基于PLC的石油鉆桿生產(chǎn)線物料輸送系統(tǒng)

摘要：針對(duì)鉆桿生產(chǎn)線中物料輸送的特點(diǎn)和難點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于PLC的自動(dòng)輸送系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的組成、工作流程。調(diào)試表明，該系統(tǒng)能夠滿足搬運(yùn)物料的設(shè)計(jì)目的，對(duì)提高生產(chǎn)效率具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：石油鉆桿；PLC；物料輸送

引言

鉆桿是進(jìn)行地球物理勘探及開采石油廣泛采用的重要工具。作為石油鉆柱的主要組成部分，鉆桿主要起傳遞扭矩、輸送泥漿以及鉆進(jìn)作用。江蘇曙光華陽鉆具有限公司從1994年生產(chǎn)石油鉆桿以來，專業(yè)生產(chǎn)API、DS-1以及NS-1的E75到S135鋼級(jí)，外徑從2 3/8″到6 5/8″的系列石油鉆桿。鉆桿一般由 9 米左右的無縫鋼管，兩端摩擦焊接工具接頭組成，其生產(chǎn)工藝十分復(fù)雜。如圖1所示。

圖1鉆桿焊接生產(chǎn)工藝流程圖

鉆桿生產(chǎn)線分為四個(gè)作業(yè)區(qū)：焊前加工、摩擦焊接、焊縫熱處理、無損檢測及輔助，各區(qū)獨(dú)立完成功能，各區(qū)之間建立緩沖區(qū)儲(chǔ)存上道工序的半成品，通過傳感器建立互鎖關(guān)系，將四個(gè)作業(yè)區(qū)連成自動(dòng)化生產(chǎn)線。

生產(chǎn)線輸送的物料是工具接頭和鉆桿管體。工具接頭是按固定規(guī)則排列在定制料筐內(nèi)，由搬運(yùn)機(jī)器人為摩擦焊機(jī)供料。鉆桿管體則依靠抓管機(jī)在廠內(nèi)倒運(yùn)，進(jìn)入生產(chǎn)線后以斜臺(tái)架傳送為主，鏈條傳送為輔，配合擋料器、撥料器、翻料器、平托機(jī)構(gòu)等完成管體在各工序的流動(dòng)。

1. 機(jī)械結(jié)構(gòu)

生產(chǎn)線上的斜臺(tái)架適用于鉆桿不需要精確定位的場合，主要為上下工序提供緩沖區(qū)。翻料器給斜臺(tái)架上的鉆桿提供初始動(dòng)能后依靠管體自身的勢(shì)能滾動(dòng)前進(jìn)，V 型鏈條和步進(jìn)梁依靠電機(jī)提供動(dòng)力，擋料器、撥料器、翻料器依靠壓縮空氣帶動(dòng)汽缸運(yùn)動(dòng)。

V 型鏈條用于在移動(dòng)中需要精確定位的場合，主要為配合機(jī)床和中頻感應(yīng)線圈自動(dòng)化生產(chǎn)使用，選用重載型物料輸送鏈條，鏈條節(jié)距 250mm，在鏈條的鏈板上連接 V 型塊，用于支撐和固定鉆桿。為增大鉆桿與 V 型塊之間的摩擦力，防止發(fā)生軸向滑動(dòng)，鏈條的一側(cè)曾加聚氨酯塊。

步進(jìn)梁有兩處，分別設(shè)在端部鏈條和焊縫熱處理鏈條前，用于鉆桿從斜臺(tái)架到鏈條之間的搬送銜接。步進(jìn)梁前分別設(shè)有管端齊頭裝置和焊縫齊頭裝置，管端齊頭裝置是以鉆桿端面為基準(zhǔn)對(duì)齊，便于數(shù)控機(jī)床對(duì)定位后的鉆桿進(jìn)行自動(dòng)加工。焊縫齊頭裝置是以摩擦焊后的鉆桿焊縫為基準(zhǔn)對(duì)齊，便于數(shù)控機(jī)床和加熱線圈對(duì)焊縫進(jìn)行自動(dòng)加工。機(jī)械機(jī)構(gòu)如圖2 所示：

