(上海海隆石油管材研究所,上海 寶山 200949)
隨著信息技術(shù)的發(fā)展,溫度和流量等工業(yè)過(guò)程量的控制顯得更加重要,對(duì)這些變量的控制要求也不斷提高,PLC技術(shù)作為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的主要技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。
鉆桿在使用過(guò)程中必須能夠承受巨大的內(nèi)外壓,這使得鉆桿必須要有足夠高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。而在鉆頭扭曲改變鉆探方向時(shí)又不能使管體發(fā)生彎曲變形,所以鉆桿又要有足夠高的塑性和韌性。對(duì)于地質(zhì)鉆桿來(lái)說(shuō),既要有足夠的強(qiáng)度,又要有足夠高的塑性和韌性。一般通過(guò)調(diào)質(zhì)處理得到的回火索氏體可以滿足這樣的要求。想要獲得較好的回火索氏體組織,必須得到馬氏體,這就要求鉆桿要有相當(dāng)好的淬透性[1]。
目前,鉆桿生產(chǎn)線的熱處理工位,主要進(jìn)行接頭和管體焊縫處的熱處理調(diào)質(zhì),包括淬火和回火兩個(gè)工序。目前沒(méi)有一套較好的溫度采集記錄系統(tǒng),無(wú)法保證管子焊縫的熱處理工藝質(zhì)量。
石油鉆桿作為石油開(kāi)采工業(yè)中的重要裝備,在加工制造過(guò)程中對(duì)其工藝要求和工藝質(zhì)量要求非常嚴(yán)格,如果質(zhì)量不過(guò)關(guān),鉆桿在下井作業(yè)時(shí)產(chǎn)生故障將造成嚴(yán)重的鉆井事故,最壞可能造成該油井報(bào)廢,直接經(jīng)濟(jì)損失不可估量。
本文主要是針對(duì)鉆桿熱處理溫度采集存在問(wèn)題展開(kāi)研究,從理論上分析了溫度采集記錄的實(shí)現(xiàn)過(guò)程,深入研究焊縫熱處理工藝流程以及質(zhì)量要求,并對(duì)各種方法進(jìn)行了比較,采用現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)進(jìn)行研究。主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究:
1) 由于焊縫熱處理是專門針對(duì)鉆桿管體和鉆桿接頭對(duì)焊處焊縫的天然氣開(kāi)采和集輸站場(chǎng)一般處于地?zé)崽幚恚訜釁^(qū)域局限,溫度采集面較窄,為了保證焊區(qū)熱處理質(zhì)量,焊區(qū)溫度采集和記錄十分必要,方便對(duì)焊區(qū)熱處理溫度進(jìn)行查看和記錄。
2) 通過(guò)對(duì)溫度信號(hào)特點(diǎn)的分析,包括溫度傳感器原理,還需要對(duì)傳感器的布點(diǎn)做出分析,找出適用于溫度采集的最優(yōu)方法。
3) 信號(hào)采集與處理單元,有用信號(hào)的提取等。主要是利用傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行采集,然后對(duì)采集來(lái)的信號(hào)在PLC進(jìn)行處理,通過(guò)對(duì)特征信息的提取和分析進(jìn)行溫度采集和記錄功能。
4) 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。本文采用雷諾的高精度溫度傳感器為采集設(shè)備,并利用WinCC軟件進(jìn)行人機(jī)交互界面的制作。
5) 通過(guò)profibus實(shí)現(xiàn)上位機(jī)WinCC與下位PLC的通訊。
系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要應(yīng)該從現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和控制臺(tái)這三個(gè)模塊進(jìn)行考慮。各部分的作用是:現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊主要是通過(guò)傳感器拾取現(xiàn)場(chǎng)信號(hào);控制臺(tái)主要是對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行分析和處理。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1。
圖1 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖
