基于PLVC的鐵鉆工控制系統(tǒng)設(shè)計

杜明甫

(湖北江漢石油儀器儀表股份公司，武漢 437400)①

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基于PLVC的鐵鉆工控制系統(tǒng)設(shè)計

杜明甫

(湖北江漢石油儀器儀表股份公司，武漢 437400)①

在自動化鉆/修井生產(chǎn)中，鐵鉆工是目前最先進的變轉(zhuǎn)矩旋扣設(shè)備，可完成管柱上/卸扣工作，提高鉆/修井生產(chǎn)效率與安全性，是現(xiàn)代化鉆/修井生產(chǎn)中重要的自動化設(shè)備之一。介紹了在鐵鉆工控制系統(tǒng)中引入PLVC閥用可編程控制器的設(shè)計。對比以繼電器邏輯控制電路或通用PLC為核心的控制系統(tǒng)，以PLVC閥用可編程控制器為核心的控制系統(tǒng)具有可靠性高、響應(yīng)速度快、控制精度高和自動化程度高等特點，同時系統(tǒng)電器連接大為簡化。

鐵鉆工；PLVC；控制系統(tǒng)

鐵鉆工是自動化石油鉆/修井生產(chǎn)中鉆/修井機的配套設(shè)備，廣泛應(yīng)用于海洋、陸地鉆井、修井作業(yè)上卸管柱螺紋，是液壓大鉗的升級產(chǎn)品。目前國外的主要石油設(shè)備廠商已開發(fā)出幾代鐵鉆工產(chǎn)品，實現(xiàn)了電液自動控制；國內(nèi)對鐵鉆工的研制已初具規(guī)模，少量設(shè)備已應(yīng)用于陸地、海洋鉆井平臺。國內(nèi)各大油田仍然大量使用液壓大鉗，其自動化程度低，一線工人勞動強度大。為提高工作效率，降低工人勞動強度，實現(xiàn)自動化鉆/修井生產(chǎn)，研制自動化程度較高的鐵鉆工具有十分重要的意義[1]。本文主要介紹了在鐵鉆工引入PLVC閥用可編程控制器設(shè)計電控系統(tǒng)，使鐵鉆工具備遙控、開關(guān)遠程控制和觸摸屏/第三方PLC控制功能，用戶可根據(jù)需要靈活配置。

1　總體結(jié)構(gòu)

該型鐵鉆工電控系統(tǒng)主要由PLVC閥用可編程控制器、比例多路換向閥、壓力與位置傳感器、定位編碼器、遠程控制臺、遙控器、觸摸屏以及防爆電源系統(tǒng)組成。PLVC閥用可編程控制器是鐵鉆工系統(tǒng)的控制核心，接收控制命令并根據(jù)定位限位傳感器、壓力傳感器的采集結(jié)果輸出相應(yīng)控制指令；比例多路換向閥是電液轉(zhuǎn)換執(zhí)行機構(gòu)，將電控信號轉(zhuǎn)化為液壓控制輸出，驅(qū)動鐵鉆工動作[2]；定位編碼器用于鐵鉆工工作位置/待機位置的二維定位[3]；壓力與位置傳感器用于采集相關(guān)液壓與位置信號；遠程控制臺、遙控器、觸摸屏是鐵鉆工操作端；防爆電源系統(tǒng)為鐵鉆工電控系統(tǒng)供電。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1　鐵鉆工電控系統(tǒng)原理

2　硬件設(shè)計

2.1PLVC閥用可編程控制器

PLVC閥用可編程控制器及其擴展模塊是系統(tǒng)電控核心。該系統(tǒng)選用德國哈威PLVC基礎(chǔ)模塊構(gòu)建控制核心，由PLVC基礎(chǔ)模塊與CANIO14擴展模塊組成，基礎(chǔ)模塊與擴展模塊間以CAN總線連接?？刂破鳛閷Ｓ瞄y控可編程控制器，其特點為：①可輸出IPWM和PWM信號直接控制比例多路控制閥，無需為比例控制動作配置專用放大板；②配置的DI/DO可根據(jù)需要編程改變其屬性，將DO轉(zhuǎn)變?yōu)镈I，反之亦可，資源配置極其靈活；③通訊適應(yīng)能力強，控制器配置有通用CAN和PROFIBUS總線，便于系統(tǒng)電氣擴展和與鉆/修井機集成控制；④控制器工作溫度-40～80 ℃，滿足國內(nèi)鉆井環(huán)境要求。