圖2 機(jī)械機(jī)構(gòu)示意圖

2. 電氣控制

根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場特點(diǎn)及工藝控制要求，采用可編程控制器進(jìn)行生產(chǎn)線的自動(dòng)化控制。根據(jù)工藝區(qū)塊進(jìn)行控制區(qū)塊的劃分，各功能區(qū)能夠獨(dú)立工作，區(qū)塊之間采用 I/O 信號(hào)和以太網(wǎng)通訊進(jìn)行互鎖控制和數(shù)據(jù)傳遞。各控制區(qū)塊均采用三菱 Q02H 型 PLC（Programmable Logic Controller）作為控制平臺(tái)，利用MELSECNET/H 網(wǎng)組成數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行信息交換和動(dòng)作控制。采用CC-LINGK 技術(shù)，同時(shí)處理控制和信息數(shù)據(jù)，通過簡單的總線將傳感器、操作按鈕及執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號(hào)等連接成設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)，簡化了現(xiàn)場布線，提高了效率。

焊前加工控制區(qū)指原管輸入臺(tái)架到焊前緩沖區(qū)，主要控制設(shè)備有原管輸入輥道、搬送臺(tái)架裝置、端面齊頭裝置、端部鏈條、1 號(hào)機(jī)床、1 號(hào)臺(tái)車、2 號(hào)機(jī)床、2 號(hào)臺(tái)車，與摩擦焊機(jī)的上料裝置形成互鎖關(guān)系，該區(qū)域電氣控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電氣控制結(jié)構(gòu)圖

摩擦焊接區(qū)域利用焊機(jī)的 PLC 作為主控 PLC，協(xié)調(diào)控制工業(yè)機(jī)器人、料筐轉(zhuǎn)臺(tái)、接頭緩沖臺(tái)架、管體上下料裝置，同時(shí)利用焊機(jī)的工控機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)記錄、參數(shù)設(shè)定、報(bào)警信息顯示等工作。

焊縫熱處理區(qū)設(shè)備眾多、工藝復(fù)雜，它直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量和整個(gè)生產(chǎn)線的效率，是自動(dòng)化控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。該區(qū)域需要控制的設(shè)備有搬送裝置、焊縫齊頭裝置、退火裝置、3 號(hào)機(jī)床、3 號(hào)臺(tái)車、4 號(hào)機(jī)床、4 號(hào)臺(tái)車、淬火裝置、回火裝置、鏈條搬送裝置等。為了滿足生產(chǎn)信息的管理和追蹤，在該控制區(qū)域搭建了鉆桿焊后質(zhì)量管理軟件。

無損檢測及輔助區(qū)包括磁粉探傷設(shè)備、超聲波探傷設(shè)備、成品搬送臺(tái)架三部分。該區(qū)域以成品搬送臺(tái)架為主 PLC，控制鉆桿在該區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)、稱重、測長、噴標(biāo)，協(xié)調(diào)磁粉探傷裝置和超聲波探傷裝置工作。

3.結(jié)論

本文通過對(duì)鉆桿生產(chǎn)線傳統(tǒng)的物料輸送系統(tǒng)進(jìn)行智能化改造，在輔助時(shí)間大大縮短的情況下，為整條生產(chǎn)線高效運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。調(diào)試表明，該系統(tǒng)能夠滿足搬運(yùn)物料的設(shè)計(jì)目的，對(duì)提高生產(chǎn)效率具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

4.參考文獻(xiàn)

［1］李建強(qiáng).石油鉆桿自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)及應(yīng)用研究［D］. 華北電力大學(xué)，2011

[2] 王欣. 搬運(yùn)機(jī)器人在鉆桿生產(chǎn)線物料輸送系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2014.6

5.作者簡介

王欣（1975- ）男，講師，主要從事機(jī)電一體化教學(xué)和研究工作。