應(yīng)用PLC和變頻器的帶鋼自動擰緊控制系統(tǒng)設(shè)計

楊春亮

（天津鋼管集團有限公司管加工部，天津 300301）

應(yīng)用PLC和變頻器的帶鋼自動擰緊控制系統(tǒng)設(shè)計

楊春亮

（天津鋼管集團有限公司管加工部，天津 300301）

以西門子S 7-300系列PLC作為控制核心，采用WinCC設(shè)計人機交互界面構(gòu)建擰緊監(jiān)控界面，系統(tǒng)采用模塊化編程，并以最新的現(xiàn)場總線技術(shù)，統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫管理，使用ABB變頻器，對擰緊機電氣控制系統(tǒng)進行全新設(shè)計。應(yīng)用德國西門子S7-300系統(tǒng)PLC、PROFIBUSDP現(xiàn)場總線技術(shù)，結(jié)合帶有PROFIBUSDP接口的絕對值型編碼器、光電式傳感器和接近式傳感器．完成擁有PLC和變頻器控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。經(jīng)過生產(chǎn)現(xiàn)場實際應(yīng)用，設(shè)計出的全自動系統(tǒng)功能完善、合理、操作簡便、實用、故障率低，可以滿足生產(chǎn)現(xiàn)場的需要，達到了預(yù)期效果。

擰緊機；可編程序控制器；變頻器；自動；測量；擰緊系統(tǒng)；設(shè)計

1 引言

帶鋼擰緊機是生產(chǎn)焊接石油套管的重要設(shè)備，其主要功能是把帶鋼在焊接管體時擰緊并保持一定的扭力，使管體平整。在生產(chǎn)焊接石油套管整個過程中，帶鋼擰緊機的作用是僅次于高頻焊接機和管體水壓試驗機的關(guān)鍵設(shè)備，帶鋼擰緊的質(zhì)量好壞直接影響到焊接后管體的屈服強度和抗拉強度。石油套管需要長期工作在特別惡劣的地質(zhì)環(huán)境下，尤其是油井最外層的石油套管，一旦出現(xiàn)問題，將給油田和生態(tài)環(huán)境帶來非常大的損失，因此，功能先進而又穩(wěn)定可靠的帶鋼擰緊設(shè)備一直是石油焊管制造裝備行業(yè)的研究和發(fā)展方向。

20世紀80年代至今，我國的石油焊管行業(yè)已先后從國外引進多臺擁有有PLC和變頻器控制技術(shù)的帶鋼擰緊機，現(xiàn)今，電氣控制系統(tǒng)、機械動力及傳動系統(tǒng)等多個領(lǐng)域不斷改進發(fā)展的背景下，尤其是在電氣控制系統(tǒng)方面，仍然存在很多缺點和不足之處，需要我們對它們進行性能提高和改造。

2 帶鋼擰緊機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及特點

帶鋼擰緊機作為生產(chǎn)焊接石油套管的重要設(shè)備，國內(nèi)外有很多著名的公司不斷地采用最新的自動化技術(shù)制造高端的帶鋼擰緊設(shè)備。例如，目前使用在冶金行業(yè)最廣泛的可編程邏輯控制器西門子SIMATICS7系列已經(jīng)基本取代了SIMATICS5系列。人機圖形界面由Wincc6.0升級為Wincc7.0，還有大量的計算機技術(shù)和變頻技術(shù)應(yīng)用到了帶鋼擰緊機的設(shè)計和實際使用中。

3 擰緊機電氣控制系統(tǒng)設(shè)計與組成

天津鋼管股份有限公司管加工部的焊管生產(chǎn)線使用一臺Weaterford公司的產(chǎn)品，該產(chǎn)品最早在1998年投放市場。擰緊機原有電氣控制系統(tǒng)由SIMENS S5-35U/115U，西門子2軸伺服定位模塊，現(xiàn)場人機監(jiān)控界面Wincc4.0，羅克韋爾自動控制裝置，HBM擰緊力矩測量系統(tǒng)，工業(yè)控制計算機等組成。經(jīng)過幾年的現(xiàn)場使用，發(fā)現(xiàn)原有電氣控制系統(tǒng)暴露出現(xiàn)一系列的問題：原工業(yè)控制計算機仍使用DOS系統(tǒng)，不利于日常維護和系統(tǒng)升級。在DOS系統(tǒng)環(huán)境下存儲能力有限，不具備網(wǎng)絡(luò)功能，制約了數(shù)據(jù)跟蹤及記錄。原系統(tǒng)較多地使用繼電器隔離電路，現(xiàn)場抗干擾能力一般，經(jīng)常因觸電粘連而產(chǎn)生故障。原系統(tǒng)人機界面較為簡單，人性化程度低，無現(xiàn)場設(shè)備實時狀態(tài)監(jiān)控能力。

