地面自動排管PLC控制系統(tǒng)的研究*

聶丹陽

(西安石油大學(xué) 機械工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

0 引 言

鉆桿排放是鉆井作業(yè)中的一項重要操作[1]。動力貓道是目前送鉆至二層臺的主要技術(shù)手段,整體送鉆過程比較成熟。但是，國內(nèi)針對于地面鉆桿輸送還未達(dá)到自動化，大部分排管工作還是依靠于人工搬運[2]。在現(xiàn)場工作時，貓道排管架的一端放置著管橋架，管橋架上鋪滿了鉆桿，需要用鉆時，工人將鉆桿推移至排管架上。這種搬運鉆桿的方式效率較低，工作強度大，工人安全得不到保證。

針對上述問題，設(shè)計一種基于PLC的地面自動排管控制系統(tǒng)，利用SolidWorks軟件進(jìn)行三維建模，結(jié)合PLC控制技術(shù)，對其運行過程進(jìn)行分析，確保控制系統(tǒng)的合理性，從而實現(xiàn)以自動化的方式進(jìn)行排管，不僅減少勞動力，也提高了工作效率。

1 自動排管裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 地面自動排管裝置的結(jié)構(gòu)

地面自動排管裝置如圖1所示。地面自動排管裝置安裝在動力貓道的排管架旁側(cè)，主要由皮帶輸送機和升降架兩部分組成[3]。排入鉆桿時，鉆桿的初始狀態(tài)是依次排列放置于皮帶輸送機上，排出鉆桿時，鉆桿放置于排管架上。

圖1 地面自動排管裝置結(jié)構(gòu)圖

圖中兩個皮帶輸送機和兩個升降架對稱放置，其高度與動力貓道的排管架高度保持一致。皮帶輸送機前端通過耳板與升降架連接，皮帶輸送機的驅(qū)動輪軸上安裝有鏈輪，通過鏈傳動，使得皮帶輸送機運行[4]，其驅(qū)動方式為電機驅(qū)動。升降架的驅(qū)動方式為液壓驅(qū)動，其下方安裝有液壓缸。兩個擋銷對稱安裝在升降架的側(cè)面，通過液壓驅(qū)動，擋銷實現(xiàn)伸出與縮回。

1.2 自動排管裝置的工作原理

地面自動排管系統(tǒng)可實現(xiàn)的功能有：①將鉆桿排入到動力貓道的排管架上；②將動力貓道的排管架上的鉆桿排出來。

排入鉆桿：電機正轉(zhuǎn)，其輸出軸帶動鏈輪轉(zhuǎn)動，皮帶輸送機開始運送鉆桿至升降架上。由于自動排管裝置的高度與排管架高度一致，所以當(dāng)鉆桿通過皮帶輸送機傳送到升降架上時，鉆桿會依靠慣性，經(jīng)過升降架從而滾至排管架上。當(dāng)不需要再排入鉆桿時，擋銷伸出，隨之電機停止轉(zhuǎn)動。

排出鉆桿：擋銷液壓缸縮回，擋銷也縮回。電機反轉(zhuǎn)，其輸出軸帶動鏈輪反轉(zhuǎn)，使得皮帶輸送機反轉(zhuǎn)。此時，升降架液壓缸升起，升降架具有一定傾角，將排管架上的鉆桿排出。鉆桿沿著升降架的傾斜面滾至皮帶輸送機上，通過皮帶傳送將鉆桿全部送回至原位，升降架運送完鉆桿后下降，回到初始狀態(tài)。在皮帶輸送機的后端安裝有接近傳感器，當(dāng)鉆桿排滿皮帶輸送機時，接近傳感器便會檢測到信號，電機停止運轉(zhuǎn)，從而防止鉆桿滑落，并完成排鉆。

2 地面自動排管的控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 自動排管系統(tǒng)PLC的控制原理

PLC控制原理如圖2所示。

圖2 控制原理圖

該系統(tǒng)由遙控器進(jìn)行操作，遙控發(fā)射器給出動作信號，遙控接收器收到信號，在遙控器與CPU模塊之間建立MODBUS通訊協(xié)議，通過TP接口將信號傳送給CPU，接近傳感器所感應(yīng)到的信號也會傳送至CPU中，經(jīng)過CPU內(nèi)部的信息處理，最終從DO模塊和AO模塊分別輸出數(shù)字量與模擬量[5]。數(shù)字量是斷續(xù)性變化的一串?dāng)?shù)字信號，可通過DO模塊輸出，給液壓閥信號，此時，電磁閥線圈得電，油路導(dǎo)通，液壓缸開始動作，隨之相應(yīng)的機構(gòu)開始動作。電機從啟動到平穩(wěn)運行需要一定的速度變化，而模擬量是連續(xù)性變化的一串?dāng)?shù)字信號，所以通過AO模塊輸出模擬量給變頻器，變頻器調(diào)整輸出的電壓和頻率，最后傳送至電機，電機開始運行，隨之皮帶輸送機開始運行。

