应用PLC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 300301）

应用PLC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 300301）

以西门子S 7-300系列PLC作为控制核心，采用WinCC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ABB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S7-300系统PLC、PROFIBUSDP现场总线技术，结合带有PROFIBUSDP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PLC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。

拧紧机；可编程序控制器；变频器；自动；测量；拧紧系统；设计

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。

20世纪80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PLC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SIMATICS7系列已经基本取代了SIMATICS5系列。人机图形界面由Wincc6.0升级为Wincc7.0，还有大量的计算机技术和变频技术应用到了带钢拧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Weaterford公司的产品，该产品最早在1998年投放市场。拧紧机原有电气控制系统由SIMENS S5-35U/115U，西门子2轴伺服定位模块，现场人机监控界面Wincc4.0，罗克韦尔自动控制装置，HBM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DOS系统，不利于日常维护和系统升级。在DOS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S7-300可控逻辑编辑器作为系统的主控制器。硬件之间采用PROFIBUS DP现场总线进行通讯，整个系统由PROFIBUS DP网络构建组成。软件采用西门子STEP7-300编辑程序，实现控制功能，同时应用SICK公品的光电式传感器、接近式开关和带有接口的PROFIBUS DP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PC机与西门子PLC合的手段，开发新型拧紧机控制系统。充分利用SIMENS SIMATIC S7 300CPU的强大功能与Windows XP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S7-300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PC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Profibus DP总线技术对现场各分站及控制单元进行信号传输，上位PC与控制核心S7PLC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SIMENS SIMATIC S7-300CPU中最为通用的6ES7315-2AG10-OABO型高性能CPU作为电气控制系统的控制核心。该型号的CPU性能突出，指令执行时间仅为每个二进制指令0.08 μs，且通讯及扩展能力强大，运行稳定可靠，价格适中。以SIMENS新一代伺服控制系统S120作为预拧控制系统的核心,利用SIMENS 1FK6136-6AB71-1AE0高性能伺服电机作为拧紧输出电机。S120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SIMATIC S7-300，CPU只向S120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PC机作为显示与输入核心，使用西门子WinCC7.0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HBM公司生产的拧紧力矩传感器，搭配德国-TURCK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PLC实时采样，能真实地反映带钢拧紧过程。应用功能强大的s7300CPU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ABB公司出品的ACS800-01-0120-7+P901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Profibus-D P现场总线系统，可以和PLC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52Hz，最高输出电压为400，变频器的现场总线适配器模块通信参数98.02应定义为FIELDBUS,变频器的现场总线适配器模块通信参数9 8.07定义为ABBDRIVES，系统控制参数16.01定义为COMM，系统控制参数16.04定义为MODULE。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快速的处理故障，创造了较好的经济效益。

6 结束语

该系统采用了先进的SIMENS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CPU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。

[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，199 7.

[2]陈金义，兰福全，王军，等.带钢拧紧机的研制与应用[J].石油矿物机械，2008，30（7）：8 6-90.

[3]刘美俊.通用变频器应用技术[M].福建：科学技术出版社，2004.

[4]王孝武.现代控制理论[M].北京：机械工业出版社，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

杨春亮（1975—），男，山东肥城人，工程师，主要从事电气技术管理工作，E-mail：yangcl@tpco.cn。

（编辑 潘娜）