应用PLC和变频器的带钢自动拧紧控制系统设计.pdf

应用 P L C和变频器 的带钢 自动拧紧控制系统设计 应用 P L C和变频器的带钢 自动拧紧控制系统设计 杨春亮 天津钢管集团有 限公 司管加工部 ， 天津 3 0 0 3 0 1 【 摘要】 以西门子 s 7 3 0 0系列 P L C作为控制核心， 采用 Wi n C C设计人机交互界面构建拧紧监控界面， 系统采用 模块化编程， 并以最新的现场总线技术 ， 统一数据库管理 ， 使用 A B B变频器 ， 对拧紧机电气控制系统进行全新设计 。 应用德国西门子 S 7 3 0 0系统 P L C 、 P R O F I B U S D P现场总线技术， 结合带有 P R O F I B U S D P接口的绝对值型编码器、 光电式传感器和接近式传感器．完成拥有 P L C和变频器控制系统的设计方案。 经过生产现场实际应用， 设计出的全 自动系统功能完善、 合理、 操作简便、 实用、 故障率低， 可以满足生产现场的需要， 达到了预期效果。 【 关键词】 拧 紧机 ； 可编程序控制器 ； 变频 器； 自动 ； 测量 ； 拧 紧系统 ； 设 计 De s i g n o f S t r i p Aut o m a t i c Ti g h t e ni n g Co n t r o l Sy s t e m wi t h PLC a n d Fr e q ue nc y Co n v e r t e r Y A NG Ch u n l i a n g P i p e Ma c h i n i n g D e p a r t m e n t ， T i a n j i n P i p e [ G r o u p ] C o r p o r a t i o n ， T i a n j i n 3 0 0 3 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T he e l e c t r i c a l c o n t r o l s y s t e m o f t i g h t e n i n g ma c h i n e wa s r e d e s i g n e d c o mp l e t e l y wi t h S i e me n s 7- 3 0 0 s e r i e s P LC a s t he c o n t r o l c o r e t h r o u g h d e s i g n i n g HMI a n d e s t a b l i s h i n g mo n i t o r i n g i n t e rfa c e b y W i nCC， c o nd u c t i n g mo d u l a r p r o g r a mmi n g i n t h e s y s t e m， u n i f y i n g d a t a ba s e ma n a g e me n t b y l a t e s t s i t e b u s b a r t e c h n o l o g y a n d u s i n g ABB fre q u e n c y c o n v e r t e r ．A d e s i g n p l a n wi t h P LC a n d fre q ue n c y c o n v e rte r c o n t r o l s y s t e m wa s f o r mu l a t e d b y a d o p t i n g S i e me n s S 7 3 0 0 s e r i e s PLC a n d PROF I BUS DP s i t e b u s b a r t e c h n o l o g y i n c o mb i n a t i o n wi t h a b s o l u t e v a l u e d d e c o d e r ，p h o t o c e l l t y p e s e n s o r a n d p r o x i mi t y s e n s o r wi t h P ROF I BUS DP c o nn e c t o r s ．