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1、山西电子技术2 0 0 8 年第2 期应用实践基于P L C 的小钻杆回火工序液压控制系统张淑慧1 任建平1 王国俊2(1 中北大学，山西太原0 3 0 0 5 1；2 太原工业学院，山西太原0 3 0 0 0 8)摘要：着重介绍了P I E*-r 编程控制方式在小口径钻杆生产线回火工序液压控制系统中的应用，并给出了液压控制系统原理图及电气控制系统i(3 地3 a l：分配及梯形图。关键词：回火；P L C；电气控制系统；液压控制系统中图分类号：T t)2 7 1 4文献标识码：AO 引言近年来，可编程控制器P I E(p r o g r a m m a b l el o g；c a lc o
2、 n t r o l l e r)在自动化工业生产中得到广泛的应用，不仅是因为可靠性高、体积小、通信方便，而且控制简单、编程容易。小口径钻杆生产线回火工序自动化生产液压控制系统的开发与研制，来源于某公司的小口径钻杆生产线开发项目。为实现操作方便、效率高、定位准确、工作可靠、易调整、易维修等目标，回火工序电气控制部分采用先进的P L C 可编程集中控制方式，满足各生产工序的自动、半自动操控，各工位(系统)独立工作，而液压部分采用集中供油，分块控制，控制阀组采用集成块和叠加阀。l 执行元件液压缸液压控制系统的确定在小口径钻杆生产线回火过程中，执行元件液压缸分为三组：两个转位液压缸、四个轴向移位液压
3、缸，三个对中液压缸。在钻杆从一个工序转到另一个工序的过程中，需要两个转位液压缸实现同步举升或下降，因此，在液压缸的液压控制系统中，将节流阀串联在液压泵和液压缸之间，通过调节节流阀的通流面积改变进入液压缸的流量，从而调节液压缸的运动速度，达到三个转位装置的机械同步。利用同样的方法实现四个轴向移位液压缸、三个对中液压缸的机械同步。液压系统原理图如图1 所示。液压系统设计完成之后，液压控制系统回火工序中各电磁铁动作程序如下：、电磁铁动作1 Y A 2 Y A3 Y A4 Y A5 Y A6 Y A7、，A8 Y A转位油缸1、2 上升+转位油缸l、2 下降+轴向移位油缸2,3、4 上升+轴向移位油缸
4、2,3、4 下降+轴向移位油缸1 上升+轴向移位油缸1 下降+支承对中油缸l、旋转对中+油缸2、3 上升支承对中油缸1、旋转对中+油缸2,3 下降l Y 图1 液压系统原理图2 回火工序液压及电气控制系统框图图2 是小钻杆生产线回火工序液压及电气控制系统框图。通过控制面板输入动作命令，P L C 根据输入的命令控制相应的液压阀及低速电机动作，以实现钻杆的轴向移动、举升、下降、对中、转动等动作，同时控制其运动速度、动作时间，完成对钻杆焊缝回火处理，并最终恢复管端因焊接而改变的机械性能。液压P输出阍及L低速C电机图2 回火工序液压及电气控制系统框图3 回火生产过程分析回火工序要完成的动作如下：收稿
5、日期：2 0 0 7 一1 0 0 8 第一作者张淑慧女3 7 岁工程师 万方数据第2 期张淑慧，等：基于P L C 的小钻杆回火工序液压控制系统3 9睦进按钮l 转位装置上升转位装置下降l 蕉塾堡堑I 轴向移位装置上升轴向移位装置电机正转(光电检测)对中装置上升轴向移位装置下降对中装置电机转动(发出到位信号)(加工处理)(接受处理完成信号)对中装置电机停止轴向移位装置上升对中装置下降轴向移位电机反转延时轴向移位电机停止。l o-B 1 51 5-l o _ I l|H_ t 0 8 一1 31 3罗一l o-0-1 21 27-二l n I 1 1I I夕一l D-I 1 01 0I m I
