DQ-90型頂驅上卸扣裝置的自動化控制研究

古暉暉，張洪生

(蘭州理工大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730050)

DQ-90型頂驅上卸扣裝置的自動化控制研究

古暉暉，張洪生

(蘭州理工大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730050)

摘要：頂驅裝置由導軌-導向滑車總成，水龍頭-鉆井馬達總成和鉆桿上卸扣裝置三大部分構成。根據對其DQ-90型頂驅鉆桿上卸扣的工作原理及運動情況分析，提出了用西門子可編程控制器S7-300PLC對其自動化控制的方案。該方案包括各個工作機構控制硬件配置的選用和現場總線的連接設計，待硬件配置連接確定后，根據上卸扣的工作流程及PLC開關和線圈的接線地址進行控制部分的程序編寫。程序調試在STEP7-SIMATIC Manager 中進行,最終以達到上卸扣裝置自動化控制的目的。

關鍵詞：DQ-90型頂驅；上卸扣；可編程控制器；編程

Research on Automatic Control of Make Up and Break Out Device of

DQ-90 Top Drive Drilling System

GU Huihui, ZHANG Hongsheng

(College of Mechanical-Electronical Engineering, Lanzhou University of technology, Lanzhou 730050, China)

Abstract:Top drive drilling system is comprised of the carriage and guide beam, the transmission /motor housing (main body) and swivel assembly and the make up and breaks out device. This article proposes that siemens programmable controller S7-300PLC is used to study the scheme of the automation control according to the working principle and the movement of the make-and-break device in DQ-90 top drive drilling system. This scheme includes the selection of control hardware configuration for each woking mechanism and fieldbus connection. After the hardware connection is determined, the program is written in STEP7 SIMATIC Manager according to the working principle and the movement of the device and the address of the coil and the switches of the PLC. Thus the make up and break out device is made get into the automatic control.

Keywords:DQ-90 top drive drilling system；make up and break out; PLC; programming

0引言

頂驅作為鉆井設備的先進系統，與其他的鉆井設備相比，其先進性和優越性顯而易見。頂驅是一個復雜的系統，其控制也非常復雜。目前的頂驅都是采用的是電、液聯合控制或者電、液、氣聯合控制。上卸扣裝置作為頂驅上一重要環節，體現了頂部驅動鉆井裝置最大優點，對其進行自動化控制研究是很有意義的[1]。文中對頂驅上卸扣部分做電控方面的研究，采用的是S7-300西門子可編程控制器。

1DQ90型頂驅上卸扣裝置的運動分析

1.1DQ-90型頂驅上卸扣裝置的構成

上卸扣裝置主要組成部件有： 扭矩背鉗、內防噴器和啟動器、承載法蘭盤、吊環傾斜裝置、旋轉頭/吊環連接環和鉗頭有夾緊活塞，用以夾持與保護接頭相連接的鉆桿母扣。鉆桿上卸扣裝置另有2個緩沖液缸，類似大鉤彈簧，可提供絲扣補償行程125mm。

內防噴器是全尺寸、內開口、球型安全閥式的。帶花鍵的遠控上部內防噴器和手動的下部內防噴器形成井控防噴系統，內防噴器采用正規扣，工作壓力為105MPa。

吊環傾斜裝置有兩種功用：

1) 吊鼠洞中的單根；

2) 接立柱時，不用井架工在二層臺上將大鉤拉靠到二層臺上。若行程1.3m的傾斜裝置不能滿足要求則可選擇2.9m的長行程吊環傾斜裝置[2]。

DQ90型頂驅上卸扣裝置的示意圖如圖1所示。

1—吊環配接器；2—吊環傾斜裝置液壓缸；3—遙控式內防噴啟動器；4—反扭矩架；5—可調式導向口；6—吊卡定位器；7—雙向吊環傾斜裝置總成 ；8—手動內防噴閥；9—扭矩背鉗；10—吊環；11—鉆桿吊卡圖1　上卸扣示意圖

