電液復合式二層臺排管裝置電控系統研制

孔永超 楊雙業 孟慶濱 夏 輝 李正博 冉 洋

(1.寶雞石油機械有限責任公司 2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司 3.山東祺龍海洋石油鋼管股份有限公司)

0 引 言

在傳統機械鉆機起、下鉆作業中，需要井架工、鉆臺工、司鉆相互配合將立根從立根臺運送至井口，或將立根從井口運送至立根臺。隨著井眼不斷加深，清理井壁鉆屑、更換鉆具、排查井下故障等作業促使起、下鉆愈發頻繁，作業期間因溝通不暢或操作失誤都有可能引發安全事故[1-3]。隨著工業自動化的快速發展，在石油鉆井領域涌現出一批機械自動化設備，譬如動力貓道、鐵鉆工、二層臺機械手等，這些設備的引入大幅度減輕了井隊人員的作業強度。

用機械化裝備代替人力，采用新技術提高生產效率、降低生產成本[4-6]是鉆機發展的必然趨勢。國內近幾年掀起了使用鉆井自動化設備的浪潮，其中二層臺排管裝置因其環境適應性強、作業效率高、安全性好，可替代井架工完成高空管柱排放作業，受到油田用戶的青睞，國內外鉆井設備制造商紛紛研制出了形式各異的二層臺排管裝置。

NOV公司研制的STV自動排管系統[7]采用電液控方式可扶持外徑88.9～254 mm的油管、鉆桿、鉆鋌立根在井口與指梁間移動，設備配套的2個攝像頭可輔助井架工在司鉆房遠程控制。Weatherford公司研制的Iron Derrickman[8]機械手懸掛于二層臺下方，具有上下2個鉗頭，可夾持立根實現立根的豎直移動；該機械手采用全液壓驅動，通過極坐標復合運動完成立根的排放，具有效率高、運行平穩等特點。Aker Kvaerner MH公司研制的雙臂系統[9]由上機械臂(URA)和中間機械臂(IRA)組成，上下配合完成管柱排放；IRA結構與URA結構類似，但鉗頭裝在一個5.48 m長的導軌上，用于提升立根時進行垂直引導；URA和IRA均具有行走、伸縮、旋轉功能，旋轉角度為-90°～90°，伸縮最大速度為0.45 m/s，行走最大速度為0.5 m/s；雙臂系統最多可完成420柱鉆桿立根和14柱鉆鋌立根的排放。

國外的二層臺排管裝置大多適用于海洋平臺，使用液壓驅動。對于陸地鉆井而言，存在移植困難、成本高、維護不便、易造成環境污染等問題。因此國內針對陸地鉆機的特殊要求也研制出了一系列二層臺排管裝置。

杰瑞裝備研制的推服式二層臺排管裝置[10]，可排放?114.3～?177.8 mm的管柱立根。系統采用全電驅動實現滑移、旋轉、伸縮三軸運動，全程配備可視化監控系統，可實現二層臺無人化作業。三一集團研制的高空折臂式Z70RP280智能排管機械手[11]配套于7 000 m鉆機，能適應管徑88.9～254.0 mm管柱排放；二層臺采用片彈簧緩沖鉆桿出入指梁，每行指梁配套一個指梁鎖，指梁鎖采用電推桿控制，系統支持手動、自動操作。寶雞石油機械有限責任公司2017年研制了首套全電動二層臺排管手[12-13]，適應直徑73.0～203.2 mm的管柱，可完全替代人工實現管柱立根的扶持排放；電控系統基于CoDeSys和PORTAL平臺開發，可自主規劃運動軌跡并完成速度自調節，控制精度達到2 mm，運行周期低于43 s；全伺服系統杜絕了以往液壓油的跑冒滴漏問題，降低了維護和運輸成本。

隨著工業技術的不斷革新以及鉆探公司對自動化設備在效率、安全、環保等方面的要求不斷提升，亟需研制一款智能二層臺排管裝置以適應市場發展需求。

1 技術分析

1.1 系統結構及功能

寶雞石油機械有限責任公司研制的二層臺排管裝置主要由排管機械手和動力指梁組成，可滿足鉆桿、鉆鋌立根的排放，其機械結構如圖1所示。二層臺排管裝置通常用在鉆井過程中建立根、起、下鉆等作業中，它和游吊系統配合完成立根的排放。排管機械手有2種工作模式：在鉆鋌立根排放時使用扶持模式，通常與地面扶管機械手配合將鉆鋌立根送入吊卡或從吊卡扶進指梁；在鉆桿立根排放時使用懸持模式，從地面抓起鉆桿立根送入吊卡或從吊卡抓取鉆桿立根送入指梁。