6、 伪0 9l m-摹镅0 81 0-町l O 一1-0 60 6，I O 一8-0 5I D I-0 0 4bl D 们O SI m 1 0 2O-I-0 lO lI O-0 0C O W+2 V)D 6 一I，1 5二)一)C-6-1 41 4d=_ 一叱_ 6 一1 31 3_ _叫：_-6 一1 21 2_ _叱6 一I Il l_ D 二6 一l 口I O_ 二)一坍：埘0 9_ 二 _ 一)o _ 6 埘C 一 圯_ 0 7(_硼0 6二卜【)C-6-0 50 5广?D C 6 o 0 4f)c 0 30 3叱I-0 20 2n C J lO lD C 疆C 0 wl O-9-1 5
7、1 5l n 乒1 41 0 9 一1 31 3l O 孕-1 21 2l O 9 一I ll ll o _ 9 一1 01 0l 口9 0 9_ l O-9 0 8傩一l o-蛳0 7l0-9 嘶0 6玉I、l 岱9-0 5l m 9 叫0 4一I m l 9 O，0 3I o 蚍0 2l o 9 爿0 ll m，9 加0 0C 0+2 4 V田3P L C 控制系统I O 外接线圈l：8 1 3T l M 够23 5 1 2b：I沪矗士F起动35 罂0 3 4Q：7 伊l：炒Q：唾旦雕研。“旷j 1 0 5b 掣幽蜱0 53 M3 蚓5：4 E3 与。1 3俐I斋_静s1 井：9，0 4题
8、n 陛z。马 1 2 1 33 毛瞿I 辞纠。盈1 卜I r 4 一-T I M f 0 4 41 潍51 宝掣Q：啦巨汀。“一吁j 型蹦工位完T I M 0 4 4T I M 0 4 51：9，0 1Q 兵1 4渊。-Q：2 矿*M 9 4 3Q：1 1。r r 一旦：匹lAl4席寄r 1 卜胚I3 6 0 0踮工T I M 0 4 33 5，1 5Q：每堕蚌0 6I扁百。_ 尸隘s 娶髀掣掣Q 世舒一。-。葛FQ 掣oT I 1 9 4 53 池3 S?1 51。q 3 5 叫)50：6 二!oQ：弹1n 70 lf T】M【!T 鞲I M(M 6 罗 I-竺3 6 0 0厅同掘捌-r T
9、 I M 0 4 4，Q：6：=,0 7Q：0 7厅而叫卜一幽胱喁田4 回火工序梯形图 万方数据山西电子技术2 0 0 8 年本工序中设有两个转位装置(编号分别为1#、2#)、四个轴向移位装置(编号分别为1#、2#、3#、4#)、三个可升降旋转对中装置(编号分别为1#、2#、3#)。在9 5 m 产品加工工艺中，轴向移位装置油缸动作不含距离主设备最远的一个(即4#轴向移位油缸)，它将始终处于下位；加工1 2 m产品时。含4#轴向移位装置油缸的动作。带方框的步进按钮和起动按钮需人为操作，其余皆为自动。4I o 地址分配根据对工艺的分析及对各种特殊功能的设计，整个控制系统的实现需要1 4 个输入点
10、和1 3 个输出点，考虑到生产工艺的改进及系统的可塑性，选用日本欧姆龙公司的Q 0 0 H可编程控制器。I O 地址分配如下：(为方便起见，设回火工位为8#工位。)输入：I D-8 1 1 8#工位完工按钮，I D 8 1 2 8#工位急停按钮(带自锁)，I D-8 1 3 8#工位起动按钮，I D-8 1 4 _ 8#工位1#、2#、3#轴向移动装置举升到位检测，l D 8 1 5 _-8#工位1#、2#、3#轴向移动装置下降到位检测，I D-9 0 卜8#工位4#轴向移动装置举升到位检测。I D-9 0 1 8#工位4#轴向移动装置下降到位检测，I D-9 0 2 叫#工位对中装置举升到位