Th e p r a c t i c e a t p r o d u c t i o n s i t e p r o v e d t h a t t h e d e s i g n e d f u l l y a u t o ma t i c s y s t e m s h o we d p e rfe c t f u n c t i o ns ，r e a s o n a b i l i t y ，e a s y o p e r a t i o n ，p r a c t i c a l i t y a n d l o w f a i l u r e r a t e a n d c o u l d me e t t he r e q u i r e me nt o f p r o d u c t i o n s i t e ． T h e a n t i c i p a t e d e f f e c t wa s a c h i e v e d ． Ke y wo r ds t i g h t e n i n g ma c h i n e ；p r o g r a mma b l e l o g i c c o n t r o l l e r ,fre q u e n c y c o n v e rte r ；,a u t o ma t i c ；t i g h t e n i n g me a s u r e me n t ；s y s t e m； d e s i g n 1 引言 带钢拧紧机是生产焊接石油套管的重要设备， 其主要功能是把带钢在焊接管体时拧紧并保持一 定的扭力 ， 使管体平整。在生产焊接石油套管整个 过程 中， 带钢拧紧机的作用是仅次于高频焊接机和 管体水压试验机的关键设备 ， 带钢拧紧的质量好坏 直接影响到焊接后管体的屈服强度和抗拉强度 。 石 油套管需要长期工作在特别恶劣的地质环境下， 尤 其是油井最外层的石油套管， 一旦出现问题， 将给 油田和生态环境带来非常大的损失， 因此， 功能先 进而又稳定可靠的带钢拧紧设备一直是石油焊管 制造装备行业的研究和发展方向。 收稿 日期 2 0 1 3 0 1 0 5 修 回日期 2 0 1 3 一 O 1 2 5 作者简介 杨春亮 1 9 7 5 一 ， 男 ， 山东肥城人 ， 工程师， 主要从事电气 技术管理工作 ， E ma i l y a n g c l t p c n 。 2 O世纪 8 O年代至今 ， 我国的石油焊管行业 已 先后从 国外引进多 台拥有有 P L C和变频器控制技 术的带钢拧紧机， 现今， 电气控制系统、 机械动力及 传动系统等多个领域不断改进发展 的背景下 ， 尤其 是在电气控制系统方面， 仍然存在很多缺点和不足 之处 ， 需要我们对它们进行性能提高和改造 。 2 带钢 拧紧机国 内外发展现状及特点 带钢拧紧机作为生产焊接石油套管的重要设 备， 国内外有很多著名的公司不断地采用最新的自 动化技术制造高端的带钢拧紧设备。例如， 目前使 用在冶金行业最广泛 的可编程逻辑控制器西门子 S I MA T I C S 7系列 已经基本取代 了 S I MA T I C S 5系 列。人机图形界面由 Wi n c c 6 ． 0升级为 Wi n c c 7 ． 0 ， 还 有大量的计算机技术和变频技术应用到了带钢拧 微 机 应 用 与 自 动 化 一 3 7 天滓， 幺 4 “- 紧机的设计和实际使用中。 3 拧紧机 电气控制系统设计 与组成 天津钢管股份有限公司管加工部的焊管生产 线使用一台 We a t e r f o r d公司的产品 ， 该产 品最早在 1 9 9 8年投放 市场 。拧 紧机原有 电气控制 系统 由 S I ME N S S 5 3 5 U ／ 1 1 5 U， 西 门子 2轴伺服定位模块 ， 现场人机监控界面 Wi n c c 4 ． 0 ， 罗克韦尔 自动控制装 置 ， H B M拧紧力矩测量系统 ， 工业控制计算机等组 成。经过几年的现场使用， 发现原有电气控制系统 暴露出现一系列的问题 原工业控制计算机仍使用 D O S系统 ， 不利于 日常维护和系统升级。 在 D O S系 统环境下存储能力有限 ， 不具备 网络功能 ， 制约了 数据跟踪及记录。 原系统较多地使用继电器隔离电 路 ， 现场抗 干扰能力一般 ， 经 常因触电粘连而产生 故障。 原系统人机界面较为简单， 人性化程度低， 无 现场设备实时状态监控能力。 新的电控系统采用西门子 s 7 3 0 0可控逻辑编 辑 器 作 为 系 统 的 主 控 制 器 。 硬 件 之 间 采 用 P R O F I B U S D P现场 总线进行 通讯 ，整个 系统 由 P R O F I B U S D P网络 构建组 成 。