立柱式排管機(jī)回轉(zhuǎn)角度高精度測量與自動(dòng)化控制研究

張 娜，金 玲，郭秀琴，鄭 健， 吳昌亮

(1.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，北京 100206； 2.北京康布爾石油技術(shù)發(fā)展有限公司，北京 100206)

管柱處理是鉆井施工的主要工作之一，其勞動(dòng)強(qiáng)度大，安全系數(shù)低。國際鉆井承包商協(xié)會(huì)(IADC)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，管柱處理過程中的鉆井事故占總事故數(shù)的80%[1]。提高管柱處理的自動(dòng)化程度,改善其作業(yè)環(huán)境極為重要。近年來，隨著“標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化、機(jī)械化、信息化”的深入推進(jìn)，自動(dòng)化鉆井裝備廣泛地被應(yīng)用于鉆井作業(yè)，取得了良好效益[2-3]。以立柱式排管機(jī)為代表的自動(dòng)化管柱處理裝置的主要運(yùn)動(dòng)形式之一是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但是由于沒有回轉(zhuǎn)角度的測量或回轉(zhuǎn)角度的測量精度低，主要依賴人工控制，自動(dòng)化程度很低，嚴(yán)重制約了管柱自動(dòng)化處理裝備作用的發(fā)揮，亟需對(duì)其回轉(zhuǎn)角度高精度測量與自動(dòng)化控制技術(shù)進(jìn)行研究。

1 立柱式排管機(jī)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)原理

回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是指設(shè)備在一個(gè)平面內(nèi)繞其回轉(zhuǎn)中心線往復(fù)回轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)形式，是自動(dòng)化管柱處理裝置的主要?jiǎng)幼?，且各裝置的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)原理類似[4-5]。

立柱式排管機(jī)是海洋鉆機(jī)的重要設(shè)備，目前已逐步運(yùn)用到陸地鉆機(jī)[6]。典型的立柱式排管機(jī)主要包括上部支撐總成、立柱體、伸縮抓管機(jī)械臂總成、伸縮扶管機(jī)械臂總成、回轉(zhuǎn)裝置總成、下部行走裝置總成等[7-10]，如圖1所示。

回轉(zhuǎn)裝置總成主要由液壓馬達(dá)、傳動(dòng)裝置和回轉(zhuǎn)支承等組成，如圖2所示。液壓馬達(dá)的動(dòng)力經(jīng)傳動(dòng)裝置的輸出小齒輪傳至固定在下部行走裝置上的外齒圈，實(shí)現(xiàn)繞其回轉(zhuǎn)中心線轉(zhuǎn)動(dòng)。回轉(zhuǎn)支承裝置用來連接立柱式排管機(jī)的回轉(zhuǎn)部分與下部行走裝置總成，并提供回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所要求的約束，以保證回轉(zhuǎn)部分具有確定的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)承受來自回轉(zhuǎn)部分的各類載荷及傾覆力矩。

圖1 典型立柱式排管機(jī)結(jié)構(gòu)示意

圖2 立柱式排管機(jī)回轉(zhuǎn)裝置示意

2 回轉(zhuǎn)角度高精度測量

絕對(duì)值式旋轉(zhuǎn)編碼器是一種可直接編碼的測量元件,它把被測轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的代碼，指示絕對(duì)位置，沒有積累誤差,可實(shí)現(xiàn)高精度。絕對(duì)值式編碼器光碼盤上有許多道光通道刻線， 每道刻線依次以2線、4線、8線、16線……編排,在編碼器的每一個(gè)位置，通過讀取每道刻線的通、暗,獲得組從2的零次方到2的n-1次方的唯一的2進(jìn)制編碼(格雷碼)，這就稱為n位絕對(duì)編碼器。如圖3所示。

本文選用丹麥SCANCON公司的16位高精度絕對(duì)值式編碼器，測量精度高達(dá)0.005 5°。絕對(duì)值式旋轉(zhuǎn)編碼器不受停電干擾的影響，其輸出真值如表1所示。絕對(duì)編碼器由機(jī)械位置決定的每個(gè)位置是唯一的,無需記憶和找參考點(diǎn)，而且不用一直計(jì)數(shù),可按需讀取其位置,抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性顯著提高。高精度編碼器全部用不銹鋼制造，防護(hù)等級(jí)為IP67。