11、检测，I D-9 0 3 8#工位对中装置下降到位检测，I D-9 0 4 8#工位转位装置下位检测，I D-9 0 5 8#工位转位装置上位检测，1 I)-9 0 6 _ _ 8#工位工件到位检测，I D-9 0 7 备用，I D-9 0 8-8#工位加热停止信号(由回火装置提供)。输出：0 G 6 0 6 8#工位轴向移动装置电机正转，C G6-0 7 8#工位轴向移动装置电机反转，O C-6 0 8 备用，0 G 6 一0 9 一工件到位(送回火装置)，O G 6 1 0 一8#工位对中装置电机转动，0 G 6 1 1 8#工位1#、2#、3#轴向移动装置举升，O D 6 1 2 一8#
12、工位l#、2#、3#轴向移动装置下降，O C-6 1 3 一-8#工位4#轴向移动装置举升，0 C 6 1 4 8#工位4#轴向移动装置下降，o G 6 1 5 8#工位转位装置举升，7 O o _-8#工位转位装置下降，o D 7 0 1 8#工位对中装置举升，o D 7 0 2 8#工位对中装置下降。5P L C 控制系统的外接线图P L C 输入单元分为直流(D C)输入单元与交流(A C)输入单元 2|。在回火工序中输入信号均为直流信号，所以选用直流(D C)输入单元。P L C 输出单元分为触点(0 C)输出单元、晶体管(0 D)输出单元、双向晶闸管(O A)输出单元【2J。在回火工
13、序中选用触点(0 C)输出单元。P L C 控制系统的外接线图如图3 所示。图中未标输入输出点为备用。6P L C 程序设计随着微电子技术和计算机技术的发展，现在的P L C 除保留“与”、“或”、“非”等基本逻辑指令外，还有很多数据处理、通信方面的指令。除了梯形图编程外，还有助记符编程方法【3】。本系统采用梯形图编程，软件采用欧姆龙公司的新编程软件C X P。根据回火工序的工艺流程可知，其工作过程是典型的顺序控制，故采用顺序设计法。控制程序分为手动控制和自动控制，具体的程序如图4 所示。其中手动控制主要用于工序启动及工序急停，其余动作运行在自动控制状态。7 结论P L C 在回火工序液压控制
14、系统经实际应用，达到了对液压缸各个动作的准确控制，液压设备装置传动平稳，运转灵活，定位准确，满足了钻杆管体与接头摩擦对焊缝回火热处理工艺过程及参数控制的要求，经过回火工序后对焊缝部位的检验证明，恢复了因焊接而改变的机械性能。参考文献 1 谢克明，夏路易可编程控制器原理与程序设计 M 北京：电子工业出版社，2 0 0 5 7 2 路林吉，王坚，江龙康可编程控制器原理及应用 M 北京：清华大学出版社，2 0 0 6【3 向鹏，李绣峰基于可编程控制器的注塑机液压控制系统 J 液压与气动，2 0 0 6(4)：3 7 3 9 T h eH y d r a u l i cC o n t r o lS y
15、 s t e mo fS m a l lD r i l lP i p eT e m p e r i n gP r o c e s sB a s e do nP L CZ h a n gS h u h u i lR e nJ i a n p i n 9 1W a n gG L】硝u n 2(1 N o r t hU n i v e r s i t yo fC h i n a，T a i y u a nS h a n 五3 0 3 0 0 5 1，C h i n a；2 T a i y u a nI n d u s t r i a lI n s t i t u t e，T a i y u a nS
16、 而a n s c i0 3 0 0 0 8。C h i n a)A b s t r a c t：T h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o no fP L Ci nt h eh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mo fm m l l d i a m e t e rd r i l lp i p el i n et e m p e r i n gp r o c e s s，a n dg i v e st h eh y d r a u l l cc o n t r o ls y
