生产线工业控制系统的设计

沈川平

(中国石油吐哈油田公司，新疆 鄯善 838202)

生产线工业控制系统的设计

沈川平

(中国石油吐哈油田公司，新疆 鄯善 838202)

根据油管加厚生产线电气控制系统存在的问题，提出了设计方案，进行了系统设计。经过应用后，提高了产品加工精度，降低了工人劳动强度，提高了生产线自动化水平，取得了显著的经济效益。

控制系统；设计；PLC；组态王

1 概述

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（GE）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。

表1 各种PLC品牌价格(单位：元)

（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的输入信号有开关、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STEP7 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#-5#，原变压器容量1 600 kVA，变压器至配电柜母排是2×80×8mm铜母排（40℃载流量2 660 A）。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。

表2 变压器负荷

4.2 工房电气设计

（1）原有的1 600 kVA变压器，1#（断路器3 200 A）、2#（无功补偿）及3#（断路器1 200 A）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#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，此时油管被准确送入液压机进行加工。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，将钢管送入液压机，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。

[1]钱清泉，王 英.新编实用电工手册[M].电子科技大学出版社，1996，882-1001.

[2]许宝发，李春茂.新编实用电工手册[M].上海科学技术出版社，1992，295-369.

[3]方俊山.可编程序控制器在电加热锅炉控制中的应用[J].工业控制计算机，2002，(12)：60-61.

[4]钟 彦.可编程序控制器在过程控制中的应用[J].电讯技术，1998，(02)：20-26.

Design of Industrial Control System of Production Line

SHEN Chuan-ping
(Petrochina TuhaOilfield Company，Shanshan XinJiang 838202，China)

According to the existence ofelectric control system ofoil pipe thickening production problems,puts forward the design scheme,the system design.After application,improve product processing precision,reduces the labor intensity ofworkers,improve the levelofautomation ofproduction line and hasachieved remarkable economic benefits.

control system；design；PLC；kingview

TM 58

A

1672-545X（2013）04-0263-02

2013-01-14

沈川平（1970—），男，甘肃平凉人，机械工程师，长期从事石油化工设备的管理及维修工作。

book=267,ebook=350