PLC的全稱為可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC),它采用一類可編程的存儲(chǔ)器,用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序,執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令,并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程[3]。
在組態(tài)概念出現(xiàn)之前,要實(shí)現(xiàn)某一任務(wù),都是通過(guò)編寫(xiě)程序(如使用BASIC,C,FORTRAN等)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。編寫(xiě)程序不但工作量大、周期長(zhǎng),而且容易犯錯(cuò)誤,不能保證工期。組態(tài)軟件的出現(xiàn),解決了這個(gè)問(wèn)題。對(duì)于過(guò)去需要幾個(gè)月的工作,通過(guò)組態(tài)幾天就可以完成。
在使用工控軟件過(guò)程中,我們經(jīng)常提到組態(tài)一詞,組態(tài)英文是“Configuration”,其意義究竟是什么呢?簡(jiǎn)單的講,組態(tài)就是用應(yīng)用軟件中提供的工具、方法,完成工程中某一具體任務(wù)的過(guò)程。
“組態(tài)(Configure)”的含義是“配置”、“設(shè)定”、“設(shè)置”等意思,是指用戶通過(guò)類似“搭積木”的簡(jiǎn)單方式來(lái)完成自己所需要的軟件功能,而不需要編寫(xiě)計(jì)算機(jī)程序,也就是所謂的“組態(tài)”。它有時(shí)候也稱為“二次開(kāi)發(fā)”,組態(tài)軟件就稱為“二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)”[2]。
該文采用Step7V5.5組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)軟件組態(tài),該款軟件為西門子經(jīng)典軟件,功能強(qiáng)大,編程語(yǔ)言多樣,具有較全面的庫(kù)函數(shù),能夠很好的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理功能。
1.1.1 硬件組態(tài)
硬件組態(tài)是指根據(jù)硬件的安裝標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)格進(jìn)行硬件配置。先把安裝板固定在控制柜內(nèi),然后依次安裝PS(電源)模塊、CPU模塊、數(shù)字量I/O模塊、模擬量I/O模塊。其中數(shù)字量I/O模塊和模擬量I/O的數(shù)量根據(jù)項(xiàng)目需要進(jìn)行安排,但每個(gè)導(dǎo)軌最多安裝8個(gè)模塊,其他模塊可以通過(guò)從站擴(kuò)展。
1.1.2 軟件組態(tài)
在STEP 7中,用項(xiàng)目來(lái)管理一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的硬件和軟件。STEP 7用SIMATIC管理器對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行集中管理,它可以方便地瀏覽SIMATIC S7、M7、C7和WinCC的數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)STEP 7各種功能所需的SIMATIC軟件工具都集成在STEP 7中[3]。
首先新建項(xiàng)目,右鍵單擊項(xiàng)目名稱出現(xiàn)如圖所示選擇插入新對(duì)象,選擇所需的PLC站點(diǎn),這里選擇SIMATIC300站點(diǎn),點(diǎn)擊進(jìn)入站點(diǎn)出現(xiàn)硬件表示,雙擊硬件進(jìn)入軟件中的組態(tài)界面,可以看到我們所需要的所有模塊(包括CPU、電源、I/O等)。
打開(kāi)硬件配置后就可以依次配置PLC各個(gè)模塊,背板的第一個(gè)插槽必須放置電源模塊,依次放置CPU模塊和I/O模塊。
在STEP7中組態(tài)好PLC各個(gè)模塊后,還需要根據(jù)項(xiàng)目需要對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行屬性設(shè)置,如地址分配和數(shù)據(jù)類型設(shè)置等。
首先對(duì)CPU進(jìn)行設(shè)置,右擊CPU模塊,找到對(duì)象屬性選項(xiàng),雙擊打開(kāi),CPU屬性對(duì)話框就打開(kāi)了,在這里根據(jù)需要對(duì)CPU屬性進(jìn)行配置就可以。本項(xiàng)目數(shù)字量I/O模塊采用默認(rèn)地址設(shè)置。
