Темой статьи является разработка автоматизированной системы управления транспортными механизмами участка муфтонавертки, который находится в цехе по производству труб нефтяного сортамента.

Задачей данного участка является затяжка муфт с заданным крутящим моментом. Из-за устаревшего оборудования систем управления не было возможным использовать данный станок в полном объеме и получать продукцию необходимого качества. Поэтому было принято решение разработать новую систему управления на данном участке, которую разделили на СУ муфтонаверточным станком и СУ транспортными механизмами.

Задачей, решаемой в данном проекте стала разработка новой АСУ транспортными механизмами, которая включала следующие пункты:

1. Разработка алгоритма технологического процесса, на основе необходимых режимов работы участка.
   
2. Выбор технических средств автоматизации.
   
3. Создание электрической принципиальной схемы.
4. Разработка алгоритма и программы управления контроллера.

1. ОПИСАНИЕ УЧАСТКА МУФТОНАВЕРТКИ

Участок муфтонавертки предназначен для силовой затяжки (отворота) муфт с заданным крутящим моментом в условиях автоматической поточной линии по производству труб нефтяного сортамента.

Рисунок 1.1 – Участок муфтонавертки.

Участок состоит из:

Техническая характеристика:

• Тип обрабатываемых труб — насосно-компрессорные АРI 5СТ, АРI 5В, ГОСТ 633-80, ГОСТ Р 52203-2004, ГОСТ 53366-2009.
• Диаметры обрабатываемых труб, мм — 60… 114.
• Производительность, труб/час — 60.
• Привод узла навертывания — электромеханический.
• Привод узла зажима трубы — пневматический с самозатягиванием.
• Диаметр шпинделя станка, мм — 165.
• Рабочий крутящий момент, Нм — 20 000.
• Установленная мощность, кВт — 12.
• Род питающей сети — напряжение 3-х фазное переменное 380В, частота 50 Гц.
• Габаритные размеры, мм: длина — 1540; ширина — 1160;
  высота — 1200.
• Масса станка, кг — 1950.

• Транспортеры 11 и 41, подающие и забирающие трубы с перекладывателя 30.

Назначение: Цепной транспортер — это средство транспортировки, перемещение грузов в котором осуществляется за счет обращения одной или двух бесконечных закольцованных цепей.

• Перекладыватель 30, перемещающий трубы после транспортера 11 до рольганга 32 и далее, после навертки муфты до транспортера 41.

Назначение: Перекладыватель предназначен для перекладки труб перпендикулярно своей оси. При подъеме рычага перекладывателя происходит подъем трубы (с рольганга или любого другого устройства), при опускании рычага труба ложится в новое местоположение.

• Рольганг 32 осуществляет подачу труб с перекладывателя 30 к станку MHC-2000.

Назначение: Рольганги представляют собой оборудование, имеющее желобковую конструкцию расположения роликов. Последние находятся друг к другу под углом, благодаря чему рольганги становятся оптимальным решением для транспортировки длинномерных изделий с круглым сечением.

Данный участок работал в ручном режиме на базе релейно-контакторной системы управления (РКСУ), что обуславливало существование следующих проблем:

1) Высокая нагрузка и повышенные требования к квалификации оператора (отсутствие автоматического режима).
2) Низкая производительность и качество продукции.
3) Существенные расходы на брак.
4) Недостатки, вызванные использованием РКСУ:

• контактная коммутация, требующая соответствующего обслуживания и ограничивающая срок ее службы;
• ограниченное быстродействие;
• повышенные массогабаритные показатели и энергопотребление.

Для решения этих проблем было принято решение о переходе к новой автоматизированной системе управления, которую условно разделили на две части: АСУ муфтонаверточным станком MHC-2000 и АСУ транспортными механизмами.

Первый шагом стало создание и внедрение в производство АСУ станком. Это позволило разгрузить оператора, сосредоточив его внимание на управлении транспортными механизмами, повысить качество продукции, снизить расходы на брак. Но при этом часть существующих проблем остались актуальными, что требовало разработки также АСУ транспортными механизмами. Это задание было поручено мне, что и стало темой выпускной квалификационной работы.

1.1. Виды выпускаемой продукции.

