一種石油鉆機(jī)自動(dòng)貓道遙控器控制系統(tǒng)

丁亮

摘 要隨著人力成本的不斷增加，鉆井自動(dòng)化已成為鉆機(jī)發(fā)展的迫切需求，自動(dòng)貓道逐漸成為鉆井設(shè)備的必需設(shè)備。常規(guī)自動(dòng)貓道操作需要在本體上操作，鉆臺(tái)面上有人指揮，配合司鉆操作頂驅(qū)。為此，本文設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)貓道的控制方法，將遙控器的交互信號(hào)傳入貓道控制的PLC。這樣貓道控制人員可以在鉆臺(tái)面上操作，由于鉆臺(tái)面可以同時(shí)觀察到鉆臺(tái)面的設(shè)備操作和貓道本體的情況，貓道操作人員可以根據(jù)鉆臺(tái)面司鉆的操作配合貓道的操作，保證鉆具順利快速的安裝和卸載。遙控器由發(fā)送器和接收器組成，接收器接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成CAN信號(hào)，本設(shè)計(jì)采用CAN/PROFIBUS協(xié)議轉(zhuǎn)換器將CAN信號(hào)接入PLC的PROFIBUS通訊系統(tǒng)，和PLC交換信息。本設(shè)計(jì)保證了鉆具操作的可靠性和流暢性，節(jié)省了人力，為鉆機(jī)的自動(dòng)化和智能化提供了新穎的控制方式。

【關(guān)鍵詞】自動(dòng)貓道 遙控器 PLC 自動(dòng)化

石油鉆井智能化、自動(dòng)化、信息化是鉆井的發(fā)展方向，自動(dòng)貓道也是鉆井自動(dòng)化的重要組成部分。當(dāng)前市場(chǎng)上使用的自動(dòng)貓道，多數(shù)是進(jìn)口自動(dòng)貓道，由國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的貓道仍占很少的一部分，并且多數(shù)未經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試使用。關(guān)于自動(dòng)貓道的遙控器，因?yàn)槠渚哂蟹辣?，目前?guó)內(nèi)研發(fā)的貓道很多都是采用進(jìn)口的遙控器，比如CAVOTEC、HBC等，國(guó)外進(jìn)口遙控器價(jià)格高昂，沒(méi)有針對(duì)性，面板功能太多且操作繁瑣。這些都會(huì)影響貓道操作的流暢可靠，操作員不得不花時(shí)間熟悉遙控器，無(wú)形中增加了貓道的操作失誤率。本項(xiàng)目采用國(guó)內(nèi)公司生產(chǎn)的遙控器，根據(jù)貓道的操作要求定制，能滿足貓道操作的特殊要求，提供了一種方便可靠，攜帶方便、不易誤操作的貓道遙控器系統(tǒng)，能滿足鉆臺(tái)面操作貓道的需求。目前已經(jīng)在井隊(duì)測(cè)試使用，提高了鉆井效率，達(dá)到了理想的效果。

1 無(wú)線遙控工作原理

無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)時(shí)由發(fā)射器、接收器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。發(fā)射器主要包括編碼電路和發(fā)射電路。編碼電路由操縱器（操縱開(kāi)關(guān)或電位計(jì)）控制，操縱者通過(guò)操縱器，使編碼電路產(chǎn)生需要的控制指令，這些控制指令時(shí)具有某些特征的、相互間易于區(qū)分的電信號(hào)。但是編碼電路產(chǎn)生的指令信號(hào)都是頻率較低的電信號(hào)，無(wú)法直接傳送到遙控目標(biāo)上去，還要將指令信號(hào)送到發(fā)射電路，使它載在高頻信號(hào)（載波）上，才能由發(fā)射天線發(fā)送出去。指令信號(hào)載到載波上去的過(guò)程叫調(diào)制，調(diào)制作用由發(fā)射電路的調(diào)制器完成。發(fā)射電路的主要作用是產(chǎn)生載波，并由調(diào)制器將指令信號(hào)調(diào)制在載波上，經(jīng)天線降已調(diào)載波發(fā)送出去。

接收器由接受電路及譯碼電路組成。接受電路又包括高頻部分和解調(diào)器部分。由接收天線送來(lái)的微弱信號(hào)經(jīng)接收高頻部分的選擇和放大后，送到調(diào)制解調(diào)器，解調(diào)器的作用是從載波上“卸下”指令信號(hào)。由于“卸”下來(lái)的各種指令信號(hào)時(shí)混雜在一起的，需要譯碼電路分類鑒別，送到相應(yīng)的執(zhí)行放大電路。執(zhí)行放大電路將指令信號(hào)放大到具有一定的功率，用以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械動(dòng)作等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控目標(biāo)的控制。

2 貓道遙控器系統(tǒng)的通訊結(jié)構(gòu)和原理

如圖1所示，貓道遙控器由接收器和發(fā)射器（通常叫遙控器）組成，遙控器將貓道的操作信號(hào)編碼成無(wú)線信號(hào)發(fā)送出去，接收器接到無(wú)線信號(hào)并解析成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)CAN協(xié)議向外傳輸給協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊將CAN協(xié)議轉(zhuǎn)換為PROFIBUS-DP協(xié)議，協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊作為西門子S7300PLC的一個(gè)從站，通過(guò)對(duì)從站協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊的訪問(wèn)得到具體的遙控器操作信號(hào)，然后根據(jù)信號(hào)組成向貓道發(fā)出控制指令，控制貓道液壓閥的動(dòng)作，完成對(duì)貓道控制系統(tǒng)的操作。