17、s t e ms c h e m a t i c s，t h eI Oa d d r e s sa l l o c a t i o na n dl a d d e rd i a g r a mo fe l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m K e yw o r d s：t e m p e r i n g；P L C；e l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m；h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m 万方数据基于PLC的小钻杆回火工序液压控制系统基于PLC的小钻杆
18、回火工序液压控制系统作者：张淑慧，任建平，王国俊，Zhang Shu-hui，Ren Jian-ping，Wang Guo-jun作者单位：张淑慧,任建平,Zhang Shu-hui,Ren Jian-ping(中北大学,山西,太原,030051)，王国俊,Wang Guo-jun(太原工业学院,山西,太原,030008)刊名：山西电子技术英文刊名：SHANXI ELECTRONIC TECHNOLOGY年，卷(期)：2008，(2)引用次数：0次 参考文献(3条)参考文献(3条)1.谢克明.夏路易 可编程控制器原理与程序设计 20052.路林吉.王坚.江龙康 可编程控制器原理及应用 2006
19、3.向鹏.李绣峰 基于可编程控制器的注塑机液压控制系统期刊论文-液压与气动 2006(4)相似文献(9条)相似文献(9条)1.期刊论文 马长虹.MA Chang-hong 钻杆焊接接头中频回火控制系统-应用能源技术2007(4)阐述了一种用PLC可编程序控制器控制中频炉加温、保温,实现对钻杆焊接接头回火热处理的方法.以及该控制方法在大庆采油九厂中频回火炉中的实际应用,介绍了整个系统的硬件配置、系统特点以及应用效果.2.期刊论文 李秀忠 PLC在箱式电阻炉温度控制系统中的应用-工业加热2004,33(3)阐述了PLC技术在箱式电阻炉温控系统中的设计方案和硬件接线,以及从温控曲线的形成、模拟量处理
20、、PID调节3个方面阐述了系统软件设计.并通过两种钢材热处理效果分析,验证了PLC在箱式电阻炉过程控制系统中的成功应用.3.学位论文 张淑慧 小口径钻杆生产线淬火及回火工序的开发设计 2008 随着油品需求的增长和钻井技术的不断改进，为了提高出油量，在已打好的垂直井眼中开窗、侧钻、固井后钻水泥塞以及修井作业均在已下好的套管中进行，故必须使用小口径钻杆。国内生产石油钻杆的三家公司只生产5以上钻杆，5以下小口径钻杆全部依赖进口。因此，开发一条小口径钻杆自动生产线，解决小口径钻杆的国产化问题，将对我国油井开发成本的降低起到很大的作用。小口径钻杆由管体和内外螺纹接头三部份组成，管体属外购合格件，无需加
21、工，只车端面，两个接头则需加工处理。具体工艺线路为：进料输送、车端面(2个)、摩擦焊、退火、车焊缝(2个)、淬火、回火、内外焊缝打磨、磁粉探伤、超声波探伤及出料输送共13个部分。本论文完成了小口径钻杆自动生产线淬火及回火工序的机械本体、液压系统、电气控制及PLC控制系统的开发与设计，并满足了直径为23/85，长度为9.5m和12m的钻杆生产传动及工作节拍为5min/支的钻杆生产需要。4.期刊论文 李森 PLC在抽油杆生产线中的应用-科协论坛(下半月)2008(10)本文介绍了可编程序控制器(PLC)在抽油杆生产线中的应用实例,并详细介绍系统工作过程、系统硬件端口接线图和指令执行梯形图.5.学位
