)動(dòng)態(tài)、電機(jī)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(chǎng)生產(chǎn)運(yùn)行情況。選用組態(tài)王V6．53設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，通過(guò)界面可查詢中頻透熱爐的加熱溫度、加熱時(shí)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(jī)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(yùn)行狀態(tài)。操作面板采集到的信號(hào)反饋至PLC，PLC再對(duì)生產(chǎn)線各設(shè)備進(jìn)行控制操作。在兩臺(tái)液壓機(jī)、4臺(tái)中頻透熱爐以及整條生產(chǎn)線安裝攝像頭，監(jiān)控各個(gè)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(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線遠(yuǎn)程控制、集中控制，方便操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)、排除故障，保證生產(chǎn)線的正常運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

    自主設(shè)計(jì)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(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)監(jiān)控及故障排除。控制系統(tǒng)操作界面友好，運(yùn)行安全可靠，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控一目了然，不僅降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了維修次數(shù)，節(jié)省了設(shè)計(jì)費(fèi)用20多萬(wàn)元，每年還可節(jié)省人工成本約30萬(wàn)元，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。 

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