基于PLVC的鐵鉆工控制系統設計

杜明甫

(湖北江漢石油儀器儀表股份公司，武漢 437400)①

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基于PLVC的鐵鉆工控制系統設計

杜明甫

(湖北江漢石油儀器儀表股份公司，武漢 437400)①

在自動化鉆/修井生產中，鐵鉆工是目前最先進的變轉矩旋扣設備，可完成管柱上/卸扣工作，提高鉆/修井生產效率與安全性，是現代化鉆/修井生產中重要的自動化設備之一。介紹了在鐵鉆工控制系統中引入PLVC閥用可編程控制器的設計。對比以繼電器邏輯控制電路或通用PLC為核心的控制系統，以PLVC閥用可編程控制器為核心的控制系統具有可靠性高、響應速度快、控制精度高和自動化程度高等特點，同時系統電器連接大為簡化。

鐵鉆工；PLVC；控制系統

鐵鉆工是自動化石油鉆/修井生產中鉆/修井機的配套設備，廣泛應用于海洋、陸地鉆井、修井作業上卸管柱螺紋，是液壓大鉗的升級產品。目前國外的主要石油設備廠商已開發出幾代鐵鉆工產品，實現了電液自動控制；國內對鐵鉆工的研制已初具規模，少量設備已應用于陸地、海洋鉆井平臺。國內各大油田仍然大量使用液壓大鉗，其自動化程度低，一線工人勞動強度大。為提高工作效率，降低工人勞動強度，實現自動化鉆/修井生產，研制自動化程度較高的鐵鉆工具有十分重要的意義[1]。本文主要介紹了在鐵鉆工引入PLVC閥用可編程控制器設計電控系統，使鐵鉆工具備遙控、開關遠程控制和觸摸屏/第三方PLC控制功能，用戶可根據需要靈活配置。

1　總體結構

該型鐵鉆工電控系統主要由PLVC閥用可編程控制器、比例多路換向閥、壓力與位置傳感器、定位編碼器、遠程控制臺、遙控器、觸摸屏以及防爆電源系統組成。PLVC閥用可編程控制器是鐵鉆工系統的控制核心，接收控制命令并根據定位限位傳感器、壓力傳感器的采集結果輸出相應控制指令；比例多路換向閥是電液轉換執行機構，將電控信號轉化為液壓控制輸出，驅動鐵鉆工動作[2]；定位編碼器用于鐵鉆工工作位置/待機位置的二維定位[3]；壓力與位置傳感器用于采集相關液壓與位置信號；遠程控制臺、遙控器、觸摸屏是鐵鉆工操作端；防爆電源系統為鐵鉆工電控系統供電。系統原理如圖1所示。

圖1　鐵鉆工電控系統原理

2　硬件設計

2.1PLVC閥用可編程控制器

PLVC閥用可編程控制器及其擴展模塊是系統電控核心。該系統選用德國哈威PLVC基礎模塊構建控制核心，由PLVC基礎模塊與CANIO14擴展模塊組成，基礎模塊與擴展模塊間以CAN總線連接。控制器為專用閥控可編程控制器，其特點為：①可輸出IPWM和PWM信號直接控制比例多路控制閥，無需為比例控制動作配置專用放大板；②配置的DI/DO可根據需要編程改變其屬性，將DO轉變為DI，反之亦可，資源配置極其靈活；③通訊適應能力強，控制器配置有通用CAN和PROFIBUS總線，便于系統電氣擴展和與鉆/修井機集成控制；④控制器工作溫度-40～80 ℃，滿足國內鉆井環境要求。

2.2比例多路換向閥組

比例多路換向閥組是系統電液控制轉換核心，選用德國哈威的PSL比例閥組，其電器特點為：①電源適應性好，供電范圍10～32 V DC；②啟動電流小，響應速度快，可實現執行機構精準定位；③體積小巧且組合安裝，便于集成控制；④本體防爆設計，無需另作防爆處理。

2.3信號采集系統

信號采集系統是系統對設備運行狀態的監測元件，包括壓力傳感器和位移傳感器。位移傳感器包括油缸位移監測用的磁伸縮傳感器、設備旋轉和伸縮位置監測用的磁編碼器。傳感器信號統一為4～20 mA電流信號，編碼器信號采用CAN總線傳輸，抗干擾能力強。

2.4操作端

操作端包括遠程控制臺/司鉆操作臺、遙控器和第三方觸屏操作端，是系統命令發生單元，配備與功能相匹配的開關/命令組、數顯表和指示燈。遠程控制臺/司鉆操作臺發送命令至PLVC/第三方PLC，PLVC根據DI接受命令或通過PROFIBUS總線接受第三方PLC轉發的命令控制設備動作；遙控器命令信號通過接收模塊連接CAN總線發送至PLVC；觸屏操作端命令由第三方PLC通過PROFIBUS總線發送至PLVC。同時，系統可根據需要將鐵鉆工運行狀態監測參數通過PROFIBUS總線發送至第三方PLC，便于用戶監測和編程。

3　軟件設計

鐵鉆工動作包括：旋轉動作，伸縮動作，鉗體升降動作，旋扣器升降動作，張夾動作(3路，主鉗、背鉗與旋扣器張夾)，主鉗旋轉動作，旋扣器旋轉動作。

系統軟件主要有初始化程序段、旋轉定位程序段、伸縮定位程序段、旋扣器上/卸扣程序段、主鉗緊/松扣程序段；其他輔助程序主要有系統自檢程序、位置刻度程序和信號采集/傳輸程序，輔助程序的作用為設置鐵鉆工各工位定位位置(旋轉和伸縮)、主鉗中位和左右極限位置、鉆桿接頭高度等運行相關參數，均采用命令按鈕發送命令后PLVC保存相關傳感器/編碼器當前采集值的模式進行。

