液壓轉盤電控系統的分析與設計*

□ 李云鵬□ 宋 濤□ 樊勇利□ 王永鵬□ 周海磊□ 李博洋

1.寶雞石油機械有限責任公司 陜西寶雞721002

2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心 陜西寶雞721002

隨著石油鉆井裝備行業的快速發展，液壓轉盤已經得到越來越多的應用，尤其是在海洋鉆井裝備領域，已逐漸成為現代海洋平臺深水鉆機的標準配置。在海洋平臺下隔水套管、懸持鉆具、活動鉆具時，要求轉盤具有較大支撐能力和通孔直徑、較高的扭矩和較低的轉速［1］。在相同要求下，電控液壓轉盤相較于傳統的轉盤具有尺寸小、質量輕、集成度高、運行安全可靠等特點［2］。筆者主要對液壓轉盤的電控系統進行分析與研究，并列舉了項目實際應用案例。

1 液壓轉盤概述

石油鉆井裝備領域的轉盤主要是指能夠通過一對正交錐齒輪副實現減速，使轉臺獲得一定范圍內的轉速和扭矩輸出的水平旋轉裝備。在鉆井過程中，轉盤的功能是傳遞扭矩，帶動鉆具旋轉鉆進［3］。電控液壓轉盤是指那些驅動力來源于液壓系統，控制功能主要是由電控系統實現的一種轉盤驅動裝置。電控液壓轉盤從基本構成上可以劃分為機械結構、液壓系統和電控系統三大部分。這三大部分各自發揮著自身特有的作用，并通過功能整合形成完整的轉盤系統。

1.1 機械結構

電控液壓轉盤的機械結構主要包括：上蓋、底座、轉臺裝置、輸入軸總成、主補心裝置、鎖緊裝置、錐齒輪副等零部件，為轉盤提供了結構支撐與基本的機械運動單元。轉盤外形如圖1所示。

▲圖1 轉盤外形圖

1.2 液壓系統

液壓系統主要包括：液壓動力源、液壓馬達、控制閥組、液壓管線、管線接頭、壓力表、液壓介質油等，為轉盤提供了液壓循環通路與液壓運動單元。

1.3 電控系統

電控系統主要包括硬件系統和軟件系統兩部分，為轉盤提供了控制邏輯，實現載體與控制邏輯運行機制。具體內容如下。

（1）硬件系統。硬件系統主要包括：控制單元（如：PLC可編程序控制系統、比例放大器、繼電器等）、執行單元（如：電磁閥、傳感器等）、人機接口（如：工控機、物理開關等）［4］。

（2）軟件系統。軟件系統主要包括：執行層控制程序（如：PLC程序等［5-6］）、操作層控制程序（如：WinCC程序等［7-8］）。

2 液壓轉盤電控系統的輸入與輸出分析

通過對液壓轉盤電控系統的輸入與輸出進行分析，可以明確這一系統的人機操作類型與可測狀態信息，還可以明確被控對象類型及其期望執行動作。

2.1 電控系統的輸入分析

電控系統的輸入即轉盤控制單元的輸入，可分為人機接口輸入和傳感器輸入兩部分。具體內容如下。

（1）人機接口輸入。人機接口采用物理開關的輸入方式，轉盤正轉、停止、反轉操作，轉盤扭矩釋放、停止操作，液壓馬達選擇操作，緊急停止操作，可定義為開關量輸入。轉盤速度設定，轉盤扭矩設定操作，可定義為模擬量輸入。

人機接口采用觸摸屏的輸入方式，輸入信息最終將以通信協議的方式傳輸到電控系統控制單元中，可廣義上定義為通信協議輸入。

（2）傳感器輸入。轉盤液壓系統壓力傳感器4～20 mA電流輸入可定義為模擬量輸入。轉盤液壓系統壓力繼電器無源干接點輸入可定義為開關量輸入。轉盤液壓馬達速度編碼器輸入可定義為通信協議輸入。轉盤轉臺旋轉檢測接近開關無源干接點輸入可定義為開關量輸入。

2.2 電控系統的輸出分析

電控系統的輸出主要指轉盤控制單元的輸出，主要是對轉盤執行單元進行具體的動作控制。其中，對于轉盤速度比例控制、轉盤扭矩比例控制可定義為模擬量輸出；對于轉盤扭矩釋放、液壓馬達選擇可定義為開關量輸出。

針對電控系統與其它第三方設備的通信，控制單元發出的通信內容也可定義為通信協議輸出或硬線信號輸出。

針對人機接口上配有的物理聲光報警裝置，控制單元的輸出可定義為開關量輸出。

3 液壓轉盤電控系統的硬件設計

在電控系統輸入與輸出已確定的情況下，根據系統控制運算需求及功能需要，對轉盤控制單元、執行單元、人機接口進行設計，組建成完整的硬件系統。液壓轉盤電控系統硬件框架如圖2所示。

3.1 控制單元的設計

控制單元的設計總的來說包括：PLC系統的設計、比例放大器的設計、繼電器的設計、安全繼電器的設計、安全柵的設計、電源模塊的設計、斷路器的設計，以及其它部分的設計。具體內容如下。

（1）PLC系統的設計。PLC系統配置一個CPU模塊，主要進行數據處理和邏輯運算［9］：兩組多通道輸入輸出模塊，主要進行模擬量與數字量的輸入輸出處理；一個功能模塊，主要進行具有通信協議的速度傳感器輸入處理；一個通信模塊，主要負責轉盤電控系統與司鉆集成控制系統或其它第三方設備的通信。