2.2比例多路換向閥組

比例多路換向閥組是系統(tǒng)電液控制轉(zhuǎn)換核心，選用德國哈威的PSL比例閥組，其電器特點為：①電源適應(yīng)性好，供電范圍10～32 V DC；②啟動電流小，響應(yīng)速度快，可實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)精準(zhǔn)定位；③體積小巧且組合安裝，便于集成控制；④本體防爆設(shè)計，無需另作防爆處理。

2.3信號采集系統(tǒng)

信號采集系統(tǒng)是系統(tǒng)對設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測元件，包括壓力傳感器和位移傳感器。位移傳感器包括油缸位移監(jiān)測用的磁伸縮傳感器、設(shè)備旋轉(zhuǎn)和伸縮位置監(jiān)測用的磁編碼器。傳感器信號統(tǒng)一為4～20 mA電流信號，編碼器信號采用CAN總線傳輸，抗干擾能力強。

2.4操作端

操作端包括遠程控制臺/司鉆操作臺、遙控器和第三方觸屏操作端，是系統(tǒng)命令發(fā)生單元，配備與功能相匹配的開關(guān)/命令組、數(shù)顯表和指示燈。遠程控制臺/司鉆操作臺發(fā)送命令至PLVC/第三方PLC，PLVC根據(jù)DI接受命令或通過PROFIBUS總線接受第三方PLC轉(zhuǎn)發(fā)的命令控制設(shè)備動作；遙控器命令信號通過接收模塊連接CAN總線發(fā)送至PLVC；觸屏操作端命令由第三方PLC通過PROFIBUS總線發(fā)送至PLVC。同時，系統(tǒng)可根據(jù)需要將鐵鉆工運行狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)通過PROFIBUS總線發(fā)送至第三方PLC，便于用戶監(jiān)測和編程。

3　軟件設(shè)計

鐵鉆工動作包括：旋轉(zhuǎn)動作，伸縮動作，鉗體升降動作，旋扣器升降動作，張夾動作(3路，主鉗、背鉗與旋扣器張夾)，主鉗旋轉(zhuǎn)動作，旋扣器旋轉(zhuǎn)動作。

系統(tǒng)軟件主要有初始化程序段、旋轉(zhuǎn)定位程序段、伸縮定位程序段、旋扣器上/卸扣程序段、主鉗緊/松扣程序段；其他輔助程序主要有系統(tǒng)自檢程序、位置刻度程序和信號采集/傳輸程序，輔助程序的作用為設(shè)置鐵鉆工各工位定位位置(旋轉(zhuǎn)和伸縮)、主鉗中位和左右極限位置、鉆桿接頭高度等運行相關(guān)參數(shù)，均采用命令按鈕發(fā)送命令后PLVC保存相關(guān)傳感器/編碼器當(dāng)前采集值的模式進行。

3.1初始化程序流程

初始化程序流程如圖2所示。

初始化程序中的系統(tǒng)自檢包括系統(tǒng)壓力、液壓比例閥連接及鐵鉆工運動限制條件等設(shè)備狀態(tài)檢測；其中p_set為固定值，其取值在油缸最小運行壓力與系統(tǒng)最大壓力之間。

圖2　初始化程序流程

3.2伸縮定位程序流程

伸縮定位程序流程如圖3所示?？s回定位與伸出定位程序流程基本相同，差別在于縮回位置唯一，伸出位置在井口工位與鼠洞工位不同。在設(shè)備停止于接近定位位置時啟動伸出程序，由于比例調(diào)速輸出的運行速度很低，比例閥開度很小，伸出動作難以啟動，需要根據(jù)伸出動作啟動時間與伸出量間的變化關(guān)系將比例閥開度臨時增大，在伸出動作啟動后恢復(fù)比例調(diào)速[4]。經(jīng)試驗證明，臨時增大比例閥開度能有效解決伸縮動作慢速啟動問題，不會影響設(shè)備定位精度。

圖3　伸縮定位程序流程

3.3旋轉(zhuǎn)定位程序流程

旋轉(zhuǎn)定位程序流程如圖4所示。旋轉(zhuǎn)定位程序的主要功能是將鐵鉆工工作機構(gòu)準(zhǔn)確旋轉(zhuǎn)對準(zhǔn)設(shè)定工位方向[5]。為避免設(shè)備旋轉(zhuǎn)對鉆/修井機臺面設(shè)備與人員造成意外傷害，設(shè)備旋轉(zhuǎn)動作必須在伸縮臂收回到位后進行。

