基于PLC的海洋鉆井平臺(tái)鉆桿傳送機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭玉龍,張玉蓮,2

(1.浙江海洋學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院,浙江 舟山 316021)(2.浙江省近海海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 舟山 316021)

基于PLC的海洋鉆井平臺(tái)鉆桿傳送機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭玉龍1,張玉蓮1,2

(1.浙江海洋學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院,浙江 舟山 316021)(2.浙江省近海海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 舟山 316021)

海洋鉆井平臺(tái)鉆桿傳送機(jī)械手，可代替人工將鉆桿傳送給鉆機(jī)，從而降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。介紹了鉆桿傳送機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)組成，通過(guò)對(duì)鉆桿傳送機(jī)械手工作過(guò)程的分析，設(shè)計(jì)了鉆桿傳送機(jī)械手的液壓控制系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)，并針對(duì)傳送機(jī)械手的工作循環(huán)過(guò)程，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的PLC控制程序。

鉆桿傳送；機(jī)械手；PLC控制

海洋鉆井平臺(tái)鉆井機(jī)工作時(shí)，每鉆進(jìn)一根鉆桿，需要接入另一根鉆桿。海洋鉆井平臺(tái)鉆井所用的鉆桿數(shù)量多且質(zhì)量大，采用人工接入鉆桿的方法，不但勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，而且存在安全隱患。機(jī)械手作為現(xiàn)代工業(yè)的重要自動(dòng)化裝備，能代替人工高效地完成人力較難完成的工作，在許多領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。應(yīng)用機(jī)械手完成鉆井過(guò)程中鉆桿的傳送與接入，可有效降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高鉆井的工作效率，節(jié)約生產(chǎn)成本。

1 鉆桿傳送機(jī)械手工作原理

鉆桿傳送機(jī)械手主要結(jié)構(gòu) (如圖1所示) 包括：立柱2、液壓缸3、上機(jī)械臂4、上夾持鉗5、下夾持鉗6、下機(jī)械臂8、轉(zhuǎn)盤(pán)9、小車(chē)10。立柱2固定在轉(zhuǎn)盤(pán)9上，可隨轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)盤(pán)由小車(chē)內(nèi)部的擺動(dòng)液壓缸控制；上、下機(jī)械臂4和8的一端與立柱鉸鏈連接，另一端與連桿鉸鏈連接，從而構(gòu)成平行四桿機(jī)構(gòu)；液壓缸3的伸縮可控制機(jī)械臂做上下擺動(dòng)，從而控制夾持鉗的進(jìn)給量；機(jī)械手夾持鉗5和6用于夾持鉆桿；小車(chē)10在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下可沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，小車(chē)頭部裝有傳感器，用來(lái)檢測(cè)鉆桿的位置[1]。

機(jī)械手的工作過(guò)程為：需要抓取鉆桿時(shí)，小車(chē)10沿導(dǎo)軌12運(yùn)動(dòng)到存放鉆桿的位置，根據(jù)傳感器檢測(cè)到的鉆桿位置信息，控制轉(zhuǎn)盤(pán)9帶動(dòng)立柱2使機(jī)械手夾持鉗5和6朝向鉆桿；接著液壓缸3伸長(zhǎng)，使上、下機(jī)械臂4和8伸出，夾持鉗5和6接近待抓取的鉆桿，然后夾持鉗5和6閉合抓住鉆桿；接著，液壓缸3收縮，使機(jī)械臂4和8夾持著鉆桿回縮，轉(zhuǎn)盤(pán)反向轉(zhuǎn)動(dòng)使鉆桿朝向?qū)к壏较?，小?chē)沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)到井口11，液壓缸3伸長(zhǎng)，機(jī)械臂將鉆桿傳送到鉆機(jī)7的下方，待鉆機(jī)夾持住鉆桿后，機(jī)械臂上的兩夾持鉗松開(kāi)，液壓缸3縮回。機(jī)械手復(fù)位，回到初始狀態(tài)并進(jìn)行下一個(gè)取桿、送桿的工作循環(huán)。

1—鉆桿；2—立柱；3—液壓缸；4—上機(jī)械手臂；5—上夾持鉗;6—下夾持鉗；7—鉆機(jī)；8—下機(jī)械手臂；9—轉(zhuǎn)盤(pán)；10—小車(chē)；11—井口；12—小車(chē)軌道

2 機(jī)械手液壓系統(tǒng)

機(jī)械手轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)采用擺動(dòng)液壓缸形式(如圖2所示)。擺動(dòng)液壓缸旋轉(zhuǎn)方向由換向閥上的電磁鐵[2]1YA、2YA控制，電磁鐵1YA得電時(shí)，液壓缸活塞伸出，轉(zhuǎn)盤(pán)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；電磁鐵2YA得電時(shí)，液壓缸活塞縮回，轉(zhuǎn)盤(pán)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

