海洋鉆機鉆桿自動排放系統(tǒng)控制方案設(shè)計

石美玉，楊國家，李富平，王運安，高學(xué)仕

（1.中國石油大學(xué)（華東）機電工程學(xué)院，山東青島266555；2.山東科瑞控股集團有限公司，山東東營257067） ①

海洋鉆機鉆桿自動排放系統(tǒng)控制方案設(shè)計

石美玉1，楊國家2，李富平1，王運安2，高學(xué)仕1

（1.中國石油大學(xué)（華東）機電工程學(xué)院，山東青島266555；2.山東科瑞控股集團有限公司，山東東營257067）①

對鉆桿自動排放系統(tǒng)驅(qū)動裝置的液壓及電氣控制方法進行了設(shè)計和分析，繪制了電氣及液壓控制原理圖，并合理選擇了主要電氣和液壓元件。

鉆桿排放裝置；控制系統(tǒng)；方案

參考多種鉆桿自動排放系統(tǒng)［1－3］，筆者設(shè)計了一種海洋鉆機鉆桿自動排放系統(tǒng)驅(qū)動裝置。介紹了此裝置的液壓及電氣控制方案，對驅(qū)動裝置的各種動作流程和各種動作的控制過程進行了詳細的分析，對控制部分使用的電氣元件和液壓缸等液壓元件的使用情況進行了說明。

1 系統(tǒng)裝置簡介

本次設(shè)計主要是對鉆桿自動排放系統(tǒng)的抓桿機械手行走和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置的控制進行了方案設(shè)計。整個裝置安裝于海洋井架二層臺下方，驅(qū)動部分安裝于二層臺中部的導(dǎo)軌上。具體工作方式為：裝有驅(qū)動裝置總成的小車由多級液壓缸驅(qū)動，沿導(dǎo)軌直線運動，完成機械手在井架中縱向運動；驅(qū)動裝置總成到達指定立根縱向位置后，多級液壓缸停止伸縮運動，由擺動液壓缸控制旋轉(zhuǎn)裝置完成90°旋轉(zhuǎn)；用手動控制抓取立根機械手完成手臂的抬升與下放、機械手抓緊與松放立根及送進與退出等動作，完成抓取立根操作；最后，由多級液壓缸驅(qū)動整個驅(qū)動裝置將立根送到井口。抓桿機械手驅(qū)動裝置如圖1所示。

圖1 抓桿機械手驅(qū)動裝置

2 控制方案設(shè)計

2.1 電氣控制

小車運動過程中，如何實現(xiàn)其在指定某排立根處停止運動是整個控制方案的最主要部分。本方案運用霍爾元件制作接近開關(guān)的原理對小車運動位置進行檢測，結(jié)合PLC控制系統(tǒng)對小車的啟停進行控制［4－5］。

霍爾元件的霍爾件感應(yīng)端安裝在小車中心處，在導(dǎo)軌上對應(yīng)每排立根中心安裝霍爾元件感應(yīng)磁鐵，共20個，按小車經(jīng)過的次序?qū)ζ溥M行編號；伸縮式多級液壓缸伸出推動小車沿導(dǎo)軌移動，霍爾件感應(yīng)端每經(jīng)過1個磁鐵，便產(chǎn)生1個感應(yīng)脈沖，由接收到的感應(yīng)脈沖的數(shù)目控制小車的啟停。如果下鉆時需抓取第5個磁鐵對應(yīng)的1排立根，對控制程序進行設(shè)定，小車運動過程中，當(dāng)程序接收到5個脈沖信號時，小車停止運動，擺動油缸向左旋轉(zhuǎn)90°，手動控制機械手臂開始抓取立根，立根抓取完成后，擺動缸向右回轉(zhuǎn)90°，小車繼續(xù)向前運動，將立根送至井口。起鉆時，工作流程與下鉆相反，小車運動控制方案如圖2所示。

霍爾元件在此起采集信號的功能，信號反饋給主程序，驅(qū)動多級液壓缸動作，每排立根對應(yīng)1段控制程序。以抓取第5個磁鐵對應(yīng)的1排立根為例，幾個主要環(huán)節(jié)的控制原理圖及PLC梯形圖分別如圖3～4所示。圖3中接觸器K1、K2分別控制多級液壓缸伸出、回縮，由按鈕SB5控制第5個磁鐵對應(yīng)的立根抓取程序段。圖4中電磁鐵M20.1、M20.2由K1、K2控制。計數(shù)器用于接收脈沖數(shù)目，定時器用于設(shè)定小車啟、停之間的時間間隔。