鉆進時，鉆桿上卸扣裝置固定不動，不妨礙鉆柱的起下，鉆井馬達通過主軸，內防噴器和保護接頭將扭矩傳給鉆柱，驅動鉆柱旋轉[3]。

1.2上卸扣裝置的運動情況分析

頂驅的鉆進分3種情況，分別為：接立根鉆進(普遍的采用方式)；接單根鉆進(開新井和井下馬達造斜)；倒劃眼(防止粘卡和減少井下鍵?？ㄣ@)。

接立根鉆進頂驅的工作流程為：坐放卡瓦，停止循環，用管子處理裝置和鉆井電機卸開連接口(電機反轉)；提升游車，吊環傾斜裝置擺至井架；用吊卡提升立根，將立根下端和鉆柱對扣；放下游車將電機下端與立根頂端對扣，旋轉電機和立根連接口，用電機緊扣；提升卡瓦，開泵循環，恢復鉆進。

接單根鉆進頂驅的工作流程為：坐放卡瓦，停止循環，關閉防噴閥，用管子處理裝置和鉆井電機卸開連接口；吊環擺至鼠洞，扣好鉆桿吊卡，用吊卡提起單根，松開吊環傾斜裝置，將單根下端與鉆桿對扣；下放游車，將電機下端與單根上端對扣，旋緊電機與單根絲扣，用電機緊扣；提升卡瓦，開啟防噴閥，開啟循環，恢復鉆進。

倒劃眼時頂驅的工作流程為：在循環和旋轉的同時提升游車；當露出第3根鉆桿接頭時，停止循環和旋轉；坐放卡瓦，用管子處理裝置和鉆井電機卸開連接扣，在鉆臺上卸開立根；用吊卡提升已卸開立根；用吊環傾斜裝置放回立根；下放游車，將電機接頭插入鉆桿母口，用電機旋緊連接扣，開泵循環，提出卡瓦，提升和旋轉[2]。

由以上的三種工作情況可以看出，每種不同的情況下，頂驅上卸扣各個部件的工作順序和運動方式也不一樣，此時控制部分的設計研究需分別進行。

2控制部分的設計

2.1上卸扣裝置各個部分的開關選擇

根據上卸扣裝置的各個部件的工作運動情況對其進行液壓電磁閥開關的分配，IBOP(內防噴器)的控制開關記為SK1。扭矩背鉗液壓缸電磁閥的雙向控制開關記為SK2(背鉗夾緊開關)SK3(背鉗松開開關)。背鉗夾緊液壓缸內裝置以壓力傳感器，其開關記為SP1背鉗上還應置1個扭矩開關，用來控制電機緊扣，此記為ST。雙向吊環2個液壓缸可用一電磁換向閥，向前開關記為SK4，向后記為SK5，吊環還有幾個定位開關，分別為鼠洞位置SQ1，井架工位置SQ2，鉆進位置SQ3。為防止影響頂驅鉆進，吊環向后有一極限位置，此處不再設開關。吊卡的張開和閉合開關記為SK6和SK7。吊卡閉合夾緊鉆桿后，此處可在其液壓系統中置一壓力開關SP2。游車有3個位置開關，鉆至鉆臺時1個自動停止開關SK8，單根鉆進時離SK8向上9 m處置1個自動停止開關SK9，立根鉆進時離SK8向上27 m處置1個自動停止開關SK10。

2.2控制部分硬件的選擇及連接

S7-300具有很高的電磁兼容性，抗震動和抗沖擊等優點，編程軟件功能強大，可使用多種編程語言，而且可為所有的模塊和網絡設置參數。所以此控制系統選用了S7-300可編程控制器。上位機的選擇，可選擇安裝了WinCC軟件的PC作為上位機。控制器即為S7-300。現場模塊化的I/O系統采用ET200S或者ET200M，但基于現場工作環境和所需性能的考慮，采用了ET200M。上位機通過Profibus與PLC連接，PLC通過Profibus-DP與控制柜和變頻器進行連接，與其他子站也通過Profibus-DP連接。總體是以PLC為中心，通過現場總線控制技術，實現對上卸扣裝置遠程數據傳輸通訊、監事和控制。具體連接示意圖如圖2 所示[4]。