新的電控系統(tǒng)采用西門子S7-300可控邏輯編輯器作為系統(tǒng)的主控制器。硬件之間采用PROFIBUS DP現(xiàn)場總線進行通訊，整個系統(tǒng)由PROFIBUS DP網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建組成。軟件采用西門子STEP7-300編輯程序，實現(xiàn)控制功能，同時應(yīng)用SICK公品的光電式傳感器、接近式開關(guān)和帶有接口的PROFIBUS DP絕對值編碼器，這樣構(gòu)成測量帶鋼位置、擰緊的力矩全自動化的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)按照順序控制過程自動完成每一個工作步驟，直到全過程結(jié)束，在整個自動過程中可隨時插入中斷停止指令，系統(tǒng)按照人工指令或順序連續(xù)工作或暫停工作。

基于對現(xiàn)場原始設(shè)備功能及缺點的分析，對原設(shè)備電氣控制系統(tǒng)進行全新設(shè)計。設(shè)計方案采用上位PC機與西門子PLC合的手段，開發(fā)新型擰緊機控制系統(tǒng)。充分利用SIMENS SIMATIC S7 300CPU的強大功能與Windows XP系統(tǒng)的兼容與擴展能力，以西門子成熟的工業(yè)以太網(wǎng)作為數(shù)據(jù)傳輸載體，提高整個系統(tǒng)的控制精度及穩(wěn)定性。

通過對擰緊機現(xiàn)場加進程進行分析研究，對電氣系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)進行全新設(shè)計。

3．1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

以西門子S7-300為控制核心，完成對所有數(shù)據(jù)采集、處理、實時控制輸出，以上位PC機為控制樞紐，實現(xiàn)人機交互、參數(shù)控制、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)保存及打印輸出等：現(xiàn)場采用西門Profibus DP總線技術(shù)對現(xiàn)場各分站及控制單元進行信號傳輸，上位PC與控制核心S7PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)進行傳輸，保證數(shù)據(jù)的實時有效，穩(wěn)定可靠。

3.2 電氣系統(tǒng)控制部分

選用西門子SIMENS SIMATIC S7-300CPU中最為通用的6ES7315-2AG10-OABO型高性能CPU作為電氣控制系統(tǒng)的控制核心。該型號的CPU性能突出，指令執(zhí)行時間僅為每個二進制指令0.08 μs，且通訊及擴展能力強大，運行穩(wěn)定可靠，價格適中。以SIMENS新一代伺服控制系統(tǒng)S120作為預(yù)擰控制系統(tǒng)的核心,利用SIMENS 1FK6136-6AB71-1AE0高性能伺服電機作為擰緊輸出電機。S120伺服系統(tǒng)具備子數(shù)模計算的能力及驅(qū)動功率的執(zhí)行功能，通過現(xiàn)場傳感器反饋信號的狀態(tài)傳遞給SIMATIC S7-300，CPU只向S120系統(tǒng)發(fā)送矢能及動作命令，這樣既節(jié)省了定位模塊的費用成本，也便于日后的現(xiàn)場維護工作。系統(tǒng)選用高性能上位PC機作為顯示與輸入核心，使用西門子WinCC7.0及VC編程語言編寫人機交互監(jiān)控界面。

3.3 擰緊力矩測量及計算

作為帶鋼擰緊機，擰緊力矩的測量與計算是最為關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)選用德國HBM公司生產(chǎn)的擰緊力矩傳感器，搭配德國-TURCK信號放大器作為生產(chǎn)時擰緊力矩實時采集載體。信號采集傳輸線路全部采用德國纜普公司的帶屏蔽的多股信號纜，采取濾波放大措施，確保信號傳輸?shù)木_性和有效性。通過PLC實時采樣，能真實地反映帶鋼擰緊過程。應(yīng)用功能強大的s7300CPU對擰緊力矩進行計算和控制輸出，將現(xiàn)場采集的模擬量數(shù)據(jù)進行工程量轉(zhuǎn)換，并將所得結(jié)果乘以擰緊力矩調(diào)整量（擰緊力矩系數(shù)），以提高擰緊力矩采集的精度及有效性。同時，為應(yīng)對現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性，現(xiàn)場安裝后，再次對模擬量轉(zhuǎn)換模塊進行現(xiàn)場校對及回零調(diào)整。

4 變頻器的選用

變頻器采用瑞典ABB公司出品的ACS800-01-0120-7+P901變頻器，該公司的變頻器在中國的冶金領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，一般可以達到1 5%左右的節(jié)電量，并且網(wǎng)絡(luò)功能強大，適用于Profibus-D P現(xiàn)場總線系統(tǒng)，可以和PLC控制系統(tǒng)進行雙向多信息數(shù)字通信，標準應(yīng)用程序同時可以支持4個數(shù)據(jù)集，2個用于發(fā)射，2個用于接收。但在實際使用中需要設(shè)定主給定數(shù)據(jù)集和輔助給定數(shù)據(jù)集。變頻器的頻率上限為52Hz，最高輸出電壓為400，變頻器的現(xiàn)場總線適配器模塊通信參數(shù)98.02應(yīng)定義為FIELDBUS,變頻器的現(xiàn)場總線適配器模塊通信參數(shù)9 8.07定義為ABBDRIVES，系統(tǒng)控制參數(shù)16.01定義為COMM，系統(tǒng)控制參數(shù)16.04定義為MODULE。變頻器設(shè)置還有很多，這里只是列舉一二而已。