Применение: установка в свежепробуренной скважине с целью её укрепления, предотвращения осыпания земли, сползания грунта и в итоге прекращения функционирования добывающего участка. Сортамент представлен в таблице 1.1, а технологический процесс на рисунке 1.1.

Таблица 1.1 – Сортамент обсадных труб

Применение: для извлечения жидкости и газа из скважин, нагнетания воды, сжатого воздуха (газа) и производства различных видов работ по текущему и капитальному ремонту скважин. Сортамент представлен в таблице 1.2, а технологический процесс на рисунке 1.2.

Таблица 1.2 – Сортамент насосно-компрессорных труб

1.2. Структура автоматизированной системы управления транспортными механизмами.

Система управления транспортными механизмами строиться как двухуровневая автоматизированная система, работающая в режиме реального времени и осуществляющая функции сбора данных, управления и контроля.

Нижний уровень включает датчики и коммутационные устройства, а также приводы исполнительных механизмов.

Верхний уровень – это уровень сбора, обработки и распределения информации, получаемой от датчиков, коммутационных устройств в виде дискретных сигналов. Выполняет это функции программируемый логический контроллер, который принимает данные и выдает указания исполнительным механизмам.

2. Характеристика существующих проблем на предприятии и обоснование причин проведения модернизации

2.1. Характеристика существующих проблем на предприятии

Синарский трубный завод является передовым производителем труб, который нуждается в постоянной модернизации оборудования с целью увеличения производственной мощности.

2.2. Обоснование причин проведения автоматизации

Основные причины проведения автоматизации:

1. Поддержания работоспособности предприятия во время проведения модернизации, за счет ввода нового участка;
2. Увеличения производственной мощности предприятия после проведения модернизации;
3. Сохранения некоторого количества рабочих мест, за счет перевода рабочих из одного цеха в другой.

3. Характеристики автоматизированной системы управления

3.1. Назначение системы

АСУ ТП предназначена для управления транспортными механизмами участка муфтонавертки.

• приём и обработка сигналов с датчиков системы;
  
• обмен информацией с контроллерами станков;
  
• предоставление необходимых данных оперативному персоналу;
  
• контроль работы оборудования.
  

3.2. Цели создания системы

Создание системы преследует следующие цели:

• повышение производственной мощности предприятия;
  
• захват новых рынков сбыта продукции.
  

3.3. Требования к режимам работы системы

1. Ручной режим – позволяет оператору перемещать трубы перекладывателем 30, выполняя шаг, и рольгангом 32 в горизонтальном и вертикальном направлении. При этом оператор не может выполнить сразу несколько перемещений, а также датчики ограничивают крайние положения.
2. Основной режим – система анализирует положение труб и включает необходимые механизмы перемещения. В этом режиме все оси перекладывателя 30 должны быть загружены для обеспечения последовательной обработки труб в станке.
3. Режим “Уборка” – система работает аналогично основному режиму, но при этом должна обеспечивать разгрузку рабочего пространства (осей) перекладывателя 30 от имеющихся труб.
4. Режим “Транзит” – система анализирует положение труб и включает транспортные механизмы без обработки труб в станке.
5. Аварийный режим – характеризуется отказом одного или нескольких компонентов системы, приводящим к остановке работы исполнительных механизмов. После перехода системы в аварийный режим необходимо выполнить комплекс мероприятий по устранению причины и подготовке системы к работе.

Управление и мониторинг за технологическим оборудованием осуществляется дистанционно с автоматизированного рабочего места (АРМ) оператора. На АРМ оператора происходит непрерывное слежение за достижением реальными параметрами критических значений.

В ручном режиме происходит настройка рольганга 32 в случае изменения выпускаемого сортамента. Режимы 2-4 являются автоматическими и требуют для запуска и остановки отдельных кнопок, а также специальной индикации во время работы. После попадания труб на ось рольганга, они должны быть выравнены в каждом автоматическом режиме.

На основании этих требований был составлен алгоритм технологического процесса (рисунок 1.6 – рисунок 1.10), который позволяет оценить требуемое количество дискретных входов (DI) и выходов (DO) программируемого логического контроллера.

Входы:

1. Ключ. Разрешение работы – 1 DI.
   
