應用PLC和變頻器的帶鋼自動擰緊控制系統設計

楊春亮

（天津鋼管集團有限公司管加工部，天津 300301）

應用PLC和變頻器的帶鋼自動擰緊控制系統設計

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設計人機交互界面構建擰緊監控界面，系統采用模塊化編程，并以最新的現場總線技術，統一數據庫管理，使用ABB變頻器，對擰緊機電氣控制系統進行全新設計。應用德國西門子S7-300系統PLC、PROFIBUSDP現場總線技術，結合帶有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和變頻器控制系統的設計方案。經過生產現場實際應用，設計出的全自動系統功能完善、合理、操作簡便、實用、故障率低，可以滿足生產現場的需要，達到了預期效果。

擰緊機；可編程序控制器；變頻器；自動；測量；擰緊系統；設計

1 引言

帶鋼擰緊機是生產焊接石油套管的重要設備，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鍵設備，帶鋼擰緊的質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環境下，尤其是油井最外層的石油套管，一旦出現問題，將給油田和生態環境帶來非常大的損失，因此，功能先進而又穩定可靠的帶鋼擰緊設備一直是石油焊管制造裝備行業的研究和發展方向。

20世紀80年代至今，我國的石油焊管行業已先后從國外引進多臺擁有有PLC和變頻器控制技術的帶鋼擰緊機，現今，電氣控制系統、機械動力及傳動系統等多個領域不斷改進發展的背景下，尤其是在電氣控制系統方面，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 帶鋼擰緊機國內外發展現狀及特點

帶鋼擰緊機作為生產焊接石油套管的重要設備，國內外有很多著名的公司不斷地采用最新的自動化技術制造高端的帶鋼擰緊設備。例如，目前使用在冶金行業最廣泛的可編程邏輯控制器西門子SIMATICS7系列已經基本取代了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和變頻技術應用到了帶鋼擰緊機的設計和實際使用中。

3 擰緊機電氣控制系統設計與組成

天津鋼管股份有限公司管加工部的焊管生產線使用一臺Weaterford公司的產品，該產品最早在1998年投放市場。擰緊機原有電氣控制系統由SIMENS S5-35U/115U，西門子2軸伺服定位模塊，現場人機監控界面Wincc4.0，羅克韋爾自動控制裝置，HBM擰緊力矩測量系統，工業控制計算機等組成。經過幾年的現場使用，發現原有電氣控制系統暴露出現一系列的問題：原工業控制計算機仍使用DOS系統，不利于日常維護和系統升級。在DOS系統環境下存儲能力有限，不具備網絡功能，制約了數據跟蹤及記錄。原系統較多地使用繼電器隔離電路，現場抗干擾能力一般，經常因觸電粘連而產生故障。原系統人機界面較為簡單，人性化程度低，無現場設備實時狀態監控能力。

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

基于對現場原始設備功能及缺點的分析，對原設備電氣控制系統進行全新設計。設計方案采用上位PC機與西門子PLC合的手段，開發新型擰緊機控制系統。充分利用SIMENS SIMATIC S7 300CPU的強大功能與Windows XP系統的兼容與擴展能力，以西門子成熟的工業以太網作為數據傳輸載體，提高整個系統的控制精度及穩定性。

通過對擰緊機現場加進程進行分析研究，對電氣系統控制環節進行全新設計。

3．1 系統架構設計

以西門子S7-300為控制核心，完成對所有數據采集、處理、實時控制輸出，以上位PC機為控制樞紐，實現人機交互、參數控制、數據統計、數據保存及打印輸出等：現場采用西門Profibus DP總線技術對現場各分站及控制單元進行信號傳輸，上位PC與控制核心S7PLC通過工業以太網進行傳輸，保證數據的實時有效，穩定可靠。

3.2 電氣系統控制部分

選用西門子SIMENS SIMATIC S7-300CPU中最為通用的6ES7315-2AG10-OABO型高性能CPU作為電氣控制系統的控制核心。該型號的CPU性能突出，指令執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，運行穩定可靠，價格適中。以SIMENS新一代伺服控制系統S120作為預擰控制系統的核心,利用SIMENS 1FK6136-6AB71-1AE0高性能伺服電機作為擰緊輸出電機。S120伺服系統具備子數模計算的能力及驅動功率的執行功能，通過現場傳感器反饋信號的狀態傳遞給SIMATIC S7-300，CPU只向S120系統發送矢能及動作命令，這樣既節省了定位模塊的費用成本，也便于日后的現場維護工作。系統選用高性能上位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鍵環節。本系統選用德國HBM公司生產的擰緊力矩傳感器，搭配德國-TURCK信號放大器作為生產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，確保信號傳輸的精確性和有效性。通過PLC實時采樣，能真實地反映帶鋼擰緊過程。應用功能強大的s7300CPU對擰緊力矩進行計算和控制輸出，將現場采集的模擬量數據進行工程量轉換，并將所得結果乘以擰緊力矩調整量（擰緊力矩系數），以提高擰緊力矩采集的精度及有效性。同時，為應對現場環境的復雜性，現場安裝后，再次對模擬量轉換模塊進行現場校對及回零調整。

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域得到廣泛的應用，一般可以達到1 5%左右的節電量，并且網絡功能強大，適用于Profibus-D P現場總線系統，可以和PLC控制系統進行雙向多信息數字通信，標準應用程序同時可以支持4個數據集，2個用于發射，2個用于接收。但在實際使用中需要設定主給定數據集和輔助給定數據集。變頻器的頻率上限為52Hz，最高輸出電壓為400，變頻器的現場總線適配器模塊通信參數98.02應定義為FIELDBUS,變頻器的現場總線適配器模塊通信參數9 8.07定義為ABBDRIVES，系統控制參數16.01定義為COMM，系統控制參數16.04定義為MODULE。變頻器設置還有很多，這里只是列舉一二而已。

5 實施效果

在電氣系統升級改造后，帶鋼擰緊機運行穩定可靠，體現了故障率低，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，顯著提高了產品質量。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的一系列棘手的問題，比如高速焊接生產時所產生的震動，使帶鋼出現擰緊運動軌跡偏差加大的現象，從而提高了生產節奏，有效地提高了加工精度，可以全面滿足高速連續焊接的生產要求。由于采用了變頻技術，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，在設備安裝、參數設置和現場使用方面都很簡單，可以節省大量時間，方便人員的培訓，擁有良好的技術支持能力。通用的備件可以A B B廣泛的各分銷商處得到供應，價格適中，方便購買。該變頻器還具有與各類現場總線技術通用的客戶與流程界面、通用的調試及維護軟件工具。

整個電氣控制系統硬件模塊比原系統有所減少，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，實現了對每個I/O點的監控，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，創造了較好的經濟效益。

6 結束語

該系統采用了先進的SIMENS工業自動全集成控制理念，集成了所有現場控制，現場實際數據實時反饋、數模計算、工業通訊網絡、控制系統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中參與工藝數據的計算，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，保證了數據的可靠傳遞，完成了多種數據的采集、歸檔、整理分析等多種功能。

經過的生產現場實際應用，設計出得全自動系統完善、合理、操作簡便、實用、故障率低，可以滿足生產現場的需要，達到了預期效果。

[1]晁陽，胡軍，熊偉.可編程控制器原理和應用與實例解析[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用[J].石油礦物機械，2008，30（7）：8 6-90.

[3]劉美俊.通用變頻器應用技術[M].福建：科學技術出版社，2004.

[4]王孝武.現代控制理論[M].北京：機械工業出版社，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，主要從事電氣技術管理工作，E-mail：yangcl@tpco.cn。

（編輯 潘娜）