2.2 液壓控制

小車沿導(dǎo)軌運動靠伸縮多級液壓缸驅(qū)動，小車在運送過程中，由于存在抓取立根與不抓取立根2種狀態(tài)，故其存在2種速度，因此對此缸的控制要能夠?qū)崿F(xiàn)2種速度的轉(zhuǎn)換；又因隨著多級缸使用級數(shù)的變化，伸出時作用面積逐漸減小，縮回時逐漸增大，若想保持小車運動速度穩(wěn)定，運行過程中必須相應(yīng)地改變缸體的進油量，故采用比例流量閥進行控制［6］；另外，還要考慮回油過程中的緩沖問題。多級缸液壓控制原理如圖5所示。整個控制回路由多級缸回油緩沖、多級缸速度控制、多級缸換向控制3個部分組成［7］。

小車運動至指定位置后，由擺動液壓缸控制旋轉(zhuǎn)裝置進行旋轉(zhuǎn)，擺動缸液壓控制原理如圖6所示。設(shè)定擺動缸每次旋轉(zhuǎn)角度為90°，由電磁鐵1YA、2YA控制擺動缸正反轉(zhuǎn)，單向節(jié)流閥控制其進出油速度。液壓控制部分選定供油壓力為16 MPa。圖5～6中各個電磁鐵的動作可實現(xiàn)的功能如表1。

圖2 小車運動控制方案

圖3 控制原理

圖4 控制梯形圖

圖5 多級缸液壓控制原理

圖6 擺動缸液壓控制原理

表1 各電磁鐵動作可實現(xiàn)的功能

3 結(jié)語

筆者在自行設(shè)計的海洋鉆機鉆桿自動排放系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對其驅(qū)動裝置的控制方案進行了詳細設(shè)計，對驅(qū)動小車用多級液壓缸和控制旋轉(zhuǎn)裝置的擺動液壓缸的工作方式進行了詳盡的分析。設(shè)計分析了電氣及液壓控制方案，并繪制了相應(yīng)的電氣及液壓控制原理圖。本次設(shè)計提出了一種較新穎的鉆桿自動排放系統(tǒng)設(shè)計方案，為此類系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展指出了一個新的思路。

［1］ 劉文慶，崔學(xué)政，張富強.鉆桿自動排放系統(tǒng)的發(fā)展及典型結(jié)構(gòu)［J］.石油礦場機械，2007，36（11）：74－77.

［2］ 尹曉麗，牛文杰，張中慧.鉆桿自動傳送系統(tǒng)及設(shè)計方案［J］.石油礦場機械，2009，38（7）：42－46.

［3］ 崔學(xué)政，劉文慶，肖文生，等.海洋鉆井平臺立柱式排管機設(shè)計［J］.石油礦場機械，2010，39（1）：45－49.

［4］ 任宏彪，張大志，張勇軍.基于S7－300型PLC的變頻自動送鉆系統(tǒng)模糊控制［J］.石油礦場機械，2010，39（4）：24－27.

［5］ 董 磊，崔學(xué)政.現(xiàn)場總線在鉆桿操作系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［J］.石油礦場機械，2009，38（5）：62－65.

［6］ 雷天覺.液壓工程手冊［K］.北京：機械工業(yè)出版社，1991.

［7］ 崔學(xué)政，張富強，肖文生，等.海洋鉆井平臺折臂起重機設(shè)計［J］.石油礦場機械，2009，38（11）：28－31.

Controlling Schematic Design of Drilling Pipe Automatic Arranging System for Offshore Rig

SHI Mei－yu1，YANG Guo－jia2，LI Fu－ping1，WANG Yun－an2，GAO Xue－shi1
（1.College of Mechanical and Electronic Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China；2.Shandong Kerui Petroleum Equipment Co.，Ltd.，Dongying257067，China）

The electrical control method and the hydraulic control method of the Drilling Pipe Automatic Arranging System were both designed and analyzed in detail，the electrical and the hydraulic control principle diagram were both drawn.In addition，the main electrical and hydraulic components were chosen reasonably.

drill pipe racking back device；control system；project

1001－3482（2011）12－0041－04

TE952

A

2011－07－15

石美玉（1987－），女，山東濰坊人，碩士研究生，主要從事石油鉆采機械裝備的設(shè)計工作，E－mail：shimeiyu19870301＠163.com。