2. Переключатель. Выбор режима (ручной, основной, “Уборка”, “Транзит”) – 4 DI.
   
3. Кнопки автоматический режим “Пуск”, “Стоп” – 2 DI.
   
4. Кнопка “Аварийная остановка” – должна напрямую выключать исполнительные механизмы, поэтому не является входным сигналом контроллера.
   
5. Кнопка “Сброс аварии” – 1 DI.
   
6. Переключатели. Управление в ручном режиме (Перекладыватель 30 “Пуск”, рольганг 32 “Вперед”, “Назад”. “Вверх”, “Вниз”) – 5 DI.
7. Сигналы датчиков (Защитное ограждение закрыто, рольганг 32 “Крайнее верхнее положение”, “Крайнее нижнее положение”, “Труба на 1-ой оси перекладывателя 30″, “Перекладыватель 30 в исходном положении”, “Труба на оси рольганга 32″, “Труба у неподвижного упора рольганга 32″) – 7 DI.

Итого в сумме необходимо 20 дискретных входов.

Выходы:

1. Включить привод перекладывателя 30 – 1 DO.
2. Включить привод рольганга 32 “Вперед”, “Назад”. “Вверх”, “Вниз” – 4 DO.
3. Индикация “Готовность работы”, “Авария”, “Автоматический режим” – 3 DO.
4. Аварийная остановка – 1 DO.

Итого в сумме необходимо 9 дискретных выходов.

Также контроллер должен обладать интерфейсом Ethernet, для получения сигналов с контроллера станка (“Готовность станка”, “Труба в станке”, “Разгрузка станка”, “Ошибка наворота”).

3.4. Требования по диагностированию системы

Планово-предупредительные работы, включающие в себя диагностику и техническое обслуживание, проводятся 1 раз в месяц. Проверка целостности данных и их резервное копирование, а также диагностика аппаратного и программного обеспечения проводится по мере необходимости.

4. Выбор ПЛК для АСУ ТП

Разработка программной части начинается с создания алгоритма работы контроллера, на базе которого создается будущая программа управления.

4.1. АЛГОРИТМ РАБОТЫ КОНТРОЛЛЕРА

Дополним алгоритм технологического процесса, распределив входные сигналы с кнопок, переключателей, датчиков на контроллер и сформировав выходные сигналы контроллера на промежуточные реле и устройства индикации. Для этого используем электрическую принципиальную схему . А также добавим таймеры и маркеры для выбора режима работы и для проверки исправности датчиков. Таким образом, получаем алгоритм работы контроллера, который условно разобьём на части.

1. “Выбор режима работы”. Данная часть проверяет готовность системы (индикация HL1), а именно: разрешение работы (ключ SA1), закрытие защитного ограждения (датчик SQ3), отсутствие аварийной остановки (реле K8). Далее проверяется положение переключателя SA2, определяющего режим работы, а также нажатие кнопки SB3 на “Пуск” автоматических режимов. Автоматические режимы во время работы имеют соответствующую индикацию (HL2), отключаются кнопкой SB4 “Стоп” или при смене режима работы переключателем SA2.
   
2. “Аварийная остановка” включает остановку (реле K8) при ошибке работы датчиков или станка. С помощью кнопки SB2 осуществляется сброс аварии.
   
3. “Ручной режим” предназначен для управления перекладывателем 30 и рольгангом 32 с помощью переключателей SA3, SA4, SA5, при этом совместное срабатывание переключателей не позволяет включить соответствующие исполнительные механизмы через реле K1, K2, K3, K4, K5. Отключение исполнительных механизмов происходит при достижении крайних положений (BB1, BB4, SQ1, SQ2) или при отключении соответствующих переключателей. Для датчика исходного положения перекладывытеля 30 выполняется проверка, путем отсчета заданного времени.
   
4. “Основной режим” выполняет диагностику положения труб с помощью датчиков (BB1, BB2, BB3, BB4) и сигналов с котроллера станка и запускает соответствующие исполнительные механизмы через реле (K1, K2, K3). В этом режиме все оси перекладывателя 30 должны быть загружены, что осуществляется путем контроля наличия трубы на первой оси датчиком (ВВ3). Для датчиков выполняется проверка, путем отсчета заданного времени.
   