圖2　現場連線示意圖

3PLC程序編寫及仿真

3.1STEP7的介紹

STEP7是西門子的工業軟件，用于PLC進行組態和編程的軟件包。一個程序的編程包括硬件組態；定義符號地址，即開關和線圈的地址分配。然后就是程序塊編寫。程序塊包括主程序OB1和其他子程序。STEP7標準軟件包有3種編程語言：梯形圖LAD，語句表STL和功能塊圖FDB。梯形圖直觀簡單；語句表包含豐富的指令，熟悉其語言的程序員對這種編程語言比較容易理解；功能塊圖使用不同的功能盒，盒中的符號表示功能。STEP7支持這3種語言的混合編程和相互轉換[5-6]。根據頂驅3種不同運動情況，上卸扣裝置各個部分的運動情況不定，可以編寫3個不同的子程序塊，當需要哪個程序塊時再調用。

3.2程序編寫

打開軟件，在STEP7中先生成機架，然后再選出PLC的模塊。在整個頂驅控制中需要很多開關和線圈，但上卸扣部分不是特別多，在模擬控制中，選取的模塊地址夠用即可。機架1號槽選用PS307 5A，此為電源模塊。2號槽選用CPU315-2 DP(1)，此為CPU模塊，固件版本號為2.0，MPI地址為2。3號槽為接口模塊，實際不存在。4號

槽以后為其他模塊，包括信號模塊，功能模塊，接口模塊。4號槽模塊選用DI16xDC24V Interrupt。5號槽模塊選用DO8x24V/0.5A。6號槽和7號槽模塊分別選用AI8x12Bit和AO2x12Bit。

文中僅對接立根上扣時頂驅上卸扣裝置的控制做設計研究，進行符號地址定義和程序編寫。此時可另外兩種工作情況以此為例，很容易得出。以下為定義符號地址圖如圖3所示：

圖3　符號表

根據符號表和接立根上扣時上卸扣裝置的工作情況編寫程序，程序如圖4所示。

此程序完成后，電機正旋上扣緊扣，等背鉗內置的扭矩傳感器達到額定值時，開關ST通電，電機停止旋轉，上扣工作完成，可以提升卡瓦，進行循環鉆進工作。以此為例，對于其他情況下上卸扣裝置的工作，也很容易設計出控制程序，然后根據不同的情況，調用相應的子程序。

4結語

以S7-300PLC為中心通過現場總線技術對DQ-90型頂驅進行自動化控制代替了很多人工作業，很大程度上提高了工作的安全性，使頂驅裝置操作起來更為方便快捷。

圖4　接立根上扣程序圖(STL)

參考文獻:

[1] 陳朝達. 頂部驅動鉆井裝置(一)[J]. 石油礦場機械,2000,29(3):1-5.

[2] 陳朝達. 頂部驅動鉆井裝置(二)[J]. 石油礦場機械,2000,29(4):1-5.

[3] 任福深，王威，劉曄，等. 石油管柱上卸扣裝置技術現狀[J]. 石油機械，2012,40(5)：15-18.

[4] 廖常初. 跟我動手學S7-300/400PLC[M]. 北京：機械工業出版社,2010.9.

[5] 葛運鋒，湯鈺鵬. 西門子SIMATIC S7-300在頂部鉆井驅動裝置中的應用[J]. 許昌學院學報，2007,26(2):26-35.

[6] 郝洪亮，常珍，張飛. 基于WinCC的監控系統在鉆井頂驅系統中的應用[J]. 裝備應用與研究-機電信息，2013，(9)：36-3.

收稿日期：2014-01-21

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)04-0192-02

作者簡介：古暉暉(1985-)，男，河南三門峽人，碩士研究生，研究方向為機電工程。