3 遙控器CAN協(xié)議編碼說(shuō)明

貓道接收器采用CAN2.0通訊協(xié)議，下面是貓道接收器的編碼說(shuō)明：

3.1 接收板功能說(shuō)明；

（1）接收板通過(guò)無(wú)線接收模塊接收遙控器發(fā)射器的各個(gè)開(kāi)關(guān)量狀態(tài)和模擬量數(shù)據(jù)；

（2）接收板通過(guò)無(wú)線發(fā)射模塊發(fā)送規(guī)定的數(shù)據(jù)給遙控器發(fā)射器；

3.2 CAN2.0通訊協(xié)議

（1）符合CAN 規(guī)范2.0B，ISO 11898-1；波特率為250K；

（2）數(shù)據(jù)功能定義：ID號(hào)：180+ID，默認(rèn)ID=0x08。

3.3 CAN2.0數(shù)據(jù)功能定義

如表1、表2所示。

4 PLC編程部分

本貓道控制系統(tǒng)采用西門子S7-300控制系統(tǒng)，采用PROFIBUS-DP通訊網(wǎng)絡(luò)。協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊作為西門子PLC的PROFIBUS通訊體系中的一個(gè)從站（需安裝GSD文件），在STEP7中進(jìn)行硬件組態(tài)，分配從站地址，通過(guò)隊(duì)從站地址的數(shù)據(jù)訪問(wèn)獲得遙控器的操作信號(hào)。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

4.1 接收和發(fā)送數(shù)據(jù)

PLC在接收到協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的信號(hào)后，需要根據(jù)CAN地址進(jìn)行解析。PLC編程采用梯形圖編程，在編程中可采用西門子STEP的模塊SFC14和SFC15來(lái)讀寫遙控器從站的數(shù)據(jù)，注意調(diào)用SFC14和SFC15的數(shù)據(jù)塊地址要和需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)塊地址一致。SFC14用作讀取狀態(tài)字，即讀取遙控器發(fā)來(lái)的狀態(tài)信號(hào)，SFC15用作控制字，即將當(dāng)前貓道系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)信號(hào)發(fā)送給遙控器用作顯示，比如點(diǎn)亮當(dāng)前液壓站的壓力正常指示燈等。在實(shí)際編程中，最好將信號(hào)的狀態(tài)字和控制字放在一個(gè)DB塊中，便于貓道編程的尋址調(diào)用。

4.2 解析數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)

貓道遙控器發(fā)送給PLC的數(shù)據(jù)是不斷循環(huán)連續(xù)的，如果要提取具體的對(duì)應(yīng)信號(hào)狀態(tài)，需要根據(jù)地址分別存貯將提取的數(shù)據(jù)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊地址中，做好相應(yīng)的標(biāo)識(shí)，以便于進(jìn)行后期貓道程序的編程。根據(jù)CAN2.0協(xié)議，每組數(shù)據(jù)的地址位和數(shù)據(jù)位都是固定的，只要找出得到的數(shù)據(jù)流中對(duì)應(yīng)地址的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行存貯就可以。因?yàn)閿?shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程是不斷循環(huán)的，所以通過(guò)判斷地址的方法就可以取到相應(yīng)地址對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào)，進(jìn)而得到貓道遙控器的當(dāng)前操作信號(hào)。這個(gè)地址就是CAN協(xié)議編碼的地址，做出相應(yīng)的16進(jìn)制到10進(jìn)制轉(zhuǎn)換后，在PLC中需要進(jìn)行梯形圖地址判斷后存貯對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊，如圖2所示：

取到當(dāng)前遙控器的數(shù)據(jù)狀態(tài)后，就可以監(jiān)測(cè)到當(dāng)前遙控器的操作狀態(tài)，從而根據(jù)遙控器的操作狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的PLC編程，PLC經(jīng)過(guò)程序操作對(duì)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行指令輸出，從而達(dá)到對(duì)貓道的控制。

5 結(jié)論

（1）本遙控器系統(tǒng)采用無(wú)線電遙控控制原理，無(wú)線電控制控制距離經(jīng)測(cè)試，在有障礙物的情況下，可以達(dá)到50米，無(wú)障礙物情況下可以達(dá)到100米，可以滿足鉆臺(tái)面控制貓道操作的要求。

（2）經(jīng)測(cè)試，在鉆臺(tái)面控制貓道操作，可以有效的和司鉆進(jìn)行配合動(dòng)作，提高鉆具上送和卸載效率，保證工作安全。

（3）遙控器和PLC的傳輸速度響應(yīng)比較快，能夠滿足控制需求，保證鉆桿操作的連續(xù)性。

（4）現(xiàn)場(chǎng)反饋和改進(jìn)：經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)使用反饋，遙控器在操作人員操作期間去鉆臺(tái)面司鉆房和司鉆交流時(shí)，因?yàn)樗俱@房是個(gè)金屬房體，對(duì)遙控器有屏蔽信號(hào)，所以接收器接收不到信號(hào)會(huì)停油泵電機(jī)。為此，我們經(jīng)過(guò)改進(jìn)在遙控器短暫丟失信號(hào)后停止貓道操作但是不停電機(jī)，只是在長(zhǎng)時(shí)間丟失遙控器信號(hào)時(shí)停止主油泵電機(jī)。

目前貓道系統(tǒng)已經(jīng)在伊拉克現(xiàn)場(chǎng)投入生產(chǎn)使用，我們將根據(jù)客戶反映需求跟蹤改進(jìn)，達(dá)到客戶理想的效果，為鉆臺(tái)自動(dòng)化做出貢獻(xiàn)。

作者單位

上海中曼石油裝備有限公司 上海市 201413endprint