5 實施效果

在電氣系統(tǒng)升級改造后，帶鋼擰緊機運行穩(wěn)定可靠，體現(xiàn)了故障率低，自動化程度高，維護成本低的特點，減少了故障停機時間，降低了操作人員的勞動強度，顯著提高了產(chǎn)品質(zhì)量。尤其是帶鋼擰緊定位準確迅速，控制精確，克服了原來高速焊接時所出現(xiàn)的一系列棘手的問題，比如高速焊接生產(chǎn)時所產(chǎn)生的震動，使帶鋼出現(xiàn)擰緊運動軌跡偏差加大的現(xiàn)象，從而提高了生產(chǎn)節(jié)奏，有效地提高了加工精度，可以全面滿足高速連續(xù)焊接的生產(chǎn)要求。由于采用了變頻技術(shù)，減少了電流對電機的沖擊，延長了電機的壽命，所采用的是A B B標準變頻器，在設(shè)備安裝、參數(shù)設(shè)置和現(xiàn)場使用方面都很簡單，可以節(jié)省大量時間，方便人員的培訓，擁有良好的技術(shù)支持能力。通用的備件可以A B B廣泛的各分銷商處得到供應(yīng)，價格適中，方便購買。該變頻器還具有與各類現(xiàn)場總線技術(shù)通用的客戶與流程界面、通用的調(diào)試及維護軟件工具。

整個電氣控制系統(tǒng)硬件模塊比原系統(tǒng)有所減少，電氣布置更加簡單，連接線更少，使得電控柜的體積更小，能源消耗更少，電氣系統(tǒng)的可靠性得到了顯著提高，人機界面更加人性化、可視化，實現(xiàn)了對每個I/O點的監(jiān)控，可以自動顯示故障點，使故障點更加直觀，方便電氣維護人員及時快速的處理故障，創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟效益。

6 結(jié)束語

該系統(tǒng)采用了先進的SIMENS工業(yè)自動全集成控制理念，集成了所有現(xiàn)場控制，現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)實時反饋、數(shù)模計算、工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)、控制系統(tǒng)的人機界面等多種功能，層次清晰。從擰緊力矩傳感器的電壓信號到測量系統(tǒng)的脈沖信號全部采用直接的輸入方式，輸入到CPU中參與工藝數(shù)據(jù)的計算，在很大程度上降低了信號被多次放大后的不可靠因素，保證了擰緊力矩的精確控制及介質(zhì)控制的雙重工藝要素，提高了控制精度，滿足工藝要求。上位機采用先進的控制平臺，保證了數(shù)據(jù)的可靠傳遞，完成了多種數(shù)據(jù)的采集、歸檔、整理分析等多種功能。

經(jīng)過的生產(chǎn)現(xiàn)場實際應(yīng)用，設(shè)計出得全自動系統(tǒng)完善、合理、操作簡便、實用、故障率低，可以滿足生產(chǎn)現(xiàn)場的需要，達到了預(yù)期效果。

[1]晁陽，胡軍，熊偉.可編程控制器原理和應(yīng)用與實例解析[M].北京：清華大學出版社，199 7.

[2]陳金義，蘭福全，王軍，等.帶鋼擰緊機的研制與應(yīng)用[J].石油礦物機械，2008，30（7）：8 6-90.

[3]劉美俊.通用變頻器應(yīng)用技術(shù)[M].福建：科學技術(shù)出版社，2004.

[4]王孝武.現(xiàn)代控制理論[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

Design of Strip Automatic Tightening Control System with PLC and Frequency Converter

YANG Chun-liang

(Pipe Machining Department,Tianjin Pipe[Group]Corporation,Tianjin 300301,China)

The electrical control system of tightening machine was re-designed completely with Siemens S7-300series PLC as the control core through designing HMI and establishing monitoring interface by WinCC,conducting modular programming in the system,unifying database management by latest site bus bar technology and using ABB frequency converter.A design plan with PLC and frequency converter control system was formulated by adopting Siemens S7-300series PLC and PROFIBUS DP site bus bar technology in combination with absolute valued decoder,photocell type sensor and proximity sensor with PROFIBUS DP connectors.The practice at production site proved that the designed fully automatic system showed perfect functions,reasonability,easy operation,practicality and low failure rate and could meet the requirement of production site.The anticipated effect was achieved.

tightening machine;programmable logic controller;frequency converter;automatic;tightening measurement;system;design

2013-01-05

2013-01-2 5

楊春亮（1975—），男，山東肥城人，工程師，主要從事電氣技術(shù)管理工作，E-mail：yangcl@tpco.cn。

（編輯 潘娜）