圖3 接觸式編碼盤

表1 絕對(duì)值式旋轉(zhuǎn)編碼器輸出真值表

3 回轉(zhuǎn)高精度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 高精度控制原理

基于高精度測量傳感器、液壓擺線馬達(dá)、液壓伺服比例系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)等建立了回轉(zhuǎn)角度高精度測量與控制系統(tǒng)，將采集的角度信號(hào)傳輸給控制器，按既定算法，控制比例伺服閥動(dòng)作，完成精確的定位與控制。控制原理如圖4所示。

圖4 控制原理

為控制旋轉(zhuǎn)柱的精確定位，采用旋轉(zhuǎn)編碼器，位置校驗(yàn)點(diǎn)，左右限位保護(hù)、比例閥閥芯位置監(jiān)控桿等多傳感器融合的定位系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)以16位SSI旋轉(zhuǎn)編碼器與校驗(yàn)傳感器作為測量反饋部件，高頻響比例方向閥(上配閉環(huán)位置控制比例放大器)、PLC、運(yùn)動(dòng)控制器作為控制部件，觸摸屏為指令與參數(shù)輸入部件，液壓馬達(dá)作為執(zhí)行部件，通過調(diào)整PID對(duì)速度和位置的調(diào)整，可在0～230°使控制精度達(dá)到±0.3°，動(dòng)作時(shí)間9 s內(nèi)。校驗(yàn)傳感器作為物理定點(diǎn)，與反饋位進(jìn)行比較校驗(yàn)，在許可范圍內(nèi)可直接切換到標(biāo)定角度，消除部分系統(tǒng)的累積誤差與擾動(dòng)誤差，超出范圍認(rèn)為測量反饋部件誤差過大，提示進(jìn)行排查。該方法為管柱移運(yùn)裝置旋轉(zhuǎn)控制部分提供了一種操作簡單，定位精確，時(shí)效性強(qiáng)，控制靈活的新方法。

采用閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)立柱的精準(zhǔn)定位。該閉環(huán)控制系統(tǒng)由指令輸入模塊、比較模塊、校正裝置(PID控制器)、放大轉(zhuǎn)換模塊(高頻響伺服比例閥)、反饋檢測模塊(高精度數(shù)字量旋轉(zhuǎn)編碼器)、執(zhí)行元件(低速大轉(zhuǎn)矩雙向定量馬達(dá))以及控制對(duì)象(立柱)等組成。在要求時(shí)間內(nèi)，立柱旋轉(zhuǎn)大角度時(shí)，馬達(dá)運(yùn)行速度曲線為加速―勻速(高速)―減速―低速―停止(制動(dòng)器抱剎)；當(dāng)立柱旋轉(zhuǎn)小角度時(shí)，馬達(dá)運(yùn)行速度曲線為加速―勻速(低速)―停止(制動(dòng)器抱剎)。

本系統(tǒng)的控制核心為運(yùn)動(dòng)控制器、PLC。系統(tǒng)接受到預(yù)設(shè)的目標(biāo)位，通過程序算法，可得到比例閥輸出的參考值，數(shù)模轉(zhuǎn)換后，由運(yùn)動(dòng)控制器經(jīng)過PID運(yùn)算后輸出電信號(hào)到高頻響比例閥的運(yùn)動(dòng)放大器上，驅(qū)動(dòng)高頻響比例閥放大器輸出PWM脈沖信號(hào)，控制高頻響比例閥閥芯動(dòng)作。旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)時(shí)反饋旋轉(zhuǎn)柱的測量值到運(yùn)動(dòng)控制器，運(yùn)動(dòng)控制器再根據(jù)反饋值按算法調(diào)整其輸出信號(hào)。旋轉(zhuǎn)柱上設(shè)置了初始位傳感器，此位置即作為裝置的原點(diǎn)位，也作為標(biāo)定位置校驗(yàn)。每次PLC接受到此傳感器的信號(hào)，都與旋轉(zhuǎn)編碼器測得的位置進(jìn)行對(duì)比校驗(yàn)，如果兩者的差值在±0.3°，則認(rèn)為系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)正常；如果兩者差值超出范圍，則認(rèn)為系統(tǒng)有異常，提示異常狀態(tài)與排查方式，裝置立即停止動(dòng)作。

3.2 高精度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓原理

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)原液壓原理如圖5所示。

1—油箱；2—液位液溫計(jì)；3—空氣濾清器；4—放油閥(常閉)；5—溫度傳感器；6—恒壓變量泵；7—電機(jī)；8—連軸器；9—軟管；10—回油過濾器；11—空氣冷卻器；12—卸荷閥；13—安全閥；14—高壓油過濾器；15—壓力表；16—單向閥；17—液控單向閥；18—比例伺服閥；19—兩位四通電磁閥；20—梭閥；21—測壓接頭；22—補(bǔ)油單向閥；23—常閉式制動(dòng)器；24—雙向定量馬達(dá)；25—旋轉(zhuǎn)編碼器。