（2）比例放大器的設計。系統配置兩個雙通道比例放大器，主要是將PLC系統發出的控制指令信號轉換為比例電磁閥所需的驅動電能信號，最終保證該電磁閥動作精度達到設計要求。

（3）繼電器的設計。系統配置五個繼電器，主要是將電磁閥與PLC系統進行隔離，以及比例放大器使能控制。

（4）安全繼電器的設計。系統配置一個安全繼電器，當系統有緊急停止觸發的情況時，可將輸出設備的動力或驅動設備的使能安全可靠地隔離，最終保證運動設備的緊急停止。

▲圖2 液壓轉盤電控系統硬件框架圖

（5）安全柵的設計。系統配置兩個安全柵，其主要功能是將傳感器的輸入信號進行隔離，保證現場本安設備的防爆要求，以及PLC系統的輸入安全。

（6）電源模塊的設計。系統配置兩個電源模塊，主要是保證控制單元所需電源的電制匹配與電能穩定。

（7）斷路器的設計。系統配置一個斷路器，主要是為控制單元提供短路和過載保護，以及進行電源的正常分斷。

（8）其它部分的設計。系統配置合適數量的接線端子、電纜、格蘭頭、插接件、符合所需防爆及防護要求的電氣箱柜，以及其它保證系統完整性的電氣安裝附件。

3.2 執行單元的設計

執行單元的設計包括：電磁閥的設計、傳感器的設計、以及其它部分的設計。具體內容如下。

（1）電磁閥的設計。系統配置一個轉盤正轉速度控制比例電磁閥、一個轉盤反轉速度控制比例電磁閥、一個轉盤扭矩設定比例電磁閥，并配置一個轉盤扭矩釋放開關電磁閥、一個液壓馬達選擇開關電磁閥。

（2）傳感器的設計。系統配置一個液壓馬達工作壓力傳感器、一個轉盤速度傳感器。鑒于轉盤轉速較低，因此傳感器的精度只要滿足整個測量系統的精度要求就可，不必選得過高［10］。

（3）其它部分的設計內容同控制單元該部分設計內容一致。

3.3 人機接口的設計

人機接口設計包括：工控機的設計、物理開關或裝置的設計、及其它部分的設計。具體內容如下。

（1）工控機的設計。系統配置一臺工控機，主要進行人機接口程序的存儲與操作層邏輯運算處理，其中觸摸屏式或顯示屏式的一體化工控機，也可以設計成人機接口的操作終端或顯示終端。

（2）物理開關或裝置的設計。系統配置一個集成了轉盤正轉、停止、反轉選擇開關，轉盤扭矩釋放、停止選擇開關，液壓馬達選擇開關，急停按鈕，轉盤速度設定電位器，轉盤扭矩設定電位器，物理聲光報警裝置的操作盒。該操作盒可以配合顯示屏式一體機使用。

（3）其它部分的設計內容同控制單元該部分設計內容一致。

4 液壓轉盤電控系統的軟件設計

在電控系統硬件已確定的情況下，根據系統控制運算需求及功能需要，對轉盤執行層控制程序及操作層控制程序進行編譯，組建完整的軟件系統。液壓轉盤電控系統軟件框架如圖3所示。

4.1 執行層控制程序的設計

執行層控制程序設計包括：輸入處理、功能處理、輸出處理三部分。具體內容如下。

（1）輸入處理。系統處理來自CPU外部的輸入數據，包括模擬量輸入、數字量輸入、通信協議數據輸入，并將處理好的數據存放到規劃好的數據模塊中。

（2）功能處理。系統級功能處理包括操作模式處理（本地應急操作、司鉆操作）、運行模式處理（初始化處理、未啟動控制輸出清零處理、正常運行處理、急停處理），手動、自動、測試模式處理（手動及自動模式處理具有詳細的控制功能和保護功能，測試模式處理無具體控制功能和保護功能）。

部件級處理，指具體的內部變量與外部變量或外部變量之間的邏輯運算，最終能實現被控對象的速度閉環控制、扭矩閉環控制等功能。

（3）輸出處理。系統將經過功能處理的數據存放到規劃好的數據模塊中，包括：模擬量輸出、數字量輸出、通信協議數據輸出。

4.2 操作層控制程序的設計

在電控系統人機接口硬件已確定的情況下，操作層控制程序的運行環境就可以確定下來。操作層控制程序設計包括：登錄畫面設計、子畫面設計兩部分。具體內容如下。

（1）登錄畫面設計。登錄畫面具體可包括：用戶賬戶、清屏、語言選擇、單位切換功能。

（2）子畫面設計。子畫面包括系統畫面（如：網絡拓撲、變量列表、操作記錄）、報警畫面（如：當前報警、歷史報警）、轉盤操作及狀態畫面（如：轉盤正轉、反轉、停止，轉盤速度設定，轉盤扭矩設定，轉盤扭矩釋放，轉盤馬達選擇，液壓系統壓力，轉盤速度，緊急停止等）、數據畫面（如：用戶管理、診斷列表）等內容。

5 結束語

目前在海洋鉆井裝備領域，液壓轉盤已經得到了廣泛應用。2015年，由寶石機械自主設計制造的該類型液壓轉盤，已經得到了實際應用檢驗。到目前為止，該設備始終保持平穩運行記錄，現場反饋良好，受到用戶好評。筆者通過對液壓轉盤電控系統輸入與輸出進行分析，明確了該電控系統的人機操作類型與可測狀態信息，以及被控對象類型及其期望執行動作，實現了對該電控系統的硬件與軟件的設計，最終提出一種功能相對完善、配置相對合理的液壓轉盤電控系統的設計方案。