3.1初始化程序流程

初始化程序流程如圖2所示。

初始化程序中的系統自檢包括系統壓力、液壓比例閥連接及鐵鉆工運動限制條件等設備狀態檢測；其中p_set為固定值，其取值在油缸最小運行壓力與系統最大壓力之間。

圖2　初始化程序流程

3.2伸縮定位程序流程

伸縮定位程序流程如圖3所示。縮回定位與伸出定位程序流程基本相同，差別在于縮回位置唯一，伸出位置在井口工位與鼠洞工位不同。在設備停止于接近定位位置時啟動伸出程序，由于比例調速輸出的運行速度很低，比例閥開度很小，伸出動作難以啟動，需要根據伸出動作啟動時間與伸出量間的變化關系將比例閥開度臨時增大，在伸出動作啟動后恢復比例調速[4]。經試驗證明，臨時增大比例閥開度能有效解決伸縮動作慢速啟動問題，不會影響設備定位精度。

圖3　伸縮定位程序流程

3.3旋轉定位程序流程

旋轉定位程序流程如圖4所示。旋轉定位程序的主要功能是將鐵鉆工工作機構準確旋轉對準設定工位方向[5]。為避免設備旋轉對鉆/修井機臺面設備與人員造成意外傷害，設備旋轉動作必須在伸縮臂收回到位后進行。

圖4　旋轉定位程序流程

3.4旋扣器工作程序流程

旋扣器工作程序分為上扣、卸扣和停止程序，其中在停止程序的同時進行旋扣器停轉、背鉗和旋扣器張開動作，至系統壓力>p_set結束。如圖5。

圖5　旋扣器控制程序流程

圖5中p_set為固定值，其取值在油缸最小運行壓力與系統最大壓力之間，p1_set為最小鉗口工作壓力，p2_set為最小旋扣器工作壓力，卸扣時間t1調節范圍4～30 s，旋扣器工作前需根據管柱扣型設定。

3.5主鉗工作程序流程

主鉗工作程序分為緊扣、松扣和停止程序，如圖6。其中p3_set為最小鉗口工作壓力。緊扣過程中如果設定轉矩在主鉗極限位置到達，則該轉矩可能是由于轉矩油缸到達極限位置所產生的的虛假轉矩，不一定是作用于管柱的真實轉矩，為保證管柱可靠上緊，故應再次重復緊扣。重復緊扣次數限制為3次，避免管柱螺紋過度損傷管柱。

對于類似于鉆桿的梯形螺紋管柱，松扣程序流程如圖6b所示，松扣1次即可保證旋扣器快速卸開管柱連接，但是對于類似油管的細牙螺紋管柱(修井工況)，特別是老舊管柱的管扣銹蝕比較嚴重，為保證順利卸開管柱連接，在主鉗松扣極限位置到達后，增加卸扣次數計數判斷、主鉗張開和主鉗回中位動作，主鉗回中位后重復卸扣過程直至計數達到預設次數，結束主鉗松扣動作。

圖6　主鉗控制程序流程

主鉗停止程序的同時進行主鉗停轉、背鉗和主鉗張開動作，至系統壓力>p_set進行主鉗回中位動作，主鉗中位到達后結束動作。

4　結語

該鐵鉆工控制系統已配套多臺套鉆/修井機，作業多井次。試驗結果表明，鐵鉆工工作面二維定位控制誤差小于2 mm，運行快速平穩，上/卸扣作業安全可靠，操作簡單，是液壓大鉗的最佳升級替代產品。

[1]王周新，趙啟蘭.E-3000型電動鉆機技術改造及效益分析[J].石油礦場機械，2000，29(6)，47-49.

[2]路甬祥，胡大綋.電液比例控制技術[M].北京：機械工業出版社，1988.

[3]高繼念，蔚長春.電液控制技術及其應用[M].北京：石油工業出版社，1993.

[4]關景泰.機電液控制技術[M].上海：同濟大學出版社，2003.

[5]電液比例技術與電液閉環比例技術的理論與應用[R].BOSCH，1997.

Design of Iron Roughneck Control System Based on PLVC

DU Mingfu

(Hubei Jianghan Petroleum Instrument & Meter Co.，Ltd.，Wuhan 437400，China)

In the process of automatic drilling / workover production，Iron roughneck is at present the most advanced variable torque spinning equipment，which can complete make-up/break-out work of drilling string and improve the production efficiency and safety of drilling and workover operation.It is one of the most important automatic equipment in modern drilling / workover production.The paper mainly demonstrates the design of programmable logic valve controller (PLVC) introduced in the iron roughneck control system，and compares it with the control system with relay logic control circuit or general PLC as the core.The control system based on PLVC is characterized by high reliability，fast response，and high control precision and automation level as well as simple system electrical connections.

iron roughneck；PLVC；control system

1001-3482(2016)10-0029-04

2016-04-29

杜明甫(1976-)，男，湖北咸寧人，現從事石油儀器儀表的控制系統與軟件設計工作，E-mail：dmf@hbjpim.com。

TE921.9

Bdoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.10.007