5. Часть алгоритма “Уборка” выполняет диагностику положения труб с помощью датчиков (BB1, BB2, BB4) и сигналов с котроллера станка и запускает соответствующие исполнительные механизмы через реле (K1, K2, K3). В этом режиме не проверяется наличие трубы на первой оси перекладывателя 30, что позволяет осуществить его разгрузку. Для датчиков выполняется проверка, путем отсчета заданного времени.
6. Часть алгоритма “Транзит” выполняет диагностику положения труб с помощью датчиков (BB1, BB2, BB4) и запускает соответствующие исполнительные механизмы через реле (K1, K3). В этом режиме не происходит подача труб в станок, но при этом трубы выравниваются по неподвижному упору – датчик (ВВ1). Для датчиков выполняется проверка, путем отсчета заданного времени.

В данный момент на мировом рынке ПЛК наиболее распространены:

• Siemens;
  
• Rockwell Automation;
  
• Mitsubishi Electric;
  
• Schneider Electric;
  
• Omron.
  

4.2. Обзор ПЛК различных производителей

Лидерами среди производителей ПЛК в области промышленной автоматизации являются SIEMENS, ОВЕН.

Для выбора ПЛК необходимы следующие требования:

• 20 дискретных входов.
  
• 9 дискретных выходов.
  
• Наличие интерфейса Ethernet.
  
• Контроллер будет подавать сигналы в цепь управления с низкими токами, поэтому тип выхода контролера – транзисторный.
  

4.2.1 SIEMENS

Контроллеры SIMATIC — это не просто мощное оборудование для управления всеми типами машин и установок. Возможности контроллеров SIMATIC постоянно расширяются за счет новых функций. Это делает контроллеры SIMATIC идеальной основой для инновационных решений и важной частью нашего подхода к полностью интегрированной автоматизации.

Среди серий, широко распространённых на рынке, предприятию для рассмотрения подходят контроллеры S7-300 и S7-1200.

На рисунке 4 представлен общий вид ПЛК S7-300.

Рисунок 2 – Станция S7-300

Особенности данной системы, следующие:

• модульная мини-система ПЛК;
  
• конструкторское исполнение без принудительного охлаждения;
  
• гибкость системы благодаря легко подключаемой периферии;
  
• поддержка до 32 модулей периферии;
  
• обмен данными по технологиям PROFIBUS, PROFINET, point-to-point, MPI;
  
• возможность подключения HMI-панелей.
  

Контроллеры данной серии обладают следующими достоинствами:

• эргономичный дизайн;
  
• высокая ремонтопригодность, вызванная модульным строением;
  
• широкий функционал;
  
• персонал предприятия хорошо знаком с данной системой;
  
• наличие комплектующих системы на предприятии.
  

Недостатки серии:

• производитель планирует завершить производство серии в 2023 году;
  
• производитель приостановил поставки нового оборудования.
  

Серия S7-1200

На рисунке 3 представлен общий вид ПЛК S7-1200.

Рисунок 3 – Станция S7-1200

Особенности данной системы, следующие:

• эффективное проектирование благодаря интеграции с программной средой разработки;
  
• разнообразие диагностических функций, позволяющих наиболее быстро определить причину ошибки;
  
• модульный дизайн;
  
• модуль быстрого счёта, ПИД-регулятор уже интегрированы и могут использоваться без применения внешних модулей;
  
• обмен данными по технологиям PROFINET, point-to-point, MPI;
  
• возможность подключения HMI-панелей.
  

На рисунке 4 представлена общая структура соединения компонентов системы.

Рисунок 4 – Структура S7-1200

Контроллеры данной серии обладают следующими достоинствами:

• эргономичный дизайн;
  
• высокая ремонтопригодность, вызванная модульным строением;
  
• встроенные цифровые вводы/выводы;
  
• встроенный интерфейс Ethernet.
  

Недостатки серии:

• ограничение на подключаемые модули вводов/выводов (до 8 модулей ввода вывода);
  
• производитель приостановил поставки нового оборудования.
  

4.2.2 ОВЕН ПЛК210

ОВЕН ПЛК210 – новая линейка моноблочных контроллеров с расширенными коммуникационными возможностями и дополнительными функциями надежности.