1—滑車；2—旋轉機構；3—擺臂；4—扶持鉗；5—傾斜臂；6—夾持鉗。

1.2 系統技術特點

(1)主執行機構采用伺服電機驅動，控制精度高、響應速度快。

(2)液缸配備蓄能器確保在斷電斷液的情況下，可靠夾持管柱保障安全作業。

(3)采用idriller?集成控制系統遠程操作，司鉆房低位操作減輕勞動強度。

(4)多重安全保護機制加持，確保設備安全運行。

2 電控系統硬件設計

2.1 控制對象

為了完成立根的豎直排放與精準定位，對擺臂、傾斜臂、滑車、旋轉機構等執行要求較高機構采用伺服電機驅動，確保控制機構具有高響應速度的同時，能夠精準定位；夾持鉗和伸縮臂采用液壓驅動，保證機構運行平穩，同時具有大扭矩夾持力；為了滿足散熱和空間安裝尺寸要求，將運動控制箱和驅動控制箱分離設計，并在箱內配備冷卻風機，當系統運行溫度高于報警值時，自動開啟，以避免溫度過高引發的故障。

2.2 硬件系統架構

整個電控系統網絡拓撲如圖2所示。采用星型網絡拓撲結構，對設備進行統一管控，各子單元部件之間通過PN網絡互聯，以確保系統具有高動態響應能力。二層臺運動控制器采用西門子S7系列CPU實現工藝對象控制，指梁遠程IO模塊作為運動控制器的子站，負責指梁擋桿控制和狀態檢測。變頻器包括整流和逆變部分，與伺服控制單元建立連接以控制伺服電機的運行。機械手配備了攝像頭，司鉆通過監控畫面觀察設備的運行狀況。idriller?集成控制系統是一個人機交互的數據共享系統，其與運動控制器實時通信，從而實現對二層臺排管裝置的整體管控。

圖2 二層臺排管裝置系統網絡圖Fig.2 Network diagram of the monkey-board pipe racking system

電控系統由PLC系統和伺服系統組成，PLC系統電氣原理如圖3所示。該系統主要包括傳感器單元、運動控制箱、液壓系統。傳感器單元包括檢測執行機構是否到位的限位信號、檢測執行機構長度的位移信號、檢測有無管柱的管柱檢測信號等。傳感器單元通過信號線將檢測信號傳遞到信號隔離模塊，信號隔離模塊完成采集數據的預處理，再將信號發送至運動控制器，運動控制器完成信號深處理及邏輯運算后將執行結果輸出至液壓系統，控制液壓機構動作。

圖3 PLC系統電氣原理圖Fig.3 Electrical schematic diagram of the PLC system

伺服系統電氣原理如圖4所示。該系統完成頻率轉換及功率分配，實現伺服電機的位置/速度控制。配電單元為系統提供動力電源，電源隔離裝置包括進線濾波器和進線電抗器，進線濾波器能夠提升功率模塊的抗無線電干擾能力，進線電抗器通過減少電流諧波可以降低整流器中的功率部件及直流母線電容上的熱負載，并且減小對電網的諧波影響。整流模塊將電網交流電能轉化到直流母排上，然后傳遞到電機模塊上，整流模塊配套的能耗制動模塊用于在高轉動慣量轉動的負載制動時將產生的能量轉化為熱能并消耗掉。伺服控制單元是伺服系統的中央控制模塊，其與運動控制器通過PN網絡實現對驅動軸的轉速、轉矩控制。電機模塊是逆變器，為已連接的電機提供交流電，它從直流母線中為相連的電機提供配套的電壓和可變頻率，電機模塊和伺服電機之間通過功率電纜和信號電纜連接，電機的轉速、扭矩及位置等信號通過信號電纜傳輸至電機模塊。