立柱式排管機(jī)通常帶載回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣性大?；剞D(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)慣性動(dòng)能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)油路壓力沖擊，最終以熱能形式散失造成能量浪費(fèi)并使油溫升高，致使系統(tǒng)性能下降。參考其他工程設(shè)備中的能量回收系統(tǒng)[11-12]，利用蓄能器和泵/馬達(dá)二次元件組成回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量再利用系統(tǒng)，為避免這部分能量影響主回路，將用于立柱式排管機(jī)散熱系統(tǒng)，加入回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收及再利用系統(tǒng)的液壓原理如圖6所示。同原系統(tǒng)相比，回轉(zhuǎn)制動(dòng)過程更加平穩(wěn)，制動(dòng)精度可靠，并可節(jié)能20%左右。

1—油箱；2—液位液溫計(jì)；3—空氣濾清器；4—放油閥(常閉)；5—溫度傳感器；6—恒壓變量泵；7—電機(jī)；8—連軸器；9—軟管；10—回油過濾器；11—空氣冷卻器；12—卸荷閥；13—安全閥；14—高壓油過濾器；15—壓力表；16/20—單向閥；17—液控單向閥；18—比例伺服閥；19—二位四通電磁方向閥；21—蓄能器；22—二位三通液控?fù)Q向閥；23—雙向定量馬達(dá)；24—測壓接頭；25/28—溢流閥；26—二位二通電磁換向閥；27/29—順序閥；30—定量泵；31—單向定量馬達(dá)(散熱馬達(dá))；32—旋轉(zhuǎn)編碼器；33—常閉式制動(dòng)器；34—梭閥；35—壓力繼電器。

3.2.2 立柱正轉(zhuǎn)-停止過程

如圖5所示，根據(jù)立柱需要旋轉(zhuǎn)的角度，給控制系統(tǒng)輸入目標(biāo)電信號(hào)指令，與馬達(dá)同軸的旋轉(zhuǎn)編碼器25為檢測反饋元件。YV1、YV2得電(12～20 mA)；二位四通電磁閥切換至左位，液控單向閥導(dǎo)通，比例伺服閥閥芯移動(dòng)，閥口全開(P-A導(dǎo)通，B-T導(dǎo)通)。液壓油經(jīng)單向閥、液控單向閥、比例伺服閥、進(jìn)入雙向定量馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)加速并高速旋轉(zhuǎn)(當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度較小時(shí)，閥口關(guān)小，低速旋轉(zhuǎn)接近目標(biāo))，馬達(dá)帶動(dòng)立柱正轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度，與目標(biāo)值指令作比較，當(dāng)小于目標(biāo)值，比例伺服閥繼續(xù)右位工作(P-A導(dǎo)通，B-T導(dǎo)通)，馬達(dá)繼續(xù)正轉(zhuǎn)，當(dāng)實(shí)際檢測值接近目標(biāo)值時(shí)，控制電流減小，閥口減小，馬達(dá)慢速旋轉(zhuǎn)，根據(jù)比較模塊得出的誤差調(diào)整閥口開度及方向，直至實(shí)際測量值等于目標(biāo)值，比例伺服閥閥芯停止運(yùn)動(dòng)，停在中位，壓力卸荷，梭閥兩腔壓力接近于零，常閉式制動(dòng)器在彈簧力作用下，抱剎馬達(dá)旋轉(zhuǎn)軸，馬達(dá)停轉(zhuǎn)，立柱停止旋轉(zhuǎn)，在常閉式制動(dòng)器作用下，可長時(shí)間停機(jī)，無擺動(dòng)。