控制機(jī)械臂和機(jī)械手夾持鉗的液壓系統(tǒng)控制回路[3]如圖2所示。機(jī)械臂液壓缸的伸縮由電磁換向閥的電磁鐵3YA、4YA控制，電磁鐵3YA得電時(shí)，液壓缸活塞伸出；電磁鐵4YA得電時(shí)，液壓缸活塞縮回。機(jī)械手夾持鉗的開(kāi)合由電磁換向閥的電磁鐵5YA、6YA、7YA、8YA控制，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。電磁鐵5YA、7YA得電時(shí)，夾持鉗液壓缸活塞伸出，夾持鉗張開(kāi)；電磁鐵6YA、8YA得電時(shí)，夾持鉗液壓缸活塞收縮，夾持鉗閉合。

1—液壓泵；2—溢流閥；3—三位四通換向閥；4—單向閥；5—節(jié)流閥；6—旋轉(zhuǎn)裝置；7—液壓缸

1—夾持鉗；2—液壓缸

3 機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)

由輸入端口采集的信號(hào)作為 PLC的輸入信號(hào)，經(jīng)用戶(hù)設(shè)定的程序運(yùn)算后，由輸出端口輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，用于控制液壓閥的電磁鐵，進(jìn)而控制液壓系統(tǒng)油路的流動(dòng)方向，從而控制機(jī)械手完成鉆桿傳送工作。

3.1PLC端口地址分配

PLC輸入信號(hào)來(lái)自于起始按鈕SB0、停止按鈕SB1、立柱的原位行程開(kāi)關(guān)SQ1和終點(diǎn)行程開(kāi)關(guān)SQ2、機(jī)械臂原位行程開(kāi)關(guān)SQ3和終點(diǎn)行程開(kāi)關(guān)SQ4、上夾持鉗放松到位行程開(kāi)關(guān)SQ5和夾緊到位行程開(kāi)關(guān)SQ6、下夾持鉗放松到位行程開(kāi)關(guān)SQ7和夾緊到位行程開(kāi)關(guān)SQ8、小車(chē)原位行程開(kāi)關(guān)SQ9以及傳感器SB2，傳感器檢測(cè)到鉆桿時(shí)，輸出高電平。

PLC輸出信號(hào)分別控制液壓系統(tǒng)的電磁閥控制端的電磁鐵1YA～8YA和驅(qū)使小車(chē)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的電機(jī)繼電器開(kāi)關(guān)KM1、KM2 。PLC的I/O分配圖如圖4所示。

圖4 I/O分配圖

3.2液壓系統(tǒng)工作過(guò)程的PLC控制

基于鉆桿傳送機(jī)械手的系統(tǒng)組成及其鉆桿傳送的工作過(guò)程，結(jié)合PLC的端口分配，得出液壓系統(tǒng)工作過(guò)程的PLC控制順序表[4]，見(jiàn)表1。

表1 液壓系統(tǒng)工作過(guò)程的PLC控制順序表

注：表中“+”表示電磁鐵得電；“-”表示電磁鐵失電。

3.3PLC的控制程序設(shè)計(jì)

根據(jù)液壓系統(tǒng)工作過(guò)程的PLC控制順序表，采用GX Works2三菱軟件編制PLC用戶(hù)程序，這里采用梯形圖形式[5],如圖5所示。

圖5 PLC控制機(jī)械手抓取鉆桿梯形圖

4 結(jié)束語(yǔ)

利用PLC控制的鉆桿傳送機(jī)械手，代替人工傳送鉆桿，可有效降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高鉆井效率，利于安全生產(chǎn)。

本文所述的海洋鉆井平臺(tái)鉆桿傳送機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，適應(yīng)性強(qiáng)?；赑LC的傳送機(jī)械與控制系統(tǒng)，可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中的不同工況，實(shí)時(shí)地調(diào)整PLC程序，以滿(mǎn)足不同的工作需要。

[1] 石美玉,楊國(guó)家，李富平,等.海洋鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011,40(12):41-44.

[2] 海心，趙華.機(jī)電傳動(dòng)控制[M].北京：高等教育出版社，2007.

[3] 張玉蓮，黃方平，鄭雄勝,等.液壓和氣壓傳動(dòng)控制[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2012.

[4] 黃伯志，趙軻，鄧昌奇,等.基于PLC的液壓試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)改造[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2014,43(8)：47-49.

[5] 葉德云.PLC仿真技術(shù)的應(yīng)用[J].廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003(1)：37-39.

ThePLCcontrolsystemdevelopmentofthedrillpipetransmissionmanipulatorforoceandrillingplatform

ZHENG Yulong1, ZHANG Yulian1,2

(1.Zhejiang Institute of Ocean, Zhejiang Zhoushan, 316021, China)(2.Key Laboratory of offshore Engineering Technology of Zhejiang Province,Zhejiang Zhoushan 316021,China)

The manipulator of drill pipe transmission on ocean drilling platform can replace the workers to transfer drill pipe to rig, reduce the labor intensity of workers. This paper introduces the basic structural composition of drill pipe transmission manipulator. Based on analysis of working process of manipulator, it designs the hydraulic control system and develops PLC control system of manipulator.

drill pipe transmission; manipulator; hydraulic control system; PLC control system

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.12.012

2014-12-01

鄭玉龍(1992—)，男，浙江建德人，浙江海洋學(xué)院本科生，專(zhuān)業(yè)為機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。

TE928

A

2095-509X(2014)12-0051-04