22、论文 刘光新 回火感应炉微机测控系统的设计与实现 2004 本论文通过对并联谐振式回火感应加热炉微机测控系统的设计,系统分析和研究了在工厂热处理生产环境条件(对可靠性及稳定性要求高、电网电压畸变,坯料物理状态不一致,环境温度的变化、防尘、防潮、防腐蚀、抗干扰)下,影响微机测控系统运行可靠性、稳定性的各种因素.对传感器、可编程控制器(PLC)、工控机(IPC)等硬件进行了可靠的设计选型,并着重对微机测控系统的模型从理论上和实践上进行可靠性的论证和设计.本文还设计出了适应不同层次操作人员操作的友好界面,采用了高性能、高可靠性的软件完成设计任务.系统设计完全满足了河南平顶山东联机械制造公司生产流水线
23、工程项目对该系统的要求,系统运行稳定可靠,各项性能指标基本达到了设计要求.6.学位论文 杨亚罗 石油钻杆摩擦焊接头焊后感应热处理PLC闭环控制系统研究 2003 该文对国产热处理设备进行了详细分析,找出了影响热处理质量稳定性的主要原因,并针对这些影响因素,对热处理设备进行自动化改造,研制了对焊钻杆热处理自动监控装置,该装置采用三台西门子可编程控制器(PLC)分别对退火、淬火、回火三个工序的温度进行现场闭环控制,另由一台工控机进行远端生产管理,同时生产管理用的工控机与另外三台PLC进行联网,实现了整个对焊钻杆热处理生产的自动化操作.同时,针对新钻杆热处理工艺的特点,设计了新型感应圈和冷却装置,优
24、选了新钻杆热处理参数,并通过一系列机械性能试验加以验证,有效保证了新钻杆的热处理质量.研究表明,在新钻杆的热处理控温过程中可采用PID技术,通过选择合适的P、I、D参数,有效的抗干扰措施可实现:温度控制精度5,时间控制精度0.5s.该文所取得的成果,极大的提高了整个国产钻杆热处理生产线的性能,在此基础上生产了250余吨新钻杆并全部发往钻井现场使用,效果良好,开创了利用国产设备生产新钻杆的先河,在国民经济发展中将具有重要意义.7.学位论文 张伟民 大模块淬火冷却虚拟生产及智能化工艺装备研究 2007 对于大型预硬化塑料模具钢，由于水的冷却能力强，淬后截面硬度差大、棱角和表面易出现裂纹；而油的冷却
25、能力相对较弱，预硬化厚度较浅且存在油烟和火灾隐患；水淬+油冷可在一定程度上克服两者的不足，但是工艺控制难度大，限制了预硬化深度；聚合物类水溶性介质淬火冷却能力介于水与油之间，但其低温段的冷却能力很高仍有开裂危险，且介质成本高，自然降解缓慢，对环境有不利影响。显然，理想的工艺应当是仅仅用水和空气，通过严格控制水和空气交替作用在工件上的时间，来实现大模块的控制冷却获得尽可能均匀的组织和性能。但要在大规模工业生产中实现，仍然面临很多问题，其中工艺装备将在很大程度上决定此理想方案的实现与否。本文针对工业化生产条件下，仅用水和空气为介质淬火冷却塑料模具钢大模块的特点，讨论了淬火冷却技术及其计算机模拟技术
26、发展现状，及存在的问题。指出目前的热处理数值模拟研究与应用还处在初级阶段，对热处理数值模拟精度有重要影响的一些参数，尚缺乏可靠的数据来源，使得数值模拟的运算结果对实际生产还只能起到辅助的参考作用。但是，本文认为热处理过程的数值模拟提供了一个强大的虚拟生产试验的工具，使人们得以在虚拟环境中演绎整个工艺过程，发现其中的规律，优化热处理工艺和开发热处理新技术。与传统的试验相比，虚拟生产试验更加灵活、快速，且经济。同时，应当正视其存在的问题，在深刻理解计算机模拟的局限性的前提下合理地充分发挥其积极作用，完全可以在实际工业生产中起到良好的甚至是巨大的作用。对大型塑料模具钢采用水和空气作为淬火介质的喷液、