На рисунке 5 изображён центральный модуль контроллера.

Рисунок 5 – ОВЕН ПЛК210

Особенности данного контроллера:

• процессор ARM Cortex-A8 800МГц;
  
• операционная система Linux с RT-патчем;
  
• поддержка быстрых входов/выходов до 95 кГц;
  
• двойной ввод питания для резервирования по питанию;
  
• модульная структура;
  
• крепление на DIN-рейку или на стену.
  

На рисунке 13 представлена структура системы контроллера.

Достоинства контроллера:

• основной коммуникационный интерфейс Ethernet;
  
• для программирования используется ПО CODESYS;
  
• использование языков FBD, LAD;
  
• встроенный Firewall;
  
• отечественный производитель.
  

Недостатки контроллера:

• отсутствует возможность подключения к PROFIBUS DP;
  
• нестабильная работа ПО (контроллер неожиданно может выйти из строя);
  
• персонал цеха плохо знаком с данным оборудованием (не используется на предприятии).
  

5. Существующие решения

1. Данный участок работал в ручном режиме на базе релейно-контакторной системы управления (РКСУ), что обуславливало существование следующих проблем:

1. Высокая нагрузка и повышенные требования к квалификации оператора (отсутствие автоматического режима).
2. Низкая производительность и качество продукции.
3. Существенные расходы на брак.
4. Недостатки, вызванные использованием РКСУ:

• контактная коммутация, требующая соответствующего обслуживания и ограничивающая срок ее службы;
• ограниченное быстродействие;
• повышенные массогабаритные показатели и энергопотребление.

Рисунок 6. Релейно-контакторная система управления.

2. Автоматизированная система управления на базе Siemens S7-300.
Применены контроллеры Simatic S7-300 с центральными процессорами 414-3, с децентрализованной периферией на базе станций удаленного ввода/вывода ET-200М и Simatic S7-300, подключаемой к сети ProfiBus-DP. К этой же сети подключаются частотно-регулируемые приводы Micromaster и Sinamics. Использовано три контроллера Simatic S7-413-3, по одному на каждый технологический район. 7 cтанций ET200М встроены в пульты управления и щиты управления, 2 контроллера Simatic S7-300 – в шкафы управления гидростанциями. На пультах управления установлены панели оператора TP277.

Управление всеми механизмами линии осуществляется по принципу прямого контроллерного управления. Интеграция с системами управления отдельных станков и установок с целью согласованного безаварийного перемещения трубы и сбора параметров выполнена по сети Profibus через DP/DP Coupler.

Рисунок 7 – Siemens SIMATIC S7-300.

В 2022 году компания Siemens сняла с производства контроллеры Simatic S7-300, поэтому их покупка невозможна. Также данная система управления не может быть применена в нынешних условиях, так как покупка контроллеров Siemens и их обслуживание невозможна из-за санкций в отношении производства в России.

6. Построение новой АСУ

Для выбора оборудования разделим проектируемую электрическую принципиальную схему на цепь управления и силовую цепь.

2.1. ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЦЕПИ УПРАВЛЕНИЯ

Начнем проектирование с цепи управления:

Исходя из раздела 1.3 можно сформулировать требования к контроллеру:

• 20 дискретных входов.
  
• 9 дискретных выходов.
  
• Наличие интерфейса Ethernet для обмена данными с контроллером станка CPU 1214C.
  

Выбираем контроллер серии ОВЕН ПЛК210

Рисунок 2.1 Овен ПЛК210

Рисунок 2.2 Модуль ввода/вывода Мх210

Рисунок 2.3 Коммутатор КСН210

Для контроля положения труб на участке муфтонавертки нам необходимо 7 сигналов от датчиков.

Для контроля крайнего верхнего и нижнего положения рольганга 32 и будем использовать путевые выключатели
ВПК-2112Б-У2-КЭАЗ (рисунок 2.4)

Рисунок 2.4 ВПК-2112Б-У2-КЭАЗ

Технические характеристики датчика:

• Размеры: 63x108x48 мм;
  
• Тип элемента управления: роликовый толкатель;
  
• Количество нормально разомкнутых (НО) контактов – 1;
  
• Количество нормально замкнутых (НЗ) контактов – 1;
  
• Степень защиты: IP67
  
• Диапазон рабочих температур: -40…+40 ⁰C.
  