圖4 伺服系統電氣原理圖Fig.4 Electrical schematic diagram of the servo system

3 軟件設計

3.1 工作原理

基于運動控制器和伺服控制器實現二層臺排管裝置的一體化控制，執行過程主要有2種：一種是送管操作，即將立根盒內的鉆具移運到井口中心交給吊卡或將鉆桿立根移運到中間鼠洞交給提管機械手；另一種是排管操作，即從井口中心吊卡處抓取鉆具立根或從中間鼠洞抓取鉆桿立根移運到立根盒內。

參照圖5所示鉆具排布示意圖，可進行送/排管過程輔助說明。送管流程：排管手運行到目標管柱指梁位，抓取立根后返回到指梁口，然后運行至待命位，當游車到達交接高度后，排管手去井口中心完成管柱交接；排管流程：排管手在待命位等待，當游車提升立根到達交接位后，排管手去井口中心完成管柱交接，然后運行至目標指梁管柱排放位后，釋放管柱。

圖5 二層臺鉆具排布示意圖Fig.5 Layout of pipes on the monkey-board

3.2 控制程序設計

二層臺排管裝置系統軟件基于TIA平臺開發，采用模塊化編程方法對排管手、指梁等機構進行程序設計。具體設計步驟如下：

(1)對傳感器數據、操作數據、工藝數據等信號進行數據處理，形成結構化、半結構化數據存儲到數據庫中。

(2)實現擺臂、傾斜臂、伸縮臂、滑車、旋轉機構等機構的運行軌跡規劃、空間位置解算、多軸復合聯動等功能，最終完成送/排管的自動過程控制。

(3)進行驅動機構的輸出控制，完成伺服機構和液壓部件的動作執行任務。

二層臺排管裝置軟件控制流程如圖6所示。系統設有手動、自動操作模式。自動模式按照起、下鉆作業工藝流程而設計了起鉆自動流程和下鉆自動流程，操作人員只需按下“確認”鍵，系統將按照規劃好的作業流程自動執行，手動模式用于機構的微調整。

圖6 二層臺排管裝置軟件控制流程圖Fig.6 Software control workflow of the monkey-board pipe racking device

在操作過程中若發現有異常情況，人為可介入觸發中斷，設備立即停止運行，待異常情況解除后，可繼續執行后續流程，該操作模式極大降低了操作人員的操作難度。

人機界面如圖7所示。圖7的可視化人機界面展示了設備運行操作的關鍵信息，使設備運行過程可觀可控。人機界面還可主動向司鉆推送故障信息，包括故障原因及推薦處理措施，從而降低了現場故障排查難度。

圖7 二層臺排管裝置人機界面Fig.7 HMI of the monkey-board pipe racking device

3.3 安全功能設計

二層臺排管裝置安裝在井架高位區域，存在運行空間小、限制條件多、檢修不便等問題，因此必須全面考慮系統安全。為實現系統可靠的安全機制，軟件上重點梳理了如表1所示的二層臺排管裝置主要的安全保護機制，對每一種風險都開發了相應的保護程序，通過現場重復性驗證進行優化完善，進而提升設備現場使用安全性。

表1 二層臺排管裝置主要安全保護機制Table 1 Main safety protection mechanisms of the monkey-board pipe racking device

4 應用情況

目前該類型產品已在國內外多個油田進行了應用。2021年開始進行工業性試驗，2022年在國家級某頁巖油重點項目上配套該產品進行作業，2023年在非洲某油氣勘探井上配套了該產品進行作業。到目前為止，在役設備均運行正常。現場應用結果表明：電控系統硬件設計合理，系統響應時間短于1 s，定位精度小于1 mm，排管手從待命位到達井口完成管柱交接并返回，用時不大于34 s，該產品各項技術指標均滿足油田現場作業要求，具有較高推廣價值。

5 結 論

(1)寶雞石油機械有限責任公司研制的二層臺排管裝置采用電、液復合控制方式，使系統在響應速度、控制精度、安全性、時效性等方面能夠良好滿足現場使用要求。

(2)油田現場應用結果表明：二層臺排管裝置電控系統在網絡架構、信號隔離、功率分配、電機選型等硬件設計上合理可靠；控制箱滿足高溫、防水、防腐等戶外環境使用要求，對外電氣連接全部使用接插件，以滿足現場快速拆裝需要。

(3)在界面布局、操作模式、運行效率、安全保護、故障排查等軟件設計上功能完善易于使用，整個裝置的使用徹底解放了二層臺井架工這種高風險工種，實現了二層臺無人化、自動化作業。