27、浸液、风冷和空冷的组合淬火，测量和计算了各种情况下的换热系数。对换热系数的计算方法(如反传热法、集中热容法和大电流法等)进行了讨论。本文提出了改进的集中热容法，克服了原有的集中热容法的缺点，使其适用范围大为扩展，从实际应用效果看，对喷雾情况下仍能获得相当合理的结果，与反传热法的结果非常接近。在原理上，改进的集中热容法误差要比集中热容法小，并且受温度采样误差的影响比反传热法小得多，计算稳定性较好。从风冷和喷雾冷的结果看，温度采样波动对改进的集中热容法计算结果的影响比其它两种方法小得多；但仍不适用于冷速很快时如水冷和喷水冷却的情况。设计了一套可以测量不同冷却方式下试样换热系数的实验装置，测得了方板
28、探头在空冷、以及各种不同压力下喷气、喷雾和喷水的冷却曲线；用反传热法、集中热容法和改进的集中热容法计算得到了这些冷却方式下的换热系数。还设计了大电流方法测量装置，测量了不同探头形状和不同探头材料在不同风速下的换热系数。在有限元法求解温度场和组织转变量等的基础上，根据工业上对大型P20和718塑料模具钢使用要求，考虑到它们的相变特性，制定了复合冷却条件下虚拟淬火的研究方案。对这两种钢不同尺寸的工件采用有限元法模拟了以水和空气为介质的复合冷却条件下的温度场和组织场，寻找满足工业要求的工艺参数，结合物理模拟方法，制定了这两种钢不同尺寸工件的优化淬火工艺。研究表明对600mm以上的718钢件，由于经过
29、数小时的冷却，近表面相当厚的材料已经完成了组织转变，然后可以通过后期强冷加快心部冷却，达到增加便化层深度和缩短工艺时间的双重效果。针对高淬透性钢，设计制作了一套端淬实验装置，使端淬试样在淬火过程中近似符合一维传热。可以用端淬试样的回火试验确定淬火态硬度、回火温度、回火时间对回火后硬度的影响规律，可作为制定大模块热处理回火工艺的依据。端淬试样的回火试验结果表明，为使P20钢和718钢回火后硬度保持在33HRC左右，应选择600左右的回火温度为宜。分析讨论了传统工艺与装备的缺陷，提出了开发智能化大型复合冷却工艺装备的设计要求，思路与实施方案。实现了在单台设备上组合浸液水淬、喷水、喷雾、风冷和空冷等
30、多项功能，装备结构设计采用了独特的通过介质快速注入与排放方法，实现了在不设置升降台条件下的组合式淬火。PLC控制采用了模块化PC控制模式的控制流程，以一种循环结构米代替传统的顺序结构，只需要很少的数据存储空间就可以实现大量加工内容的表示，提升了控制模式的灵活性和通用性，满足了复杂工艺的需要，实现了计算机控制下的组合淬火(浸液水淬+喷水+喷雾+风冷+空冷)。采用淬火冷却虚拟生产与物理模拟相结合方法获得的冷却工艺与研制的工艺软件，实现了工艺自动调用。8.期刊论文 党峰君 对焊钻杆热处理监控系统的应用-石油天然气学报2008,30(2)石油钻杆热处理就是利用感应加热的原理对摩擦焊接后的钻杆焊区进行退
31、火、淬火以及回火热处理的工艺过程.由于原有的检测和控制技术在参数自动检测上控制不够精确,无法实现实时检测加热温度且受人为影响较大,这样就不能精确保证热处理参数的稳定性和可重复性,降低了热处理的质量.针对上述问题,对3台可控硅中频电源加装了闭环控制接口,退火、淬火、回火工序的温度各采用了一台PLC进行现场闭环控制,同时使用工控机进行远程实时监控.成功解决了热处理质量不稳定难题,为焊接新钻杆提供了可靠保证.9.期刊论文 薛迎成.冯海辰.王正虎.Xue Yingcheng.Feng Haichen.Wang Zhenghu 欧姆龙PLC在回火炉上的应用-中国水运（学术版）2007,7(8)介绍了PLC和触摸屏在热处理行业回火炉控制中的应用,讲述了回火炉工艺过程控制系统的硬件组成、软件设计及工作原理.系统具有功能多,结构简洁明了,操作性能强等优点.本文链接：http:/