维普资讯 http://www.cqvip.com 、ｌ ｌＩ》 ＰＬＣ闭环控制技术在石油工业中的应用 杨亚罗，王润孝，库祥臣 （西北工业大学机电学院，西安７１００７２） 摘要：随着我国石油工业的高速发展，对石油钻杆的需要不仅表现在数量上的增加，而且对钻杆的质 量也提出了更高的要求。本文在石油钻杆生产自动化需要这个应用背景下，对钻杆生产过程自 动化的实现方法进行了探讨，研究了以可编程控制器为核心控制元件实现自动化所涉及的新概 念、新原理及技术所需的基础理论，极大的提高了钻杆生产自动化水平，有效保证了新钻杆的 质量。 关键词：石油工业；钻杆；ＰＬＣ；ＰＩＤ 中图分类号：ＴＰ２７８ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１ ００９—０１ ３４（２００６）０９—００４７—０４ Ｔｈｅ ｕｓｉｎｇ ｏｆ ＰＬＣ ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ＹＡＮＧ Ｙａ—ｌｕｏ．ＷＡＮＧ Ｒｕｎ—ｘｉａｏ，ＫＵ Ｘｉａｎｇ—ｃｈｅｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏ—Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ‘ａｎ ７１ ００７２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ａ ｇｒｅａｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ ｉｎｄｕｓｔ￣ｉｎ ｏｕｒ ｃｏｕｎｔ￣，ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｐｉｐｅ ｉｓ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｂｉｇ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｂｕｔ ａｌｓｏ ｇｏｏｄ ｑｕａｌｉｔｙ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｎｅｅｄ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｐｉｐｅ ｐｒｏｄｕｃｅ ｃｏｕｒｓｅ。ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｉｎｇ ｐｒｏｄｕｃｅ ｃｏｕｒｓｅ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｅｘｐｌｏｒｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｔｈｅｏ￣ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｉｎｖｏｌｖｅｄ ｉｎ ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｉｎｇ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｗｈｉｃｈ ｉｍｐｒｏｖｅ ｈｅａｔ－ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｃｏｕｒｓｅ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｖａｓｔｌｙ ａｎｄ ｉｎｓｕｒｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ ｉｎｄｕｓｔ￣；ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｐｉｐｅ；ＰＬＣ；ＰＩＤ １应用背景 随着我国石油工业的高速发展，对石油钻杆的 需要不仅表现在数量上的增加，而且对钻杆的质量 １．１石油钻杆焊后热处理控制技术研究现状【１Ｉ２］ 也提出了更高的要求，因此，不断提高钻杆焊接修 油井的钻探和开采都离不开钢管，一般称这些 复工艺及焊后热处理工艺的质量控制水平是目前国 钢管为石油钻采钢管。石油钻杆是石油钻采钢管中 内石油钻采行业急待解决的一个关键问题。 的一个重要组成部分。 采用感应加热热处理时有以下重要问题涉及焊 钻杆由工具接头和管体连接而成。