Для контроля труб у неподвижного упора, на оси рольганга 32, на 1-ой оси перекладывателя и исходного положения перекладывателя 30 используем бесконтактные индуктивные датчики ВБИ-Ф80-40У-2111-З (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 ВБИ-Ф80-40У-2111-З

Технические характеристики датчика:

• Размер корпуса: 80х80х40;
  
• Количество нормально разомкнутых (НО) контактов – 1;
  
• Номинальное расстояние срабатывания: 50 мм;
  
• Гарантированный интервал срабатывания: 0…40,5 мм;
  
• Напряжение питания: 10-30 В DC;
  
• Номинальный ток: 200 мА;
  
• Степень защиты: IP67
  
• Диапазон рабочих температур: -45…+80 ⁰C.
  

Для замыкания управляющих цепей используем промежуточные реле 55.32.9.024.0040 (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6. Промежуточное реле 55.32.9.024.0040

Технические характеристики датчика:

• Размеры: 27,7х20,7х35,8 мм;
  
• Количество контактов: 2 перекидных;
  
• Номинальный напряжение: 24 В DC;
  
• Номинальный ток катушки: 40 мA;
  
• Номинальное/максимальное напряжение на переключение: 250/400В;
  
• Номинальный ток: 10 A;
  
• Диапазон рабочих температур: -45…+80 ⁰C.
  

Для аварийного отключения исполнительных механизмов будем использовать реле безопасности SIRIUS 3SK1111-2AB30. Отключение реле будет производиться при нажатии кнопки “Аварийная остановка” или при получение аналогичного сигнала с выхода контроллера. Включение реле будет производиться контактом промежуточного реле, замыкающегося при нажатии кнопки “Сброс аварии”. Также у реле безопасности есть нормально замкнутый контакт, к которому можно подключить лампу индикации “Авария”, тем самым освободив один из выходов котроллера. Схема подключения и внешний вид реле безопасности приведены на рисунках 2.7 и 2.8.

Рисунок 2.7. Схема подключения реле безопасности

Рисунок 2.8. Реле безопасности SIRIUS 3SK1111-2AB30

2.2. ВЫБОР ОБОРУДОВОВАНИЯ ДЛЯ СИЛОВОЙ ЦЕПИ

Проектирование силовой цепи начнем с описание характеристик имеющихся электродвигателей:

Рисунок 2.9 Электродвигатель МТКН312-8

Технические характеристики электродвигателя:

• Мощность: 11 кВт;
• Номинальная частота вращения: 700 об/мин;
• Номинальный крутящий момент: 150 Н*м;
• Номинальный ток статора 220/380 В: 49/28 A;
• M_макс/M_ном: 3,5;
• КПД: 81,5 %;
• Cos φ: 0,73.

Рисунок 2.10 Электродвигатель АИР132М6

Технические характеристики электродвигателя:

• Мощность: 7,5 кВт;
• Номинальная частота вращения: 970 об/мин;
• Номинальный крутящий момент: 75,4 Н*м;
• Номинальный ток статора 220/380 В: 30,2/17,5 A;
• M_макс/M_ном: 2,2;
• КПД: 84,7 %;
• Cos φ: 0,77.

Рисунок 2.11 Электродвигатель АИР80В4

Технические характеристики электродвигателя:

• Мощность: 1,5 кВт;
• Номинальная частота вращения: 1410 об/мин;
• Номинальный крутящий момент: 10,2 Н*м;
• Номинальный ток статора 220/380 В: 6,4/3,7 A;
• M_макс/M_ном: 2,4;
• КПД: 77,2 %;
• Cos φ: 0,8.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения данной НИРМ была произведена разработка автоматизированной системы управления транспортными механизмами участка муфтонавертки, а именно:

• Приведены характеристика оборудования и план участка муфтонавертки.
  
• Подобраны средства автоматизации, для реализации системы управления.
• По результатам проделанных работ, составлен алгоритм работы контроллера.

Данную работу можно использовать на соответствующем оборудовании в производстве, при этом возможна дальнейшая модернизации системы управления путем программирования общей панели оператора для данной системы и системы управления станком.