基于SIMATIC T-CPU垂直排管機控制系統的應用

田德寶，張鵬飛，張強，何慶，羅磊，王議（寶雞石油機械有限責任公司國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞 721002）

基于SIMATIC T-CPU垂直排管機控制系統的應用

田德寶，張鵬飛，張強，何慶，羅磊，王議（寶雞石油機械有限責任公司國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞 721002）

根據海洋鉆井平臺自動排放工藝特點，以垂直排管機為研究對象，采用以西門子公司SIMATIC T-CPU為核心的控制器，通過西門子公司的分布式I/O PROFIBUS-DP總線接口模塊IM174和液壓伺服系統搭建了運動控制系統，運用SIMATIC T-CPU強大的運動控制功能，借助SIMATIC Tehnology進行運動控制。經實踐檢驗，這種方案簡單易行，可以實現垂直排管機控制功能。

垂直排管機；SIMATIC T-CPU；IM174模塊；SIMATIC Tehnology Abstract: According to the automatic discharge process characteristics of the offshore drilling platform, taking the vertical Pipe handing as the research object, we used the SIMATIC T-CPU as the core controller, and the Siemens distributed I/ O PROFIBUS-DP bus interface module IM174 and the hydraulic servo system as the motion control system. In addition, we used the SIMATIC T-CPU strong motion control functions with the SIMATIC technology for motion control. The practical test demonstrated that the scheme is simple and easy to implement, and can achieve the control function of the vertical Pipe handing.

海洋鉆井平臺作業自動化操作的關鍵是各類管件（包括鉆桿、鉆鋌等）的自動排放，鉆桿自動排放系統可以實現鉆桿從甲板排放架到井口、到指梁之間往復自動化排放，垂直排管機是鉆桿自動排放系統的一個重要組成部分。主要用于在井口與指梁之間往返移送鉆桿立根操作，可與動力輔助鼠洞、鐵鉆工和貓道配合完成離線單根接立根操作。其特點是具有危險性；是一個重復性高而勞動強度大的過程，要多人合作共同完成。在海上鉆井作業中，常遇到風浪，工作環境惡劣，安全問題更為突出。同時，海上鉆井成本高，加快鉆井速度，縮短鉆井周期顯得尤為重要[1]。

作為一種典型的電液控制系統，其控制對象多，控制難度較大，并且對同步控制要求較高。結合生產實際，本文介紹一種基于SIEMENS SIMATIC T-CPU運動控制的垂直排管機電氣控制系統，充分利用其同步控制功能，控制線路簡單，安全可靠，系統智能化程度較高，在很大程度上提高了鉆井作業生產率。

1 系統概述

鉆桿排放系統由垂直排管機、指梁組成，垂直排管機的主要功能是完成鉆桿運送排放工作，指梁則是完成立根的存放。

垂直排管機由主臂、立柱、尾臂、吊卡、提升絞車、上部小車、下部小車及上、下小車軌道組成。垂直排管機為立柱結構，在立柱頂部和底部的軌道上各有1個直線行走驅動機構使其沿軌道水平移動，立柱底部的下驅動裝置可以使立柱回轉297°。主臂安裝在立柱導軌上，通過安裝在立柱底部的絞車提升驅動機構，可沿立柱上下運動，從而實現鉆桿提升或下放，通過變幅機構可以改變作業范圍，尾臂安裝在立柱底部，相對立柱無垂直運動，通過以上的直線行走運動、回轉運動及變幅運動的組合，垂直排管機作業范圍可以覆蓋井口、鼠洞及指梁位置[2]。

鉆桿自動排放系統中，通過電液轉換元件把控制系統進行功率放大，對液壓執行機構進行方向、位置和速度控制。為實現垂直排管機各執行機構的位置與速度的伺服控制，需要多個位移傳感器的實時監測，由于在執行機構上安裝傳感器不方便，傳感器設計安裝在液壓馬達軸或液壓缸上。

2 硬件選型及設計

2.1 總體思路

垂直排管機工作在1區場合，在設計控制系統的硬件時，必須考慮防爆問題，采用防爆或隔爆的電氣元器件，防止發生爆炸時危及控制系統?？刂葡到y采用模塊化設計思路，將垂直排管機控制系統分為若干個模塊，電源模塊、PLC模塊、信號隔離模塊、信號放大模塊及執行元件。在控制系統的硬件設計過程中，可采用隔離安全柵將控制電路與本質安全電路隔開，將控制電路及所有的接線端子均放在隔爆箱內。

2.2 控制任務分析

根據對垂直排管機結構和功能的描述可知，它有八個液壓軸——主臂、尾臂、絞車、旋轉立柱、上部小車、下部小車、主臂傾斜頭和尾臂傾斜頭。主臂末端裝有夾頭用來夾持管子，尾臂末端裝有導向頭用于扶持管子，尾臂跟隨主臂同步伸縮來運送管子；絞車提升和下降主臂；旋轉立柱旋轉使兩臂指向目標；小車用來指梁內固定方向上移動排管機，以適應不同指梁行目標；液壓軸通過比例閥來控制。