如圖2是對(duì)模擬量輸入模塊的屬性所進(jìn)行的配置,現(xiàn)場(chǎng)溫度信號(hào)經(jīng)溫度傳感器采集后轉(zhuǎn)化成4~20 mA的模擬量信號(hào),這里設(shè)置測(cè)量范圍為4~20 mA,根據(jù)配置在硬件上對(duì)量程卡進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。
圖2 AI模塊屬性對(duì)話框
如圖3所示,通過(guò)紅外測(cè)溫設(shè)備將現(xiàn)場(chǎng)鉆桿焊縫溫度轉(zhuǎn)化為4~20 mA模擬量電流信號(hào),信號(hào)經(jīng)過(guò)中繼分成兩路,一路信號(hào)傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)PID調(diào)節(jié)器的輸入端用于加熱溫度的PID閉環(huán)控制。另一路信號(hào)通過(guò)傳輸線傳輸?shù)轿鏖T子模擬量輸入模塊(AI)的通道中,通過(guò)AI模塊的A/D轉(zhuǎn)換功能將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)器可以識(shí)別的數(shù)字量信號(hào),然后通過(guò)PLC程序編譯實(shí)現(xiàn)所需信號(hào)的標(biāo)定,標(biāo)定后將實(shí)際測(cè)到的溫度傳輸?shù)紻B數(shù)據(jù)塊進(jìn)行存儲(chǔ),并將實(shí)際測(cè)到的溫度信號(hào)以可讀取的方式顯示在人機(jī)交互界面上。
圖3 信號(hào)采集和傳輸
查閱資料得到,實(shí)現(xiàn)信號(hào)的標(biāo)定,需要明確以下量的關(guān)系,假設(shè)實(shí)際測(cè)試物理量為A,物理量測(cè)試儀的量程為A0~Am,轉(zhuǎn)化為機(jī)器語(yǔ)言的實(shí)際量為D,量程對(duì)應(yīng)的數(shù)字量的范圍為D0~Dm,則實(shí)際測(cè)試值可以從式(1)得出。
(1)
假設(shè)選擇的測(cè)溫儀量程為400~1200 ℃,西門子300模擬量輸入模塊將電信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值范圍為0~27648假設(shè)PLC讀取值為X,帶入式(1)可得對(duì)應(yīng)溫度T(單位℃)為式(2)所示:
(2)
根據(jù)式(2)可以再程序中實(shí)現(xiàn)溫度的標(biāo)定和讀取。將經(jīng)過(guò)標(biāo)定后的溫度值保持在對(duì)應(yīng)的DB數(shù)據(jù)塊中,這樣在人機(jī)交互界面中可以通過(guò)讀取相應(yīng)的DB塊的地址實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示[5-8]。
SIMATIC WinCC--視窗控制中心,它是第一個(gè)使用最新的32位技術(shù)的過(guò)程監(jiān)視系統(tǒng),具有良好的開(kāi)放性和靈活性。
通用的應(yīng)用程序,適合所有工業(yè)領(lǐng)域的解決方案;多語(yǔ)言支持,全球通用 ;可以集成到所有自動(dòng)化解決方案內(nèi);內(nèi)置所有操作和管理功能,可簡(jiǎn)單、有效地進(jìn)行組態(tài);可基于Web持續(xù)延展,采用開(kāi)放性標(biāo)準(zhǔn),集成簡(jiǎn)便;集成的Historian 系統(tǒng)作為IT 和商務(wù)集成的平臺(tái);可用選件和附加件進(jìn)行擴(kuò)展 ;“全集成自動(dòng)化” 的組成部分,適用于所有工業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域的解決方案。
WinCC7.0是SIMATIC PCS 7過(guò)程控制系統(tǒng)及其它西門子控制系統(tǒng)中的人機(jī)界面組件。WinCC7.0提供了所有最重要的通訊通道, 用于連接到SIMATIC S5/S7/505控制器(例如通過(guò)S7協(xié)議集)的通訊,以及如PROFIBUS-DP/ FMS、DDE(動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換)和OPC(用于過(guò)程控制的OLE)等非專用通道[9]。
鉆桿焊縫熱處理溫度采集記錄系統(tǒng)主要目的是實(shí)現(xiàn)熱處理溫度的實(shí)時(shí)有效的采集和準(zhǔn)確的記錄。人機(jī)交互要求具有簡(jiǎn)便、安全、可靠等特點(diǎn),根據(jù)項(xiàng)目需求做了參數(shù)設(shè)置、溫度曲線實(shí)時(shí)顯示、歷史查詢、報(bào)警監(jiān)視等多組畫(huà)面。通過(guò)按鈕各個(gè)畫(huà)面可以相互切換。
2.1.1 項(xiàng)目配置