在摩擦焊热 接接头质量：淬火热处理时焊缝必须在感应圈中准 ——机械处理的作用下，焊接接头部位不可避免存 确自动定位，以保证热处理范围覆盖焊接热处理区， 在内应力、过热组织和脆化现象，从而使焊后机械 沿轴向有均一的奥氏体化程度，方能消除轴向的组 性能不能满足使用要求，因此，必须实施焊后热处 织梯度；钻杆在感应圈中应不断旋转，以保证圆周 理。焊后热处理的目的是力图实现焊接接头部位沿 方向上加热的均匀性；钻杆在感应圈中应有保温过 整个截面上的整体强韧化，保证焊接接头具有足够 程，以保证径向上的均匀性；保温过程结束后，喷 的强度、塑性和韧性，防止在钻井过程中因断裂而 水圈应能在设定时间喷出淬火介质，保证沿轴向、 失效。钻杆长度一般为６～１２ｍ，不便在生产修复现 圆周和径向有均一的淬透性；淬火冷却结束后钻杆 场进行焊后整体热处理，故通常用感应加热的方法 应及时退出，并自动流向下一工位，退火和回火热 对摩擦焊焊接接头进行感应热处理。 收稿日期：２００６—０３—２２ 基金项目：西安市科技攻关计划资助项Ｉｑ（ＧＧ０５０２３） 作者简介：杨亚罗（１９７８一），男（白族），云南大理人，博士研究生，主要研究方向为制造自动化、组态软件开发。 第２８卷第９期２００６—０９ １：４７】 维普资讯 http://www.cqvip.com 、ｌ 甸 处理与淬火时的加热过程相似。由此可见，摩擦焊 石油钻杆的热处理过程是一重载荷，多工位，快节 奏，高精度的程序控制过程，为保证钻杆质量，提 高生产率必须实现热处理过程的自动化。 ＰＬＣ闭环控制技术在钻杆摩擦焊接头感应热处 理质量控制中的应用，将使国内在这一技术领域中 的热处理工艺过程的自动化程度达到一个新的水平， 使热处理后钻杆摩擦焊接头的质量进一步提高。 １．２可编程控制技术［３ｌ４ ］以往的顺序控制器主要由继电器组成，由此构 成的控制系统都是按预先规定好的时间或条件顺序 地工作，若要改变控制的顺序就必需改变控制器的 硬件接线，因此很麻烦。１９６９年，美国数字设备公 司（ＤＥＣ公司）研制出了第１台可编程序逻辑控制器， 在ＧＭ公司的自动装配线上试用获得了成功。自７０ 年代以来，由于大规模集成电路和微处理器在ＰＬＣ 中的应用，使ＰＬＣ的功能不断增强，使其不仅能进 行顺序逻辑控制，而且还能进行数值运算、数据处 理，具有分支、中断，通讯及故障自诊等功能，因 此，将其称为可编程序控制器（Ｐｒ０ｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，简称ＰＬＣ）。 ＰＬＣ是在继电器控制逻辑基础上，与３Ｃ技术 （Ｃｏｍｐｕｔｅｒ，Ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）￣ｇ结合，不断 发展和完善的。目前ＰＬＣ已从小规模的单机顺序控 制。发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有 控制领域。能适应工厂自动化（ＦＡ）的ＰＬＣ综合控制 系统已经出现。目前生产的ＰＬＣ或多或少地具备下 列几项功能：步进顺序控制；限时控制；条件控制； 计数控制；模／数和数／模转换；数据处理；通讯 和联网；冗余控制；监控功能；其它功能，ＰＬＣ还 具有显示、打印、报警、对数据和程序进行硬拷贝 等功能。用ＰＬＣ构成的实际控制装置，很少单独具 有一种功能，总是将若干功能组合起来、达到控制 目的。 鉴于以上对可编程控制器的认识，本控制系统 中我们选用西门子公司生产的Ｓ７—２２４型可编程控制 器。该产品可以满足多种多样的自动化控制需要。 由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格 以及强大的指令，使得Ｓ７—２２４可以近乎完美地满 足小规模的控制要求。 ２ ＰＬＣ闭环控制系统设计 １４８１ 第２８卷第９期２００６—０９ ２．１控制系统总体结构【５］ 整个热处理生产线可分为５大部分，即：控制 系统、感应加热系统、冷却系统、机械部分、软件 设计及工艺完善。该项系统的总体原则就是整个 热处理生产线实现全部自动化操作，即从钻杆进 入输送线进行热处理直至钻杆退出整个过程全部 为自动控制。为了适应生产实际需要同时也保留 半自动和全手动状态。 根据感应热处理质量控制的要求所研制的温 度ＰＬＣ闭环控制系统应具备以下控制功能。 （１）自动检测。能实时的、自动的检测（显示） 感应热处理过程和运行状态的有关参数，以监视 热处理过程的进行情况。