软件采用 西 门子 S T E P 7 3 0 0编辑程序 ，实现控制功能 ，同时应用 S I C K公品的光电式传感器、接近式开关和带有接 口的 P R O F I B U S D P 绝对值编码器，这样构成测量 带钢位置、 拧紧的力矩全 自动化的控制系统。系统 按照顺序控制过程 自 动完成每一个工作步骤， 直到 全过程结束， 在整个 自动过程中可随时插入中断停 止指令， 系统按照人工指令或顺序连续工作或暂停 工作 。 基于对现场原始设备功能及缺点的分析 ， 对原 设备电气控制系统进行全新设计 。 设计方案采用上 位 P C机与西门子 P L C合 的手段 ， 开发新型拧紧机 控制系统。充分利用 S I ME N S S I MA T I C S 7 3 0 0 C P U 的强 大功能与 Wi n d o w s X P系统 的兼容 与扩展能 力 ，以西门子成熟的工业以太网作为数据传输载 体， 提高整个系统的控制精度及稳定性。 通过对拧紧机现场加进程进行分析研究 ， 对 电 气系统控制环节进行全新设计。 3 ． 1 系统架构设计 以西门子 S 7 3 0 0为控制核心 ， 完成对所有数 据采集、 处理、 实时控制输出， 以上位 P C机为控制 枢纽， 实现人机交互、 参数控制、 数据统计、 数据保 存及打印输出等现场采用西门 P r o fi b u s D P总线 技术对现场各分站及控制单元进行信号传输 ， 上位 P C与控制核心 S 7 P L C通过工业以太网进行传输 ， 保证数据的实时有效， 稳定可靠。 3 ． 2电气系统控制部分 选用西 门子 S I ME N S S I MA T I C S 7 3 0 0 C P U中 最 为通用 的 6 E S 7 3 1 5 2 A G1 0 一O AB O型高性 能 C P U作为电气控制系统的控制核心。 该型号的 C P U 性能突出， 指令执行时间仅为每个二进制指令 0 ．0 8 s ， 且通讯及扩展能力强大， 运行稳定可靠， 价格适 中。以 S I ME N S新一代伺服控制系统 S 1 2 0作为预 拧 控 制 系 统 的 核 心 。利 用 S I ME N S 1 F K 6 1 3 6 6 A B 7 1 1 A E 0 高性能伺服电机作为拧紧输出电机。 S 1 2 0伺服系统具备子数模计算的能力及驱动功率 的执行功能， 通过现场传感器反馈信号的状态传递 给 S I MA T I C S 7 3 0 0， C P U只向 S 1 2 0系统 发送矢 能及动作命令，这样既节省了定位模块的费用成 本 ， 也便于 日后 的现场维护工作。系统选用高性能 上 位 P C机作 为显 示 与输 入核 心 ，使 用西 门子 Wi n C C 7 ． 0 及 VC编程语言编写人机交互监控界面。 3 _ 3 拧紧力矩测量及计算 作为带钢拧紧机， 拧紧力矩的测量与计算是最 为关键环节。本系统选用德国 H B M公司生产 的拧 紧力矩传感器 ，搭配德 国 一 T U R C K信号放大器作 为生产时拧紧力矩实时采集载体。 信号采集传输线 路全部采用德国缆普公司的带屏蔽的多股信号缆， 采取滤波放大措施 ， 确保信号传输的精确性和有效 性 。通过 P L C实时采样 ， 能真实地反映带钢拧紧过 程 。应用功能强大 的 s 7 3 0 0 C P U对拧紧力矩进行 计算和控制输出， 将现场采集的模拟量数据进行工 程量转换 ， 并将所得结果乘 以拧紧力矩调整量 拧 紧力矩系数 ，以提高拧紧力矩采集 的精度及有效 性 。同时 ， 为应对现场环境 的复杂性 ， 现场安装后 ， 再次对模拟量转换模块进行现场校对及回零调整。 4 变频器的选用 变 频 器 采 用 瑞 典A B B 公 司 出 品 的 A C S 8 0 0 0 1 0 1 2 0 7 P 9 0 1变频器 ，该公 司的变频 器在中国的冶金领域得到广泛的应用 ， 一般可以达 到 1 5 ％左右 的节电量 ， 并且 网络功能强大 ， 适用于 P r o f i b u s D P现场总线系统，可以和 P L C控制系统 进行双向多信息数字通信， 标准应用程序同时可以 一 3 8 一 微 机 应 用 与 自 动 化 应用 P L C和变频器的带 钢 自动拧 紧控制 系统设计 支持 4 个数据集 ， 2 个用于发射， 2 个用于接收。但 在实际使用中需要设定主给定数据集和辅助给定 数据集。变频器的频率上限为 5 2 H z ， 最高输出电 压为 4 0 0 ， 变频器的现场总线适配器模块通信参数 9 8 ． O 2应定义 为 F I E L D B U S ， 变频器 的现场总线适 配器模块通信参数 9 8 ．