打開(kāi)WinCC7.0軟件,創(chuàng)建單用戶項(xiàng)目。創(chuàng)建項(xiàng)目完成后對(duì)各個(gè)選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置,首先進(jìn)行計(jì)算機(jī)屬性設(shè)置,單擊計(jì)算機(jī)可以看到右側(cè)出現(xiàn)服務(wù)器,雙擊服務(wù)器進(jìn)入屬性對(duì)話框,在服務(wù)器屬性對(duì)話框中對(duì)服務(wù)器名稱、啟動(dòng)項(xiàng)、參數(shù)等根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。
內(nèi)部變量主要是對(duì)加熱時(shí)間進(jìn)行了配置。在進(jìn)行外部變量配置時(shí)需要對(duì)傳輸路徑的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行配置,本項(xiàng)目采用PROFIBUS總線通訊,單擊屬性,進(jìn)入連接對(duì)話框,根據(jù)PLC的地址進(jìn)行配置[2-3]。變量管理配置好后,進(jìn)行變量創(chuàng)建和關(guān)聯(lián)。
該項(xiàng)目使用研華工控機(jī)作為上位機(jī),配置西門子CP5611卡作為通訊接口,采用PROFIBUS-DP通訊方式實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和PLC的通信,上位機(jī)地址設(shè)置為3,傳輸速率1.5 Mbps。
打開(kāi)圖形編輯器,新建畫(huà)面,輸入畫(huà)面名稱,根據(jù)畫(huà)面內(nèi)容進(jìn)行排版和布局。
畫(huà)面如圖4所示,其中包括流水編號(hào)和工位溫度實(shí)時(shí)顯示窗口,還有超溫報(bào)警燈、參數(shù)設(shè)置窗口、狀態(tài)監(jiān)視等內(nèi)容。
圖4 人機(jī)界面布局
將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔處理,以便實(shí)現(xiàn)歷史記錄的可追溯性。通過(guò)在WinCC7.0中添加腳本動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的歸檔和調(diào)用。
2.3.1 WinCC7.0數(shù)據(jù)歸檔
在WinCC7.0管理器中打開(kāi)“變量記錄”選項(xiàng)卡,選擇“歸檔組態(tài)”條目。打開(kāi)數(shù)據(jù)窗口,選擇需要?dú)w檔的變量,并選擇歸檔周期為500 ms,歸檔類型為變量觸發(fā)。
WinCC7.0中全局動(dòng)作中添加VBS動(dòng)作,對(duì)各個(gè)工位的溫度采集進(jìn)行數(shù)據(jù)歸檔保存,連接SQL-server2005數(shù)據(jù)庫(kù),通過(guò)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)各個(gè)工位的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和歷史數(shù)據(jù)的調(diào)用。
2.3.2 SQL-server2005配置
配置好WinCC67.0后進(jìn)行SQL-server2005的配置,打開(kāi)SQL Server Management Studio,選擇服務(wù)器類型為“Database Engine”,選擇服務(wù)器名稱為“PC-1WINCC”,認(rèn)證選擇為SQL Server Authentication,輸入用戶名和密碼進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)管理窗口,新建查詢窗口,編輯語(yǔ)句建立db-heat數(shù)據(jù)庫(kù),通過(guò)語(yǔ)句建立數(shù)據(jù)字段名和定義[10-11]。語(yǔ)句表如圖5。
圖5 語(yǔ)句文檔
根據(jù)熱處理工位現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行測(cè)溫點(diǎn)的布局和硬件電氣線路連接,系統(tǒng)安裝調(diào)試。
3.1.1 溫度記錄系統(tǒng)安裝
1)根據(jù)熱處理工位分布布置溫度采集傳感器,退火工位布置一個(gè)傳感器,在加熱爐上開(kāi)出溫度采集孔,淬火和回火各布置兩個(gè)溫度采集點(diǎn),每個(gè)工位均布置一個(gè)溫度傳感器。
2)配置一臺(tái)工控機(jī)用于監(jiān)控軟件的安裝和調(diào)試。
