基于PLC的二層臺(tái)自動(dòng)排管機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鮑澤富，胡廣珊

（西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710065）

0 引言

在石油工程中二層臺(tái)自動(dòng)排管系統(tǒng)是鉆井平臺(tái)自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分之一[1]。在鉆井作業(yè)過(guò)程中，二層臺(tái)自動(dòng)排管系統(tǒng)承擔(dān)著對(duì)鉆挺、鉆桿、鉆桿立根、套管的平移、夾持、旋轉(zhuǎn)、起升、下放等操作，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡和人機(jī)接口軟件，可完成對(duì)鉆桿、鉆挺等管狀物的自動(dòng)轉(zhuǎn)移、排放等作業(yè)，可監(jiān)控、記錄二層臺(tái)的存放數(shù)量等工作，并顯示記錄工作流程，可實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆具的自動(dòng)化排放和科學(xué)化管理[2]。

PLC（Programmable Logical Controller），即可編程邏輯控制器，是一種以微處理器為基礎(chǔ)的通用工業(yè)控制裝置，應(yīng)用面廣、功能強(qiáng)大，已經(jīng)成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的主要支柱之一[3]。PLC系統(tǒng)功能齊全，包括數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和處理功能；多種控制功能；通信聯(lián)網(wǎng)功能；輸入輸出接口調(diào)理功能；人機(jī)界面功能；編程、調(diào)試功能[4]。

在傳統(tǒng)的鉆井過(guò)程中，是在搭建好的鉆井平臺(tái)開始鉆進(jìn)時(shí)，需要通過(guò)人工利用相關(guān)工具，將位于地面排放架上的鉆桿運(yùn)至貓道上，然后位于鉆井平臺(tái)上的絞車放下鋼絲繩，將鉆桿沿著貓道運(yùn)送到鉆井平臺(tái)上[5]。然后鐵鉆工利用吊卡等工具在鼠洞內(nèi)分別將三根鉆桿接成一根立根，再在經(jīng)過(guò)二層臺(tái)與鉆臺(tái)工人的輔助下放入二層臺(tái)指梁間。此過(guò)程隨著鉆井深度不斷增加和需要更換鉆頭或者安裝取芯工具時(shí)，需要不斷地將立根運(yùn)至井口連接到鉆柱上，或者將立根從鉆柱上卸下運(yùn)至二層臺(tái)指梁之間，即起、下鉆過(guò)程。傳統(tǒng)的鉆井過(guò)程需要司鉆工、鉆工、二層臺(tái)井架工等人在起、下鉆過(guò)程中的密切配合，任何疏忽就有可能造成很大的安全事故。此外，重復(fù)起下鉆的工作時(shí)間直接影響著鉆井周期[6]。可見石油鉆井過(guò)程中迫切需要一種改善人工搬運(yùn)、避免交叉作業(yè)、提高工作效率安全可靠的自動(dòng)排管裝置來(lái)幫助起下鉆工作，因此研究了一種基于PLC控制的二層臺(tái)自動(dòng)排管機(jī)械手控制系統(tǒng)，使其更好的應(yīng)用于石油鉆井中，提高鉆井自動(dòng)化縮短鉆井周期節(jié)省人員成本及提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)

二層臺(tái)自動(dòng)排管機(jī)械手模型結(jié)構(gòu)如圖1所示，由平移機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、伸展機(jī)構(gòu)和夾持機(jī)構(gòu)四部分組成，由連接板用螺栓安裝在二層臺(tái)上，主要用于井口到二層臺(tái)指梁之間往返自動(dòng)運(yùn)送和排放鉆桿立根。工作時(shí)該機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)橫向平移、縱向伸縮、機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)、夾持等功能，控制系統(tǒng)由檢測(cè)、增量傳感器、運(yùn)動(dòng)控制卡和執(zhí)行電機(jī)等組成，能夠控制機(jī)械手按要求完成工作。

1.2 機(jī)械手工作原理

圖1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖

二層臺(tái)自動(dòng)排管機(jī)械手結(jié)構(gòu)有四個(gè)部分：平移機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，伸展機(jī)構(gòu)和夾持機(jī)構(gòu)，分別由三個(gè)相應(yīng)的防爆電機(jī)和一個(gè)電動(dòng)推桿提供動(dòng)力。平移機(jī)構(gòu)是安裝在二層臺(tái)上為絲杠螺母結(jié)構(gòu)，位移傳感器安裝在滑塊和導(dǎo)軌上以時(shí)刻反饋滑塊的位置。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接到滑塊并由步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力，每次整個(gè)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)90°，角位移傳感器安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的前側(cè)和導(dǎo)軌的水平方向之間。伸展機(jī)構(gòu)連接到旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，角位移傳感器安裝在伸展機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的鉸接部分之間。夾持機(jī)構(gòu)由電動(dòng)推桿提供動(dòng)力以抓緊和松開，接觸傳感器安裝在內(nèi)部，用于檢測(cè)鉆桿和機(jī)器人之間的相對(duì)位置，當(dāng)鉆桿接觸傳感器探頭時(shí)，系統(tǒng)向機(jī)械手發(fā)送夾緊信號(hào)，然后夾持機(jī)構(gòu)抓緊鉆桿立根。調(diào)度由工作過(guò)程中的控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)完成。

