電子防碰天車設計與改進

馬燚松

（中石化西南石油工程有限公司重慶鉆井分公司，重慶400042）

電子防碰天車設計與改進

馬燚松*

（中石化西南石油工程有限公司重慶鉆井分公司，重慶400042）

為了提高鉆機的安全保護性能，防止發生游吊系統與天車發生碰撞事故，設計了智能電子防碰天車裝置。該裝置由觸摸屏、西門子S7-300CPU、編碼器、電磁閥及相關電控箱組成。在鉆機絞車低速或者高速端導氣龍頭連接口處安裝高速編碼器，檢測絞車的旋轉速度和游車高度，通過對PLC和觸摸屏進行編程、畫面組態及合理線路設計，控制電磁閥的通斷，以實現游車的上碰下軋緊急剎車保護和提前預警功能。試驗運行結果表明該裝置穩定性好、抗干擾能力強、操作簡單、安裝方便、功能可靠，能夠起到很好的上碰下砸保護剎車和提前預警功能。

電子防碰天車；編碼器；電磁閥；觸摸屏；PLC

為了保證人生和設備安全，防止發生游吊系統與天車發生碰撞，鉆機一般配置有3套防碰天車系統，即滾筒過卷防碰裝置、天車重錘防碰裝置和電子防碰裝置。滾筒過卷防碰裝置、天車重錘防碰裝置均為機械防碰裝置，只能起到上碰保護，沒有高度預警和下砸保護功能，各廠家的電子防碰裝置配置和功能有所區別。

目前，多數廠家的電子防碰天車裝置利用MC51單片機為中央處理單元，通過絞車滾筒當前纏繩層數、直徑、當前最外層纏繩圈數設定初始0位，利用編碼器計量滾筒的旋轉圈數計算設置防碰高度，利用數碼顯示管顯示游車高度。在使用過程中故障率高，穩定性、抗干擾能力差，同時設置的防碰高度、零點經常跳變不能起到很好的保護作用。為了改進電子防碰天車性能，提高其穩定性和抗干擾能力，降低故障率，更好起到天車防碰作用，特對新型防碰天車裝置進行設計改進。

1　結構原理

1.1工作原理

電子防碰天車選用性能穩定、使用壽命長，處理速度快的西門子S7-300PLC作為處理單元，配置高速計數單元，如圖1控制示意圖和圖2鉆機示意圖所示，在鉆機絞車低速或者高速端導氣龍頭連接口處安裝高速編碼器，檢測絞車的旋轉速度和游車高度，通過屏蔽電纜將編碼器連接到電子防碰天車控制箱。通過對PLC進行編程，和畫面組態及合理線路設計，控制電磁閥的通斷，以實現游車的上碰下軋緊急剎車保護和提前預警功能。采用觸摸顯示屏，實時顯示游車高度、游車位置、離天車、轉盤距離、剎車狀態，可視化設置防碰天車的上碰下砸保護高度、設置預警高度及相關參數。

1.2結構示意圖

1.3保護功能

當游車達到設置的上或下保護預警位置時，電子防碰控制箱報警器響起，同時顯示屏上的報警指示燈閃爍，提醒操作者采取減速剎車；當游車繼續移動到設置的上碰下砸保護點時，電子防碰控制箱控制電磁閥斷電，切斷經過電磁閥（常開式，通電導通）到剎車放氣閥氣源，經過剎車放氣閥到二位三通氣控閥（鉆機出廠設計為常開式）的控制氣斷開，切斷由主氣源經過二位三通氣控閥到高低速控制閥和剎車氣源的氣源，以實現高低速離合器斷氣和盤剎（盤剎裝置出廠設計為斷氣剎車）斷氣剎車，從而實現游車的上碰下軋緊急剎車保護功能。

2　參數選型

2.1絞車參數計算

參考70LDB鉆機6正2倒檔絞車參數，絞車6檔轉速最高為448r/min，鉤速為1.91m/s。計算絞車頻率f：

f=n/t（t：s；f：Hz；n：r/s）

f=448/60=7.47（Hz）

圖1　控制示意圖

圖2　鉆機示意圖

為了提高檢測精度，選用1024增量編碼器檢測滾筒的轉速和游車高度，則編碼器的最大檢測頻率：

fe=1024×f=1024×7.47=7649.28（Hz）≈7.7（kHz）。

2.2PLC及編碼器選型

在滿足功能要求及保證可靠、維護方便的前提下，根據經濟適用、性能穩定、性能價格比最佳的原則。PLC選用帶集成數字量輸入和輸出的緊湊型CPU312C。CPU312C主要參數：10點輸入，6點輸出，最大計數頻率10kHz，溫度0℃～60℃。編碼器選用高分辨率增量式旋轉光電編碼器。

2.3畫面設計

根據現場要求和操作簡單的原則，設計3個畫面：初始畫面、參數設置畫面、運行畫面。當系統上電后進入初始畫面，在該畫面顯示通訊狀態和設備相關信息，同時在該畫面設置進入參數設置畫面和運行畫面控件，點擊相關控件進入對應畫面。在參數設置畫面內設計系統上防碰高度、報警高度、下保護高度、下報警位置、參數校驗等相關初始參數設置控件，對系統初始參數和保護參數進行設置，同時在該畫面設置進入初始畫面和運行畫面控件，點擊相關控件進入對應畫面。運行畫面內設置實時高度顯示框、剎車狀態、報警燈及游車狀態動畫，實時顯示游車位置和剎車、報警狀態。達到對游車位置的實時顯示和及時報警提醒功能。

圖3　程序流程圖

2.4程序設計

系統上電后進入主程序，如圖3程序流程圖所示，程序對計數脈沖進行計算處理，便于在相關子程序中調用，通過條件分別調用初始化、參數設置、剎車、報警子程序。

初始化子程序完成計數脈沖清零，計數器置零，PLC輸入、輸出點復位；參數設置子程序完成游車高度置零、高度校驗、上碰高度設置、下保護高度設置、上報警位置設置、下報警位置設置；主程序中通過游車的實時高度與報警高度設置值進行比較調用報警子程序，通過PLC輸出控制中間繼電器，導通聲光報警器；主程序中通過游車的實時高度與上碰高度、下保護高度設置值進行比較調用報剎車程序，通過PLC輸出控制中間繼電器，使圖1中的電磁閥失電，切斷經過電磁閥（常開式，通電導通）到剎車放氣閥氣源，從而實現游車的上碰下軋緊急剎車保護功能。

3　運行試驗

通過調試，裝置運行正常，由于系統受鋼絲繩的受力伸長量的影響，在重載和輕載情況下上碰高度、下保護高度、報警點略有變化，在空載和最大鉤載200t情況下最大誤差為4cm，能夠滿足現場使用要求。模擬斷電重起，CPU能夠從上次斷電點進行高度檢測，不需要從設置零點和高度防碰點。在使用過程中只需要設置一次零點時和防碰點時，系統會自動保存，無需經常設置，只需偶爾校對零點即可。通過現場2個月的連續運行，系統運行正常，報警、剎車正常及時，運行可靠，未出現故障和零點跳變現象。

4　結論

綜合調試情況和其他類似設備的使用情況分析，隨著PLC運用技術的成熟，利用目前性能穩定的PLC和編碼器設計防碰天車系統運行穩定性、抗干擾能力強，操作簡單，安裝方便。

TE2

B

1004-5716（2016）09-0071-03

2015-10-05

2015-10-22

馬燚松（1982-），男（土家族），重慶人，工程師，現從事石油鉆井現場鉆井設備管理、配套、維修工作。