1 概述
隨著石油勘探技術的發展及石油開發區域的不斷擴大，油井深度也日益增大，尤其在西北地區，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，市場需求量日益增大，但是在對較深的油井進行開采時，由于油管自重增加，油管接頭處要承受很大的拉應力，因而對其強度要求很高。同時，由于采油技術的需要，經常通過油管注入高壓水或氣體，有時還需注入酸液進行酸化處理以增加采收率，所以油管還要承受很大的內壓力。因此，近年來，各油田不僅對油管的需求量逐年增多，而且對其質量也提出了更嚴格的要求。
2 存在問題
某公司有一套利用傳統繼電器控制的油管生產線，此生產線主要由液壓加厚機、步進機構、氣壓控制系統、中頻感應加熱爐、電氣控制系統等組成。由于該套生產線投產時間長，控制系統落后，所以電氣系統經常出現故障，造成了生產線停機，嚴重影響了生產，并且該套生產線沒有設置監控系統，管理者不能及時全面掌握生產線的運行情況，設備的運行情況依靠生產線上每個員工隨時進行檢查，工人勞動強度大，電氣系統維修費用高，安全隱患多，已遠遠不能滿足生產需求。因此，對油管生產線電氣控制系統進行改造，設計一套自動化程度高的工業控制系統，降低工人勞動強度，提高加工精度和加工效率，保障油田開采中對油管的需求成為當務之急。
3 方案設計
3.1 邏輯控制部分
(1)目前，世界上生產PLC產品的主要企業分布在美國、歐洲和日本。主要企業有美國A—B公司、通用電氣(CE)公司，德國西門子(SIEMENS)公司、AEG公司，日本的歐姆龍、三菱等。主要PLC產品的模塊、軟件價格見表1。根據現場需求及各公司產品性能及價格，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。它主要由機架、CPU模塊、信號模塊、功能模塊、接口模塊、通信模塊、電源模塊和編程設備組成，各模塊安裝在機架上，系統構成和擴展都十分方便，不僅具有模塊化、易于分布實現、運行可靠、性價比高等優點，同時具有邏輯判斷、順序控制、定時、計數和運算等功能，能夠控制各種機械運動。PLC的輸人信號有開關、故障信號、傳感器信號等，輸出信號主要為控制電機、電磁閥、指示燈等。
3.2 數據采集監控部分
生產數據采集監控部分采用工業計算機，在生產線上設置監控室進行集中監控。監控室內設置2面操作柜、2部監視器，生產線信息通過攝像頭反饋至監視器，操作人員通過監視器對生產情況進行監控，能夠在第一時間發現并安排人員及時排除故障。
3.3 控制系統軟件
控制系統軟件包括下位機PLC控制軟件和上位機人機界面軟件。下位機編程軟件采用STEW／V5．4，主要功能是完成系統的硬件配置和編程。上位機采用組態王V6．53，主要功能是實現人機交互界面，顯示設備的運行狀態、運行情況、故障狀態等信息。
4 系統設計
4.1 變壓器負荷校核
原配電柜共計5面，編號為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。對生產線電氣系統進行改造，因為利用原有的變壓器及動力配電柜，所以需要進行變壓器負荷的校核，負荷見表2。
4.2 工房電氣設計
(1)原有的1 600 kVA變壓器，1#(斷路器3200A)、幼(無功補償)及磷(斷路器1200A)配電柜、銅母排均符合要求；
(2)4#配電柜為四臺中頻感應加熱爐提供電源，5群配電柜為液壓加厚機提供電源，這兩面配電柜內斷路器不符合生產線的要求，需進行改造。
4.3 控制系統設計
液壓加厚生產線管料輸送需實現自動、手動上下料，工裝動作過程由PLC自動控制，整條生產線的設備集中于監控室進行監控，操作人員可通過監視器觀察生產線的生產情況，因此針對上述要求進行控制系統的設計。
4.3.1 生產過程控制設計
采用西門子S7—200系列小型可編程控制器，該PLC具有程序容量大、運行速度塊、編程靈活、多種中斷，性能優良、且價格低等優點。目前此種類型的PLC已成功應用于機械行業各種生產線，效果較佳，可滿足工廠需求。同時，中頻加熱以及液壓加厚工位送料精度要求較高，因此設計兩種方案進行對比、分析。方案一：控制液壓加厚機送料精度。液壓機前端加裝光電開關，當油管輸送至液壓機前時，光電開關發出到位信號，此時旋轉編碼器立刻啟動，當旋轉編碼器運行到設定值時，將信號反饋給輸送輥道，輸送輥道立刻停止，此時油管被準確送人液壓機進行加工。加工完畢后，根據液壓機反饋信號將油管自動送出到固定位置。
此方案送料精度由旋轉編碼器精度和光電開關靈敏度決定，運轉過程中嚴格受到旋轉編碼器磨損量的限制，當編碼器滾輪出現磨損現象時需及時調整參數，若未及時發現此問題，則會造成送料長度偏差。方案二：控制油管中頻感應加熱爐前對齊位置以及液壓機機械手送料長度。鋼管被送入中頻加熱前，首先進行對齊操作，對齊采用光電開關感應停止。當中頻加熱完成后，通過平移梁將鋼管送入液壓機加工工位。此時，機械手抱緊鋼管，將鋼管送人液壓機，機械手設置固定行程。
此方案機械手為死行程，送料精度只要嚴格控制光電開關靈敏度，而機械手只需定期維護即可。這種方案方便、可靠、精準，因此液壓機的送料精度控制采用方案二。
4.3.2 監控系統設計
上位機系統設計主要分為系統參數、故障監控、生產動態、電機監控等，操作人員可以根據生產工藝，方便的更改參數和監控現場生產運行情況。選用組態王V6．53設計人機交互界面，通過界面可查詢中頻透熱爐的加熱溫度、加熱時間、啟停狀態以及中頻電壓。將中頻透熱爐的操作面板轉接至人機交互界面上，可設置中頻透熱爐的相關參數以及監控生產線設備的運行狀態。操作面板采集到的信號反饋至PLC，PLC再對生產線各設備進行控制操作。在兩臺液壓機、4臺中頻透熱爐以及整條生產線安裝攝像頭，監控各個工位工作情況。監控室設置相應的接收設備，將攝像頭采集到的信息反應于監控室的顯示屏上，實現生產線遠程控制、集中控制，方便操作人員及時發現、排除故障，保證生產線的正常運行。
5 結束語
自主設計的工業控制系統替代傳統繼電器控制系統后，操作人員能根據操作屏反饋的信息及視頻系統中顯示的信息，對生產線進行生產監控及故障排除。控制系統操作界面友好，運行安全可靠，現場監控一目了然，不僅降低了工人勞動強度，減少了維修次數，節省了設計費用20多萬元，每年還可節省人工成本約30萬元，具有顯著的經濟效益。
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本文標題：生產線工業控制系統的設計
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