圖4　旋轉(zhuǎn)定位程序流程

3.4旋扣器工作程序流程

旋扣器工作程序分為上扣、卸扣和停止程序，其中在停止程序的同時進行旋扣器停轉(zhuǎn)、背鉗和旋扣器張開動作，至系統(tǒng)壓力>p_set結(jié)束。如圖5。

圖5　旋扣器控制程序流程

圖5中p_set為固定值，其取值在油缸最小運行壓力與系統(tǒng)最大壓力之間，p1_set為最小鉗口工作壓力，p2_set為最小旋扣器工作壓力，卸扣時間t1調(diào)節(jié)范圍4～30 s，旋扣器工作前需根據(jù)管柱扣型設(shè)定。

3.5主鉗工作程序流程

主鉗工作程序分為緊扣、松扣和停止程序，如圖6。其中p3_set為最小鉗口工作壓力。緊扣過程中如果設(shè)定轉(zhuǎn)矩在主鉗極限位置到達，則該轉(zhuǎn)矩可能是由于轉(zhuǎn)矩油缸到達極限位置所產(chǎn)生的的虛假轉(zhuǎn)矩，不一定是作用于管柱的真實轉(zhuǎn)矩，為保證管柱可靠上緊，故應(yīng)再次重復(fù)緊扣。重復(fù)緊扣次數(shù)限制為3次，避免管柱螺紋過度損傷管柱。

對于類似于鉆桿的梯形螺紋管柱，松扣程序流程如圖6b所示，松扣1次即可保證旋扣器快速卸開管柱連接，但是對于類似油管的細牙螺紋管柱(修井工況)，特別是老舊管柱的管扣銹蝕比較嚴重，為保證順利卸開管柱連接，在主鉗松扣極限位置到達后，增加卸扣次數(shù)計數(shù)判斷、主鉗張開和主鉗回中位動作，主鉗回中位后重復(fù)卸扣過程直至計數(shù)達到預(yù)設(shè)次數(shù)，結(jié)束主鉗松扣動作。

圖6　主鉗控制程序流程

主鉗停止程序的同時進行主鉗停轉(zhuǎn)、背鉗和主鉗張開動作，至系統(tǒng)壓力>p_set進行主鉗回中位動作，主鉗中位到達后結(jié)束動作。

4　結(jié)語

該鐵鉆工控制系統(tǒng)已配套多臺套鉆/修井機，作業(yè)多井次。試驗結(jié)果表明，鐵鉆工工作面二維定位控制誤差小于2 mm，運行快速平穩(wěn)，上/卸扣作業(yè)安全可靠，操作簡單，是液壓大鉗的最佳升級替代產(chǎn)品。

[1]王周新，趙啟蘭.E-3000型電動鉆機技術(shù)改造及效益分析[J].石油礦場機械，2000，29(6)，47-49.

[2]路甬祥，胡大綋.電液比例控制技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1988.

[3]高繼念，蔚長春.電液控制技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：石油工業(yè)出版社，1993.

[4]關(guān)景泰.機電液控制技術(shù)[M].上海：同濟大學(xué)出版社，2003.

[5]電液比例技術(shù)與電液閉環(huán)比例技術(shù)的理論與應(yīng)用[R].BOSCH，1997.

Design of Iron Roughneck Control System Based on PLVC

DU Mingfu

(Hubei Jianghan Petroleum Instrument & Meter Co.，Ltd.，Wuhan 437400，China)

In the process of automatic drilling / workover production，Iron roughneck is at present the most advanced variable torque spinning equipment，which can complete make-up/break-out work of drilling string and improve the production efficiency and safety of drilling and workover operation.It is one of the most important automatic equipment in modern drilling / workover production.The paper mainly demonstrates the design of programmable logic valve controller (PLVC) introduced in the iron roughneck control system，and compares it with the control system with relay logic control circuit or general PLC as the core.The control system based on PLVC is characterized by high reliability，fast response，and high control precision and automation level as well as simple system electrical connections.

iron roughneck；PLVC；control system

1001-3482(2016)10-0029-04

2016-04-29

杜明甫(1976-)，男，湖北咸寧人，現(xiàn)從事石油儀器儀表的控制系統(tǒng)與軟件設(shè)計工作，E-mail：dmf@hbjpim.com。

TE921.9

Bdoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.10.007