二層臺(tái)鉆桿排放布局如圖2所示，鉆桿立根與鉆鋌排放區(qū)對(duì)稱分布在二層臺(tái)機(jī)械手移動(dòng)通道兩邊，機(jī)械手懸掛安裝于機(jī)械手移動(dòng)通道滑動(dòng)導(dǎo)軌上，配合工作的吊卡位于井口上方。主要工作是將鉆桿立根由吊卡夾緊的狀態(tài)，移送到二層臺(tái)指梁中完成起下鉆中的排鉆桿工作，再將二層臺(tái)指梁中的所需鉆桿立根轉(zhuǎn)送到井口上方由吊卡夾緊狀態(tài)，此過(guò)程為起下鉆中的取鉆桿過(guò)程。其基本工作循環(huán)如下：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出排鉆桿命令時(shí)，平移機(jī)構(gòu)帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械手沿著移動(dòng)通道由初始位置移動(dòng)到靠近井口端，移動(dòng)到位后旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)90°面向位于井口上方的吊卡，伸展機(jī)構(gòu)伸出機(jī)械臂，直到張開的夾持機(jī)構(gòu)內(nèi)部感應(yīng)器檢測(cè)到吊卡中的鉆桿靠近則伸展機(jī)構(gòu)停住，待夾持機(jī)構(gòu)夾緊機(jī)械臂再縮回，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)鉆桿旋轉(zhuǎn)90面向二層臺(tái)指梁，平移機(jī)構(gòu)移動(dòng)到指定排放位置，伸展機(jī)構(gòu)伸出機(jī)械臂將鉆桿送入指梁，當(dāng)立根到達(dá)指定位置，夾持機(jī)構(gòu)松開鉆桿，機(jī)械臂縮回，機(jī)械手回到初始位置等待下一個(gè)命令，完成一次排鉆桿。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出取鉆桿命令時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)順序選擇指梁間的鉆桿立根并迅速定位，平移機(jī)構(gòu)移動(dòng)到指定位置伸展機(jī)構(gòu)伸出機(jī)械臂，當(dāng)夾持機(jī)構(gòu)內(nèi)側(cè)傳感器檢測(cè)到鉆桿立根時(shí)夾持機(jī)構(gòu)夾緊立根，伸展機(jī)構(gòu)縮回機(jī)械臂，移動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)械手將立根沿移動(dòng)通道移動(dòng)到靠近井口極限位置，旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)整體旋轉(zhuǎn)90°面對(duì)井口上方吊卡，伸展機(jī)構(gòu)機(jī)械臂伸出將鉆桿送入吊卡，當(dāng)?shù)蹩▋?nèi)部傳感器檢測(cè)到鉆桿立根便夾緊立根，機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)松開鉆桿縮回機(jī)械臂回到初始位置等待下一個(gè)命令完成一次取鉆桿。

圖2 二層臺(tái)鉆桿排放布局圖

2 控制系統(tǒng)分析

2.1 自動(dòng)排管排管規(guī)則

陸地鉆機(jī)二層臺(tái)排管布局可簡(jiǎn)化為圖3所示，立根分別排在二層臺(tái)兩邊的指梁間X區(qū)和Y區(qū)；A、B點(diǎn)為機(jī)械手平移通道的極限位置，分別安裝有限位開關(guān)，A點(diǎn)靠近井口正上方的吊卡。控制規(guī)則如下：

1）初始位置B0，機(jī)械手停在B點(diǎn)，機(jī)械臂縮回到最短，夾持機(jī)構(gòu)松開并且朝向X區(qū)；

2）旋轉(zhuǎn)狀態(tài)A0、A1、A2三種，當(dāng)機(jī)械手移動(dòng)到A點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作，每次轉(zhuǎn)動(dòng)90°，夾持機(jī)構(gòu)正對(duì)X區(qū)為A0，正對(duì)井口方向?yàn)锳1，正對(duì)Y區(qū)為A2；

3）平移狀態(tài)，從B點(diǎn)到A點(diǎn)共12種，兩個(gè)極限位置和10個(gè)排管指梁對(duì)應(yīng)位置；

4）機(jī)械臂伸展?fàn)顟B(tài)12種，最短位置、送入吊卡伸長(zhǎng)長(zhǎng)度和每一行10根立根的位置伸長(zhǎng)長(zhǎng)度；

5）夾持機(jī)構(gòu)松開與夾緊兩個(gè)狀態(tài)；

6）排放規(guī)則為X區(qū)與Y區(qū)左右對(duì)稱順序放置，如X11、Y11、X12、Y12、X13、Y13……。

圖3 控制規(guī)則簡(jiǎn)圖

2.2 步進(jìn)電機(jī)定位控制

該系統(tǒng)中分別使用三個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)械手的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和伸展動(dòng)作，步進(jìn)電機(jī)的定位問(wèn)題在控制精度中尤為重要[7]。在基于PLC的控制中，步進(jìn)電機(jī)可通過(guò)CPU產(chǎn)生的集成脈沖作為輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)位置的控制。即通過(guò)一個(gè)輸入字節(jié)的對(duì)偶碼定位CPU指定的角度，用戶可通過(guò)該碼計(jì)算出所需的定位步數(shù)，對(duì)應(yīng)CPU就輸出相關(guān)個(gè)數(shù)的控制脈沖。

