基于PLC的石油鉆桿生產線物料輸送系統

摘要：針對鉆桿生產線中物料輸送的特點和難點，設計了基于PLC的自動輸送系統，介紹了系統的組成、工作流程。調試表明，該系統能夠滿足搬運物料的設計目的，對提高生產效率具有較高的應用價值。

關鍵詞：石油鉆桿；PLC；物料輸送

引言

鉆桿是進行地球物理勘探及開采石油廣泛采用的重要工具。作為石油鉆柱的主要組成部分，鉆桿主要起傳遞扭矩、輸送泥漿以及鉆進作用。江蘇曙光華陽鉆具有限公司從1994年生產石油鉆桿以來，專業生產API、DS-1以及NS-1的E75到S135鋼級，外徑從2 3/8″到6 5/8″的系列石油鉆桿。鉆桿一般由 9 米左右的無縫鋼管，兩端摩擦焊接工具接頭組成，其生產工藝十分復雜。如圖1所示。

圖1鉆桿焊接生產工藝流程圖

鉆桿生產線分為四個作業區：焊前加工、摩擦焊接、焊縫熱處理、無損檢測及輔助，各區獨立完成功能，各區之間建立緩沖區儲存上道工序的半成品，通過傳感器建立互鎖關系，將四個作業區連成自動化生產線。

生產線輸送的物料是工具接頭和鉆桿管體。工具接頭是按固定規則排列在定制料筐內，由搬運機器人為摩擦焊機供料。鉆桿管體則依靠抓管機在廠內倒運，進入生產線后以斜臺架傳送為主，鏈條傳送為輔，配合擋料器、撥料器、翻料器、平托機構等完成管體在各工序的流動。

1. 機械結構

生產線上的斜臺架適用于鉆桿不需要精確定位的場合，主要為上下工序提供緩沖區。翻料器給斜臺架上的鉆桿提供初始動能后依靠管體自身的勢能滾動前進，V 型鏈條和步進梁依靠電機提供動力，擋料器、撥料器、翻料器依靠壓縮空氣帶動汽缸運動。

V 型鏈條用于在移動中需要精確定位的場合，主要為配合機床和中頻感應線圈自動化生產使用，選用重載型物料輸送鏈條，鏈條節距 250mm，在鏈條的鏈板上連接 V 型塊，用于支撐和固定鉆桿。為增大鉆桿與 V 型塊之間的摩擦力，防止發生軸向滑動，鏈條的一側曾加聚氨酯塊。

步進梁有兩處，分別設在端部鏈條和焊縫熱處理鏈條前，用于鉆桿從斜臺架到鏈條之間的搬送銜接。步進梁前分別設有管端齊頭裝置和焊縫齊頭裝置，管端齊頭裝置是以鉆桿端面為基準對齊，便于數控機床對定位后的鉆桿進行自動加工。焊縫齊頭裝置是以摩擦焊后的鉆桿焊縫為基準對齊，便于數控機床和加熱線圈對焊縫進行自動加工。機械機構如圖2 所示：

圖2 機械機構示意圖

2. 電氣控制

根據工業現場特點及工藝控制要求，采用可編程控制器進行生產線的自動化控制。根據工藝區塊進行控制區塊的劃分，各功能區能夠獨立工作，區塊之間采用 I/O 信號和以太網通訊進行互鎖控制和數據傳遞。各控制區塊均采用三菱 Q02H 型 PLC（Programmable Logic Controller）作為控制平臺，利用MELSECNET/H 網組成數字化網絡結構，進行信息交換和動作控制。采用CC-LINGK 技術，同時處理控制和信息數據，通過簡單的總線將傳感器、操作按鈕及執行機構信號等連接成設備層網絡，簡化了現場布線，提高了效率。

焊前加工控制區指原管輸入臺架到焊前緩沖區，主要控制設備有原管輸入輥道、搬送臺架裝置、端面齊頭裝置、端部鏈條、1 號機床、1 號臺車、2 號機床、2 號臺車，與摩擦焊機的上料裝置形成互鎖關系，該區域電氣控制結構如圖3所示。

圖3 電氣控制結構圖

摩擦焊接區域利用焊機的 PLC 作為主控 PLC，協調控制工業機器人、料筐轉臺、接頭緩沖臺架、管體上下料裝置，同時利用焊機的工控機進行生產記錄、參數設定、報警信息顯示等工作。

焊縫熱處理區設備眾多、工藝復雜，它直接關系到產品質量和整個生產線的效率，是自動化控制的重點和難點。該區域需要控制的設備有搬送裝置、焊縫齊頭裝置、退火裝置、3 號機床、3 號臺車、4 號機床、4 號臺車、淬火裝置、回火裝置、鏈條搬送裝置等。為了滿足生產信息的管理和追蹤，在該控制區域搭建了鉆桿焊后質量管理軟件。

無損檢測及輔助區包括磁粉探傷設備、超聲波探傷設備、成品搬送臺架三部分。該區域以成品搬送臺架為主 PLC，控制鉆桿在該區域內的移動、稱重、測長、噴標，協調磁粉探傷裝置和超聲波探傷裝置工作。

3.結論

本文通過對鉆桿生產線傳統的物料輸送系統進行智能化改造，在輔助時間大大縮短的情況下，為整條生產線高效運行奠定基礎。調試表明，該系統能夠滿足搬運物料的設計目的，對提高生產效率具有較高的應用價值。

4.參考文獻

［1］李建強.石油鉆桿自動化生產技術及應用研究［D］. 華北電力大學，2011

[2] 王欣. 搬運機器人在鉆桿生產線物料輸送系統中的應用[J]工業儀表與自動化裝置，2014.6

5.作者簡介

王欣（1975- ）男，講師，主要從事機電一體化教學和研究工作。