海洋鉆機鉆桿自動排放系統控制方案設計

石美玉，楊國家，李富平，王運安，高學仕

（1.中國石油大學（華東）機電工程學院，山東青島266555；2.山東科瑞控股集團有限公司，山東東營257067） ①

海洋鉆機鉆桿自動排放系統控制方案設計

石美玉1，楊國家2，李富平1，王運安2，高學仕1

（1.中國石油大學（華東）機電工程學院，山東青島266555；2.山東科瑞控股集團有限公司，山東東營257067）①

對鉆桿自動排放系統驅動裝置的液壓及電氣控制方法進行了設計和分析，繪制了電氣及液壓控制原理圖，并合理選擇了主要電氣和液壓元件。

鉆桿排放裝置；控制系統；方案

參考多種鉆桿自動排放系統［1－3］，筆者設計了一種海洋鉆機鉆桿自動排放系統驅動裝置。介紹了此裝置的液壓及電氣控制方案，對驅動裝置的各種動作流程和各種動作的控制過程進行了詳細的分析，對控制部分使用的電氣元件和液壓缸等液壓元件的使用情況進行了說明。

1 系統裝置簡介

本次設計主要是對鉆桿自動排放系統的抓桿機械手行走和旋轉驅動裝置的控制進行了方案設計。整個裝置安裝于海洋井架二層臺下方，驅動部分安裝于二層臺中部的導軌上。具體工作方式為：裝有驅動裝置總成的小車由多級液壓缸驅動，沿導軌直線運動，完成機械手在井架中縱向運動；驅動裝置總成到達指定立根縱向位置后，多級液壓缸停止伸縮運動，由擺動液壓缸控制旋轉裝置完成90°旋轉；用手動控制抓取立根機械手完成手臂的抬升與下放、機械手抓緊與松放立根及送進與退出等動作，完成抓取立根操作；最后，由多級液壓缸驅動整個驅動裝置將立根送到井口。抓桿機械手驅動裝置如圖1所示。

圖1 抓桿機械手驅動裝置

2 控制方案設計

2.1 電氣控制

小車運動過程中，如何實現其在指定某排立根處停止運動是整個控制方案的最主要部分。本方案運用霍爾元件制作接近開關的原理對小車運動位置進行檢測，結合PLC控制系統對小車的啟停進行控制［4－5］。

霍爾元件的霍爾件感應端安裝在小車中心處，在導軌上對應每排立根中心安裝霍爾元件感應磁鐵，共20個，按小車經過的次序對其進行編號；伸縮式多級液壓缸伸出推動小車沿導軌移動，霍爾件感應端每經過1個磁鐵，便產生1個感應脈沖，由接收到的感應脈沖的數目控制小車的啟停。如果下鉆時需抓取第5個磁鐵對應的1排立根，對控制程序進行設定，小車運動過程中，當程序接收到5個脈沖信號時，小車停止運動，擺動油缸向左旋轉90°，手動控制機械手臂開始抓取立根，立根抓取完成后，擺動缸向右回轉90°，小車繼續向前運動，將立根送至井口。起鉆時，工作流程與下鉆相反，小車運動控制方案如圖2所示。

霍爾元件在此起采集信號的功能，信號反饋給主程序，驅動多級液壓缸動作，每排立根對應1段控制程序。以抓取第5個磁鐵對應的1排立根為例，幾個主要環節的控制原理圖及PLC梯形圖分別如圖3～4所示。圖3中接觸器K1、K2分別控制多級液壓缸伸出、回縮，由按鈕SB5控制第5個磁鐵對應的立根抓取程序段。圖4中電磁鐵M20.1、M20.2由K1、K2控制。計數器用于接收脈沖數目，定時器用于設定小車啟、停之間的時間間隔。

2.2 液壓控制

小車沿導軌運動靠伸縮多級液壓缸驅動，小車在運送過程中，由于存在抓取立根與不抓取立根2種狀態，故其存在2種速度，因此對此缸的控制要能夠實現2種速度的轉換；又因隨著多級缸使用級數的變化，伸出時作用面積逐漸減小，縮回時逐漸增大，若想保持小車運動速度穩定，運行過程中必須相應地改變缸體的進油量，故采用比例流量閥進行控制［6］；另外，還要考慮回油過程中的緩沖問題。多級缸液壓控制原理如圖5所示。整個控制回路由多級缸回油緩沖、多級缸速度控制、多級缸換向控制3個部分組成［7］。

小車運動至指定位置后，由擺動液壓缸控制旋轉裝置進行旋轉，擺動缸液壓控制原理如圖6所示。設定擺動缸每次旋轉角度為90°，由電磁鐵1YA、2YA控制擺動缸正反轉，單向節流閥控制其進出油速度。液壓控制部分選定供油壓力為16 MPa。圖5～6中各個電磁鐵的動作可實現的功能如表1。

圖2 小車運動控制方案

圖3 控制原理

圖4 控制梯形圖

圖5 多級缸液壓控制原理

圖6 擺動缸液壓控制原理

表1 各電磁鐵動作可實現的功能

3 結語

筆者在自行設計的海洋鉆機鉆桿自動排放系統的基礎上，對其驅動裝置的控制方案進行了詳細設計，對驅動小車用多級液壓缸和控制旋轉裝置的擺動液壓缸的工作方式進行了詳盡的分析。設計分析了電氣及液壓控制方案，并繪制了相應的電氣及液壓控制原理圖。本次設計提出了一種較新穎的鉆桿自動排放系統設計方案，為此類系統的后續發展指出了一個新的思路。

［1］ 劉文慶，崔學政，張富強.鉆桿自動排放系統的發展及典型結構［J］.石油礦場機械，2007，36（11）：74－77.

［2］ 尹曉麗，牛文杰，張中慧.鉆桿自動傳送系統及設計方案［J］.石油礦場機械，2009，38（7）：42－46.

［3］ 崔學政，劉文慶，肖文生，等.海洋鉆井平臺立柱式排管機設計［J］.石油礦場機械，2010，39（1）：45－49.

［4］ 任宏彪，張大志，張勇軍.基于S7－300型PLC的變頻自動送鉆系統模糊控制［J］.石油礦場機械，2010，39（4）：24－27.

［5］ 董 磊，崔學政.現場總線在鉆桿操作系統中的應用研究［J］.石油礦場機械，2009，38（5）：62－65.

［6］ 雷天覺.液壓工程手冊［K］.北京：機械工業出版社，1991.

［7］ 崔學政，張富強，肖文生，等.海洋鉆井平臺折臂起重機設計［J］.石油礦場機械，2009，38（11）：28－31.

Controlling Schematic Design of Drilling Pipe Automatic Arranging System for Offshore Rig

SHI Mei－yu1，YANG Guo－jia2，LI Fu－ping1，WANG Yun－an2，GAO Xue－shi1
（1.College of Mechanical and Electronic Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China；2.Shandong Kerui Petroleum Equipment Co.，Ltd.，Dongying257067，China）

The electrical control method and the hydraulic control method of the Drilling Pipe Automatic Arranging System were both designed and analyzed in detail，the electrical and the hydraulic control principle diagram were both drawn.In addition，the main electrical and hydraulic components were chosen reasonably.

drill pipe racking back device；control system；project

1001－3482（2011）12－0041－04

TE952

A

2011－07－15

石美玉（1987－），女，山東濰坊人，碩士研究生，主要從事石油鉆采機械裝備的設計工作，E－mail：shimeiyu19870301＠163.com。