首先需要確定一個(gè)參考點(diǎn)（本系統(tǒng)中選用初始位置B點(diǎn)為參考點(diǎn)），執(zhí)行相對(duì)控制，當(dāng)控制器從輸入字節(jié)IOB中讀出對(duì)偶碼方式的定位角度后再存入字節(jié)MB11。與此角度有關(guān)的脈沖數(shù)，可根據(jù)式(1)計(jì)算：

式中：N為控制脈沖數(shù)；

?為旋轉(zhuǎn)角度；

S為每轉(zhuǎn)所需的步數(shù)；

程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 自動(dòng)排管機(jī)械手動(dòng)作流程

該機(jī)械手以PLC為控制元件，由斷路器控制將自動(dòng)排管系統(tǒng)分為兩種操作方式：手動(dòng)操作和自動(dòng)操作，其中自動(dòng)操作又分為單周期操作和連續(xù)操作[8]。手動(dòng)操作，由用戶對(duì)機(jī)械手的按鈕進(jìn)行操作，控制機(jī)械手的平移、旋轉(zhuǎn)、伸展和夾持；單周期操作，每按一次啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手自動(dòng)完成一個(gè)周期的動(dòng)作就自動(dòng)停止；連續(xù)操作，每按一次啟動(dòng)按鈕，在自動(dòng)完成一個(gè)周期的動(dòng)作后不自動(dòng)停止，直接開始下一個(gè)周期的動(dòng)作，直到按下停止按鈕才會(huì)停止動(dòng)作。機(jī)械手的自動(dòng)操作的連續(xù)操作執(zhí)行過(guò)程如下：首先系統(tǒng)啟動(dòng)，機(jī)械手處于等待狀態(tài)，當(dāng)獲得取或者排鉆桿信號(hào)，機(jī)械手開始動(dòng)作，從原點(diǎn)出發(fā)按自動(dòng)循環(huán)工作，直到接受停止信號(hào)，機(jī)械手在完成最后一個(gè)周期的工作后，返回原點(diǎn)，機(jī)械手自動(dòng)停機(jī)。

圖4 程序設(shè)計(jì)流程圖

一個(gè)周期的自動(dòng)排管控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)如圖5、圖6所示，圖中檢測(cè)為夾持機(jī)構(gòu)內(nèi)側(cè)接觸式傳感器產(chǎn)生的檢測(cè)信號(hào)，極限分別為安裝于各機(jī)構(gòu)動(dòng)作完成最后狀態(tài)由行程開關(guān)產(chǎn)生信號(hào)，定位為到達(dá)通過(guò)指令給定的位置，指令為系統(tǒng)給的取或排鉆桿的命令和位置。

3.2 控制系統(tǒng)PLC選型與I/O點(diǎn)數(shù)確定

圖5 取鉆桿程序設(shè)計(jì)流程圖

圖6 排鉆桿程序設(shè)計(jì)流程圖

表1 I/O地址分配及功能表

根據(jù)機(jī)械手需要實(shí)現(xiàn)的功能及要求，該系統(tǒng)共有13個(gè)輸入信號(hào)和9個(gè)輸出信號(hào)，故選用西門子S7-200 CPU224，其地址分配如表1所示。兩個(gè)開關(guān)按鈕開始與停止SB1、SB2；兩個(gè)檢測(cè)信號(hào)SQ1和SQ2，SQ3～SQ8為分別安裝于平移機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、伸展機(jī)構(gòu)上得極限位置行程開關(guān)反饋信號(hào)；還有三個(gè)工作方式選擇狀態(tài)組成13個(gè)輸入信號(hào)。一個(gè)回到初始位置和三個(gè)電機(jī)一個(gè)電推桿的正反轉(zhuǎn)動(dòng)作組成9個(gè)輸出信號(hào)。

3.3 機(jī)械手PLC控制電路

根據(jù)機(jī)械手的工作原理，其PLC控制系統(tǒng)的硬件電路接線端子如圖7所示。

圖7 PLC控制系統(tǒng)硬件電路圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)陸地鉆機(jī)二層臺(tái)機(jī)械手的工作原理進(jìn)行分析，對(duì)各個(gè)機(jī)構(gòu)動(dòng)作進(jìn)行整理，規(guī)劃了循環(huán)動(dòng)作流程，設(shè)計(jì)并優(yōu)化了控制規(guī)則，運(yùn)用PLC為控制單元設(shè)計(jì)了一套定位精度符合工作要求、運(yùn)行穩(wěn)定的自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了二層臺(tái)排管的自動(dòng)化。經(jīng)過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)，單周期工作時(shí)間小于等于35S，使得排管速度在鉆井工作中明顯提高。