各個軸之間互相配合完成垂直排管機的所有動作。在實際工作過程中，上部驅動裝置和下部驅動裝置保持同步運行；主臂與挺桿在夾持管子時也要保持同步，并保持兩臂伸出長度相同以保持管子豎直；兩臂傾斜頭在沒夾持管子時與兩臂同步運行，以保持兩臂夾頭水平。各液壓軸的位移需要精準的控制，并且特定軸之間的運動需要耦合。

垂直排管機系統的執行元件有兩種：液壓馬達和液壓缸。其中，上部小車驅動裝置和下部小車驅動裝置是采用液壓馬達驅動的，其余的執行機構均是采用液壓缸進行驅動。在液壓系統中，液壓馬達需要通過調節液壓閥的開度來調節液壓馬達的方向和轉速，需要采用比例閥驅動液壓馬達，使閥的開度能夠隨輸入電壓的變化而發生變化。某些液壓缸需要通過調節比例閥的開度來調節液壓缸的伸縮速度，需要采用比例閥驅動液壓馬達，使閥的開度能夠隨輸入電壓的變化而發生變化。

2.3 控制器選型

根據對控制系統任務的分析，控制器考慮選擇SIEMENS S7 CPU317T-2DP，它采用SIMOTION Kernel軟件內核，通過集成在STEP7環境下的工藝軟件包來配置和編程。集成的運動控制功能可以輕松地實現軸動作控制，通過凸輪盤以插值表或多項式的方式實現軸之間的同步耦合。通過PROFIBUS-DP(Drive)總線接口，采用先進的等時同步PROFIBUS DP模式，連接控制多種伺服驅動器、變頻器，組成分布式的運動控制系統，DP總線的通訊實時性好。組態軟件采用WinCC，功能強大，畫面豐富，使用方便，完全可以實現本系統的控制功能[3][4]。

模擬量驅動接口模塊采用西門子分布式I/O PROFIBUS模塊IM174，最多支持4個軸[5]。編碼器直接連接到IM174的X3、X4、X5、X6接口，通過通訊接口X1傳遞給CPU。X2是模擬量輸出端口，用于控制比例閥。控制系統主要設備清單如表1所示，控制系統網絡架構如圖1所示。

表1 控制系統主要設備清單

圖1 控制系統網絡架構

3 軟件實現

T-CPU的所有參數設置都可以在STEP7軟件中集中完成，包

括硬件參數和軟件參數，硬件參數設置是在STEP7軟件的硬件組態中完成，而軟件參數的設置主要是在安裝了技術功能軟件包的STEP7中的S7 T-Config中實現，它既可以單獨運行，也可以集成在STEP7中統一調用，使用非常方便[6]。

和常規的S7-300CPU 一樣，T-CPU的編程是在STEP7的OB，FB中實現的。調用運動控制模塊是在左側窗口欄“Labraries”的下拉菜單“S7-Tech”的“S7-Tech V4.1”中實現的。在這里可以調用單軸的供電模塊（MC_power）、復位模塊（MC_Reset）、回零模式（MC_Home）、停車模式（MC_ Halt）、絕對運動（MC_MoveAbsolute）、相對運動（MC_ MoveRelative）、附加運動（MC_MoveAdditve）、速度控制運動（MC_MoveVelocity）,根據實際情況，可以使用不同運動控制方式來實現不同的運動。手動模式程序流程圖如圖2所示，垂直排管機人機界面如圖3所示。

圖2 手動模式程序流程圖

圖3 垂直排管機人機界面

4 結束語

本文根據垂直排管機工藝特點設計了基于液壓軸的控制系統，構建了以西門子T-CPU及IM174接口模塊為基礎的運動控制方案，實現了垂直排管管柱自動排放功能。該系統的成功應用，為后續的鉆柱自動化智能裝備帶來了新思路。

[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] 何鴻. 鉆井平臺鉆桿自動化排放系統方案設計[J]. 石油礦場機械, 2012, 41(9): 82 - 84.

[3] 西門子中國工業自動化與驅動集團. SIMATIC T - CPU功能說明及使用[DB/OL]. http://www2.ad.siemens.com.cn/download/html/2547.aspx.

[4] 西門子中國工業自動化與驅動集團. T - CPU用戶指導手冊[DB/OL]. http://www.ad.siemens.com.cn/products/as/somatic/download/T_CPU.pdf.

[5] 西門子中國工業自動化與驅動集團. 分布式I/O PROFIBUS模塊IM174手冊 [DB/OL]. http://support.automation.siemens.com /CN/llisapi.dll?func=cslib.c sinfo&lang=zh&siteid=cseus&objid=23910075

[6] 龔慧斌, 鄭姍姍, 聞娟. 一種基于SIMATICT T - CPU的運動控制伺服系統設計[J]. 伺服及PLC控制系統, 2010, (1): 33 - 35.

Application of Vertical Pipe Handing Control System Based on SIMATIC T-CPU

Vertical pipe handing；SIMATIC T-CPU；IM174 module；SIMATIC Technology

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1003-0492(2016)09-0076-03

TP271+.4

田德寶（1983-），男，河南南陽人，工程師，碩士，現主要從事石油裝備設計及配套工作。