0 7定义为 A B B D R I V E S ， 系 统控制参数 1 6 ． 0 1定义为 C O MM，系统控制参数 1 6 ． 0 4定义为 MO D U L E 。变频器设置还有很多 ， 这 里只是列举一二而已。 5 实施效 果 在电气系统升级改造后 ， 带钢拧紧机运行稳定 可靠， 体现了故障率低， 自动化程度高， 维护成本低 的特点， 减少了故障停机时间， 降低了操作人员的 劳动强度 ， 显著提高了产品质量。尤其是带钢拧紧 定位准确迅速 ， 控制精确 ， 克服 了原来高速焊接时 所出现的一系列棘手的问题， 比如高速焊接生产时 所产生的震动 ， 使带钢出现拧紧运动轨迹偏差加大 的现象 ， 从而提高了生产节奏 ， 有效地提高 了加工 精度 ， 可以全面满足高速连续焊接 的生产要求 。由 于采用 了变频技术 ，减少 了电流对 电机的冲击 ， 延 长了电机的寿命， 所采用的是 A B B标准变频器， 在 设备安装、参数设置和现场使用方面都很简单， 可 以节省大量时间 ， 方便人员 的培训 ， 拥有 良好 的技 术支持能力。通用的备件可以A B B广泛的各分销 商处得到供应， 价格适中， 方便购买。 该变频器还具 有与各类现场总线技术通用 的客户与流程界面 、 通 用的调试及维护软件工具 。 整个电气控制系统硬件模块 比原 系统有所减 少， 电气布置更加简单， 连接线更少， 使得电控柜的 体积更小， 能源消耗更少， 电气系统的可靠性得到 了显著提高， 人机界面更加人性化、 可视化， 实现了 对每个 I ／ O点 的监控 ， 可以 自动显 示故障点 ， 使故 障点更加直观， 方便电气维护人员及时陕速的处理 故障， 创造了较好的经济效益。 6 结束 语 该系统采用了先进的 S I M E N S工业 自动全集成 控制理念 ， 集成 了所有现场控制 ， 现场实际数据实时 反馈 、 数模计算 、 工业通讯 网络 、 控制系统的人机界 面等多种功能， 层次清晰。 从拧紧力矩传感器的电压 信号到测量系统的脉冲信号全部采用直接的输入方 式， 输入到 C P U中参与工艺数据的计算 ， 在很大程 度上降低了信号被多次放大后的不可靠因素，保证 了拧紧力矩的精确控制及介质控制 的双重工艺要 素， 提高了控制精度 ， 满足工艺要求。上位机采用先 进的控制平台， 保证了数据的可靠传递， 完成了多种 数据的采集 、 归档 、 整理分析等多种功能。 经过的生产现场实际应用 ， 设计 出得全 自动系 统完善、 合理、 操作简便、 实用、 故障率低 ， 可以满足 生产现场的需要 ， 达到了预期效果。 参考文献 [ 1 ] 晁阳， 胡军， 熊伟． 可编程控制器原理和应用与实例解析[ M ] ．北 京 清华大学出版社 ， 1 9 9 7 ． [ 2 ] 陈金义， 兰福全 ， 王军， 等． 带钢拧紧机的研制与应用【 J J ． 石油矿 物机械 ， 2 0 0 8 ， 3 0 7 8 6 9 0 ． [ 3 ] 刘美俊． 通用变频器应用 技术 [ M] ． 福建 科学技术出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 4 ] 王孝武． 现代控 制理论 【 M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 6 ． 编辑潘娜 上接第 3 6页 3 ．4 控制电路设计 率提高了 2 1 ．2 ％，能耗降低 1 2 ． 1 ％，故障率减少 为了保护 P L C， P L C输出端不直接与接触器连 2 3 ％， 设备维修费用减少 了 2 3 ． 8 。 接。 在 P L C输出端和交流接触器之间引入 中间继电 ． ． 器， 中间继电器控制接触器线圈的得电 ／ 失 电， 控制 ⋯ 谢文和 ．传感技术及其 盖 京 高 等 教 育 出 版 社 ，2 o 0 4 电机的动作， 可延长系统寿命， 增强系统可靠性。 l 5 6 一 4 结束j 吾 [ 2 ]王进野． 电 机拖动与控制 [ M ] ． 2 版． 天津 天津大 学出版社， 基于 F X I N P L C控制的轧辊磨床电气控制系 2 0 1 1 3 0 0 3 0 4 ． 统， 具有可靠性高、 抗干扰能力强、 体积小 、 重量轻、 [ ]刘 沂 电 气 控 制 技术 [M ]-2 版 大 连 大 连理 工 大 学 出 版 社， 2 0 0 8 功耗低、 维护方便、 控制程序可变、 使用方便等诸多 ～ 一 优点。 系统已经运行近一年， 与过去同期比较， 生产 编 辑 潘 娜 微 机 应 用 与 自 动 化 一 3 9