3.2.3 立柱反轉(zhuǎn)-停止過程

如圖5所示，同立柱正轉(zhuǎn)控制方式，比例伺服閥小電流控制，閥芯反向移動(dòng)，具體如下：

根據(jù)立柱需要旋轉(zhuǎn)的角度，給控制系統(tǒng)輸入目標(biāo)電信號(hào)指令，與馬達(dá)同軸的旋轉(zhuǎn)編碼器為檢測反饋元件。YV1、YV2得電(4～12 mA)；兩位四通電磁閥切換至左位，液控單向閥導(dǎo)通，比例伺服閥閥芯移動(dòng)，閥口全開(P-B導(dǎo)通，A-T導(dǎo)通)。液壓油經(jīng)單向閥、液控單向閥、比例伺服閥、進(jìn)入雙向定量馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)加速并高速旋轉(zhuǎn)(當(dāng)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角度較小時(shí)，閥口關(guān)小，低速旋轉(zhuǎn)接近目標(biāo))，馬達(dá)帶動(dòng)立柱反轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度，與目標(biāo)值指令作比較，當(dāng)小于目標(biāo)值，比例伺服閥繼續(xù)左位工作(P-B導(dǎo)通，A-T導(dǎo)通)，馬達(dá)繼續(xù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)實(shí)際檢測值接近目標(biāo)值時(shí)，控制電流減小，閥口減小，馬達(dá)慢速旋轉(zhuǎn)，根據(jù)比較模塊得出的誤差調(diào)整閥口開度及方向，直至實(shí)際測量值等于目標(biāo)值，比例伺服閥閥芯停止運(yùn)動(dòng)，停在中位，壓力卸荷，梭閥兩腔壓力接近零，常閉式制動(dòng)器在彈簧力作用下，抱剎馬達(dá)旋轉(zhuǎn)軸，馬達(dá)停轉(zhuǎn)，立柱停止旋轉(zhuǎn)，在常閉式制動(dòng)器作用下，可長時(shí)間停機(jī)，無擺動(dòng)。

3.2.4 馬達(dá)制動(dòng)能量回收過程

如圖6所示，當(dāng)在無精密定位需求，需快速旋轉(zhuǎn)停止工況時(shí)，YV1、YV2得電，兩位四通電磁閥切換至左位，液控單向閥導(dǎo)通，比例伺服閥閥口全開，液壓油經(jīng)單向閥、液控單向閥、比例伺服閥、二位三通液控?fù)Q向閥左位進(jìn)入雙向定量馬達(dá)，馬達(dá)快速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)編碼器檢測到達(dá)指定位置時(shí)，控制比例伺服閥、兩位四通電磁閥失電，比例伺服閥失電保護(hù)位使系統(tǒng)瞬間失壓，液控單向閥瞬間關(guān)閉，馬達(dá)供油被瞬間切斷，由于慣性，馬達(dá)回油腔壓力瞬間升高，馬達(dá)減速制動(dòng)，在常閉式制動(dòng)器作用下，馬達(dá)快速停止，單向閥起到補(bǔ)油作用。在此過程中，二位三通液控?fù)Q向閥的閥芯克服設(shè)定的彈簧力，移動(dòng)換向，當(dāng)馬達(dá)正轉(zhuǎn)時(shí)，二位三通液控?fù)Q向閥切換至右位，當(dāng)馬達(dá)反轉(zhuǎn)時(shí)，二位三通液控?fù)Q向閥切換至左位，馬達(dá)回油腔高壓油經(jīng)二位三通液控?fù)Q向閥進(jìn)入蓄能器，進(jìn)行蓄能充液。當(dāng)多次制動(dòng)能量回收，蓄能器壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，順序閥油路導(dǎo)通，定量泵卸荷，壓力繼電器發(fā)信號(hào)，二位二通電磁換向閥得電，切換至下位，蓄能器代替定量泵向單向定量馬達(dá)(散熱馬達(dá)供油，散熱馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，用于立柱式排管機(jī)散熱系統(tǒng)。

4 結(jié)論

1) 以立柱式排管機(jī)為代表的自動(dòng)化管柱處理裝置的主要運(yùn)動(dòng)形式之一是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于沒有回轉(zhuǎn)角度的測量或回轉(zhuǎn)角度的測量精度低，自動(dòng)化程度低，嚴(yán)重制約了其作用的發(fā)揮。

2) 采用絕對(duì)值式高精度旋轉(zhuǎn)編碼器，可顯著提高立柱式排管機(jī)回轉(zhuǎn)角度的測量精度?；诟呔葴y量傳感器、液壓擺線馬達(dá)、液壓伺服比例系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)等設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)角度高精度測量與控制系統(tǒng)，可對(duì)立柱式排管機(jī)的回轉(zhuǎn)角度進(jìn)行高精度測量與控制。

3) 加入回轉(zhuǎn)制動(dòng)能量回收及再利用系統(tǒng)后，能量的利用效率顯著提高，使用成本下降。

4) 回轉(zhuǎn)角度高精度測量與控制技術(shù)提高了立柱式排管機(jī)的自動(dòng)化程度、作業(yè)安全性和作業(yè)效率?？蓪?duì)其他管柱處理裝備的回轉(zhuǎn)角度高精度測量與控制設(shè)計(jì)提供參考。