为自动操作，统计，管理 提供数据。 （２）自动调节。能自动的维持感应热处理过程 在规定的温度——时间参数和工况下进行。当可 控硅中频电源系统（恒值系统）不可避免的经常受 到各种因素的扰动（如工频网压的波动，负载阻抗 的变化等）而是温度偏离规定的数值时，自动调节 系统进行调节，使温度回到规定的数值。 （３）顺序控制。根据预先拟定的程序和条件， 能自动的对整个设备系统进行一系列操作，包括： 可控硅中频电源的启动，起始中频功率的设定，淬 火（回火）加热，保温，预冷，钻杆旋转，喷射淬 火，停止喷水以及钻杆停转等。通过采用顺序控制 技术，应使感应调质热处理的自动控制水平有一 个较大的提高，以便简化操作步骤，避免误操作， 减轻劳动强度，减少操作人员。 （１４）自动保护。当设备系统运行情况发生异常 或事故时，保护装置发出报警信号或自动采取保 护措施，以便对事故做出及时处理（如逆变电源启 动失败），保证控制的安全性。 鉴于以上几点，本控制系统采用的核心控制 元件是西门子公司的Ｓ７型可编程控制器，采用ＰＩＤ 调节保证等温，上位机控制采用组态软件。上位机 和下位机的通讯采用ＲＳ２３２电缆连接。温度的测 量采用红外探头传感器，该传感器将温度信号线 性化为电流信号，如图１所示。 ２．２控制系统软件设计 设计好硬件，如果没有编制好软件，控制系统 仍是无法工作的。同样，有了好的硬件，若没有好 维普资讯 http://www.cqvip.com ｌ 訇 出 图１控制系统原理图 的软件，那么设计出的控制系统仍是失败的，可见 软件是整个控制系统的灵魂。 ＰＬＣ最为用户推崇的优点之一就是编程简单， ＰＬＣ生产厂家很多，但所有ＰＬＣ的编程都使用以继 电器逻辑控制为基础的梯形图。梯形图直接从传统 的继电器脱胎而来，它具有简单，可读性高等特点。 前面已对ＰＬＣ有个初步的了解。根据设计好的ＰＬＣ 接线图，适当选用ＰＬＣ输入，输出口及各种软元件 就可以编制梯形图以及对应的指令表程序。 所开发的控制软件应包括对钻杆摩擦焊接头感 应调质热处理过程参数的自动检测，自动调节，以 及过程顺序控制和自动保护等，同时还要具有对干 扰信号进行数字滤波技术处理功能。 因为该控制系统要实现手动，自动和调整３种 工作状态，所以对于这３种工作状态要采取不同的 程序。具体可以把他们编制为一些实现专门的功能 的子程序，这些子程序都可以在主程序中调用，他 们的衔接可以在主程序中完成从而实现不同的工作 状态。可见，整个控制系统程序可分成如下主要几 段：主程序，手动子程序，顺序动作子程序，ＰＩＤ调 节自动控温子程序，辅助子程序等。 （１）主程序 主程序中完成的工作主要是对各个子程序的调 用，从而实现３种工作状态。主程序是很复杂的，在 它里面要对各子程序在不同的工作状态下进行合适 的调用，它里面所要进行的工作包括：调用数据保 存子程序，调用数据处理子程序，调用与控制状态 无关的开关量及模拟量子程序，调用报警处理子程 序，调用自动切换至手动处理子程序，调用自动控 制状态开关量逻辑子程序，调用手动控制状态开关 量逻辑子程序，调用自动控制状态测温 仪控制功率输出子程序，调用自动控制 状态功率表控制功率输出子程序，调用 自动控制状态冷却控制子程序，调用 ＰＩＤ模块子程序。ＰＬＣ是扫描式执行，这 些工作何时执行取决于其前面触点的状 态。 （２）手动子程序 ’手动子程序主要使用了基本逻辑指 令，即有一个输入得到一个输出，这是 与手动状态下控制过程相互适应的。为 了对设备进行保护，有必要对一些特殊情况进行考 虑 （３）顺序动作子程序 使生产机械或生产过程按规定的时序而动作， 或者在现场输入信号的作用下按预定规律而顺序动 作的自动控制称为顺序控制。简而言之，按时序或 事序规定工作的自动控制称为顺序控制。 对于顺序动作子程序，由于整段程序都是满足 一定条件下，一步一步自动执行的过程，这属于顺 序控制。使用Ｓ７－２２４编程指令中的顺序控制继电器 指令可以很方便的完成控制过程，因此此程序段大 多采用顺序控制继电器指令。 （４）ＰＩＤ调节自动控温子程序 ＰＩＤ控制是应用最广泛的一种控制规律，ＰＩＤ控 制表示比例（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａ１）、积分（Ｉｎｔｅｇｒａ１）、微分 （Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａ１）控制。ＰＩＤ控制器具有参数易于整定、 结构变化灵活、控制器适应性比较好等优点，因而 在工程实际中应用广泛。