2.2 PLC的選型及I/O點數(shù)分配

根據(jù)地面自動排管系統(tǒng)所實現(xiàn)的功能及要求，選出適合此系統(tǒng)的PLC型號。由于本系統(tǒng)是通過遙控器進(jìn)行的無線操控，所以僅需要一個輸入信號，輸出信號有12個。所需點數(shù)較少，可選擇西門子200SMART PLC進(jìn)行控制[6]。由于本系統(tǒng)有模擬量的輸出，所以需要擴展一個AO模塊，數(shù)字量的輸出信號有8個，所以可選CPU中點數(shù)最少的，即20個點數(shù)。最終選用S7-200SMART的CPU以及一個AO模塊，其中CPU型號為ST20。

I/O分配表如表1所列。

表1 I/O點數(shù)分配表

3 皮帶輸送機的運行控制

3.1 電機的選型計算

現(xiàn)場鉆桿規(guī)格為5寸，質(zhì)量為225 kg。

驅(qū)動扭矩的計算公式如下：

F=kFn

(1)

T=FR

(2)

式中：F為傳動帶拉力，N；k為摩擦系數(shù)；Fn為壓力，N；T為驅(qū)動扭矩，N·m；R為驅(qū)動輪半徑，m。

其中：皮帶與鉆桿之間的摩擦系數(shù)k=0.4，F(xiàn)n=2 250 N，由此可得傳動帶拉力F=900 N，驅(qū)動輪半徑R為0.2 m，將式(1)帶到式(2)中，可得驅(qū)動扭矩T=180 N·m。

電機功率的計算公式如下：

n輪=V/D

(3)

i=n輪/n電

(4)

P=T·n電/9550

(5)

式中：n輪為驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速，r/s；V為傳送速度，m/s；D為驅(qū)動輪周長，m；i為傳動比；n電為電機轉(zhuǎn)速；P為電機功率，kW。

其中：傳送速度V=0.5 m/s，驅(qū)動輪周長D=1.256 m，得出驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速n輪=24 r/min。傳動比i=5，由公式(4)可得電機轉(zhuǎn)速n電=120 r/min，最后由公式(5)計算得出電機功率P=2.26 kW，可選擇電機型號為R47DRE100LC4，額定功率為3 kW轉(zhuǎn)速為160 r/min。

3.3 電機同步運行的方法

在本設(shè)計中，兩個皮帶輸送機的同步運轉(zhuǎn)極為重要。鉆桿重量較大，若是驅(qū)動兩個皮帶輸送機的電機沒有同步轉(zhuǎn)動，很容易發(fā)生鉆桿滑落，對設(shè)備造成一定的沖擊[7]。同步運行原理如圖3所示。

圖3 同步運行原理圖

因此提出以下控制方法：將PLC模擬量輸出端口與變頻器的模擬量輸入端口連接，從而控制變頻器的輸出頻率。PLC給兩個變頻器同一個輸入信號輸入至VR，Vf1為左變頻器的反饋值，Vf2為右變頻器的反饋值，兩個變頻器的反饋值通過數(shù)據(jù)處理，可以得到兩個反饋值的差值，再將此差值輸送到右變頻器的VF端口，根據(jù)變頻器模擬量給定的疊加功能，右變頻器的輸出頻率為VR和VF的疊加，從而左右變頻器的輸出一致，保證了電機運轉(zhuǎn)的同步性[8-9]。

此方法將數(shù)據(jù)反饋回來，對數(shù)據(jù)進(jìn)行運算處理，消除誤差，從而達(dá)到同步性。其操作簡單，應(yīng)用廣泛，完全可以保證兩個電機運行的同步性。

4 結(jié) 語

此項研究運用PLC控制技術(shù)，設(shè)計了一種地面自動排管系統(tǒng)。在PLC程序的控制下，使用遙控器進(jìn)行操作，以電液結(jié)合的驅(qū)動方式完成了排入、排出鉆桿的動作。對皮帶輸送機運行的控制進(jìn)行了分析研究，以保證系統(tǒng)排管的穩(wěn)定性。通過對200SMART ST20 CPU的信號輸出測試，地面自動排管PLC控制系統(tǒng)的合理性得到了驗證。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作便捷，控制方案符合工作要求，實現(xiàn)了以自動化方式進(jìn)行排管，提高了地面排管的工作效率。