3)根據(jù)電氣原理圖紙對(duì)電控柜進(jìn)行配盤(pán)并做好連接線路的連接。現(xiàn)場(chǎng)溫度采集到的模擬量信號(hào)一路傳輸?shù)絇ID調(diào)節(jié)器用于控制加熱功率,保證加熱的均勻性和保溫的恒定性。一路信號(hào)經(jīng)信號(hào)分配器傳輸?shù)絇LC模擬量輸入模塊被PLC讀取并進(jìn)行處理。
3.1.2 系統(tǒng)調(diào)試
調(diào)試方案:
1)用廢管進(jìn)行加熱并調(diào)整系統(tǒng)程序。
2)好管測(cè)試并用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫槍進(jìn)行溫度比較并做好記錄。
3)實(shí)時(shí)溫度曲線查看,以及歷史溫度曲線查詢。
4)報(bào)警界面的調(diào)試。
在系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中,根據(jù)不同的工位將該工位采集到的溫度在PLC程序中進(jìn)行標(biāo)定和監(jiān)控,通過(guò)調(diào)整PID參數(shù)達(dá)到對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度較好的控制效果,測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)溫度,采樣周期為250 ms,采樣精度較高。
經(jīng)過(guò)調(diào)試,該方法能夠很好的實(shí)現(xiàn)熱處理溫度的實(shí)時(shí)顯示和歷史數(shù)據(jù)的調(diào)取并顯示。
系統(tǒng)調(diào)試結(jié)束后需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一段時(shí)間的試運(yùn)行,經(jīng)過(guò)1個(gè)月時(shí)間的試運(yùn)行,試運(yùn)行期間該系統(tǒng)能夠很好的將采集到的溫度信號(hào)進(jìn)行顯示,并能夠?qū)崿F(xiàn)溫度曲線歷史記錄的查詢?cè)囘\(yùn)行效果良好正式投入使用。
該溫度采集記錄系統(tǒng)在運(yùn)行中系統(tǒng)比較穩(wěn)定可靠,測(cè)試的溫度經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫槍比對(duì)滿足生產(chǎn)工藝要求,能夠很好的保證產(chǎn)品質(zhì)量。淬火工位溫度曲線如圖6。
圖6 淬火工位溫度曲線
工位查詢溫度曲線如圖7。
圖7 工位查詢溫度曲線
每個(gè)工位完成后可以自動(dòng)倒出報(bào)表自動(dòng)保存為Excel文檔,找到存儲(chǔ)路徑打開(kāi)數(shù)據(jù)記錄,查看各個(gè)數(shù)據(jù)字段名和各個(gè)記錄的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,完全符合工藝要求。
該文章主要介紹了一種基于PLC的焊縫熱處理溫度采集記錄監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法,主要采用西門子PLCS7-300、WinCC7.0和SQL2005數(shù)據(jù)庫(kù)完成數(shù)據(jù)的采集和記錄,并通過(guò)語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互功能。該系統(tǒng)具有以下功能:
1)實(shí)現(xiàn)了焊縫熱處理溫度PID控制和溫度的實(shí)時(shí)采集并顯示在界面上。
2)通過(guò)在人機(jī)交互界面上添加功能按鈕可以實(shí)現(xiàn)單工位溫度曲線的查看和多工位溫度曲線的查看功能。
3)實(shí)現(xiàn)溫度曲線報(bào)警閾值的設(shè)置,并做出報(bào)警畫(huà)面和報(bào)警記錄。
4)滿足溫度曲線的在線實(shí)時(shí)查看和歷史溫度曲線的在線查看和離線查看功能。
5)該系統(tǒng)具備友好的班次切換功能,滿足三班倒班和兩班倒班上下班切換功能。
該系統(tǒng)通過(guò)溫度采集和記錄方法的實(shí)現(xiàn),滿足鉆桿焊縫熱處理溫度曲線的實(shí)時(shí)查看和歷史數(shù)據(jù)的可追溯性,對(duì)鉆桿焊縫熱處理工藝做好了各個(gè)溫度點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ),采樣多記錄準(zhǔn),對(duì)生產(chǎn)工藝的比對(duì)和調(diào)整能夠提供很好的參考,同時(shí)通過(guò)溫度曲線的查看能夠更直觀的反應(yīng)工藝的執(zhí)行,具有很好的推廣價(jià)值。
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