常见的ＰＩＤ控制器的结构 如图２： 图２ ＰＩＤ控制器结构图 鉴于ＰＩＤ控制是过程控制中应用最广泛的一种 控制规律，且其控制的设计方法以及ＰＩＤ控制器都 可以用软件来实现，因此，本系统拟通过ＰＬＣ控制 第２８卷第９期２００６—０９ ［４９１ 维普资讯 http://www.cqvip.com 铷ｌ 匐矽化 软件的开发，来实现ＰＩＤ控制，在此基础上构成温 由于很难获得被控对象精确的数学模型，所以 通常ＰＩＤ参数的整定都采用实验法。常用的有：凑 试法，实验经验法和自寻优整定法。从实用的角度 出发，本研究采用工程整定方法中广泛应用的现场 实验整定法（凑试法）。在现场应用中，将ＰＩＤ整定 参数按先比例，后积分，再微分的程序制与某些经 验数值后，把系统闭合起来，然后再作定值扰动，观 度的ＰＩＤ闭环控制系统。本系统所使用的可编程控 制器指令中专门有ＰＩＤ回路指令模块，只需对其进 行调用即可。 ＰＩＤ段程序的编制是个非常复杂的过程，必须 对软件中如何使用ＰＩＤ模块有清楚的了解，程序编 制时还要考虑到许多因素，比如加热的上限，保温 时间的开始与结束，ＰＩＤ过程的开始与停止，温度 察系统过渡过程曲线，若曲线不够理想，则改变比 的采集与干扰的滤除等等。并且程序编制好以后还 要进行反复的调试才能投入生产，该段程序的工作 量是很大的。 （５）辅助子程序 辅助子程序包括好多子程序，它是对主要程序 的补充，是不可缺少的部分。主要包括中断子程序， 手动／自动切换子程序，报警子程序，计件子程序等。 手动／自动切换主要完成自动加热与手动加热时对 电控柜电路的切换。报警子程序完成中频过流，过 压等的显示。中断子程序是对ＰＩＤ过程的重要组成 部分，在这个子程序中完成对ＰＩＤ指令的调用，中 频柜的启动／停止，回路输入／输出值的标准化。 在中断程序中，由于采集到的温度信号存在严 重的干扰，所以一些错误信号应从软件上滤除，不 然对ＰＩＤ控制过程会产生致命的影响。 ２．３关于ＰＩＤ参数的工程整定［。】 将各种ＰＩＤ控制算法应用于实际系统时，必须 先确定控制器中各参数的具体值，如放大系数Ｋｐ， 积分时间常数Ｔｉ，微分时间常数Ｔ ，以使系统性能 满足一定要求。在实际中有多种确定控制器参数的 方法，而无论采用何种方法，明确参数对系统性能 的影响都是至关重要的。 控制系统的控制质量决定于控制系统的参数， 其中也包括与ＰＩＤ控制规律有关的参数。所谓ＰＩＤ 控制规律就是输出随输入变化而变化的规律。 为了提高ＰＩＤ控制的控制质量，要对Ｐ，Ｉ，Ｄ ３个参数进行工程整定（区别于理论计算整定），以 期获得这３个参数之间的优化组合，从而保证较高 的控制精度。参数整定的目的也就是为了使系统获 得满意的控制效果。期望达到如下的控制效果：系 统稳定；对给定量变化能迅速跟踪；超调小；不同 干扰下，系统输出能保持给定值；控制量不过大；系 统与环境参数发生变化时，控制性能保持稳定。 ［５Ｏ】 第２８卷第ｇ期２００６－０ｇ 例度Ｋ ，积分时间Ｔ ，微分时间Ｔ 值，进行反复凑 试，以寻求优化的整定参数，直到控制质量符合要 求为止。通过实验整定法，我们得出了较优化的工 艺参数。 ３总结 为了促进钻杆生产过程中闭环ＰＩＤ调节控制技 术的发展，提高钻杆焊后热处理工艺的质量控制水 平，以石油钻杆生产过程自动化的生产需要为应用 背景，探讨了钻杆生产过程自动化的实现方法，研 究了以可编程控制器为核心控制元件实现自动化所 涉及的新概念、新原理及技术所需的基础理论，并 在钻杆生产过程温度闭环控制中引入ＰＩＤ调节控制 技术。 系统达到了以下控制技术指标： （１）输入信号的采样周期＜０．５ｓ （２１１信号处理误差＜０．２％ （３）控制温度范围４００－ｌ０００℃，控制温度±５℃ （４、ｌ时间控制精度±Ｏ．５ｓ 该系统已在生产实际中投入使用。降低了工人 的劳动强度、减少了各类仪表的维护量。运行实践 表明，系统操作简捷直观，数据采集准确可靠，运行安 全稳定，为新钻杆的质量提供了有力保障。 参考文献： 【ｌ】王北明．国外石油钻采钢管／Ｊｎ３２（增订版）【Ｍ】ｌ冶金工业 出版社，１９８３． 【２】钻杆摩擦焊热处理工艺研究阶段总结ＪＲ］．石油钻杆开发 科学研究院机械研究所，１９８３． 【３】江秀汉，李萍，薄报中．可编程序控制器原理及应用【Ｍ】． 西安电子科技大学出版社，１９９９． 【４］ｓ７—２００型可编程控制器系统手册【ｚ］ 西门子（中国） 有限公司，２００１． ［５］胡寿松．自动控制原理［Ｍ］．国防工业出版社，１９８４． ［６］李剑．ＰＩＤ整定参数方法进展ｆＭ］．华北电力大学，１９８９．
