基于PLC的石油钻杆生产线物料输送系统

摘要：针对钻杆生产线中物料输送的特点和难点，设计了基于PLC的自动输送系统，介绍了系统的组成、工作流程。调试表明，该系统能够满足搬运物料的设计目的，对提高生产效率具有较高的应用价值。

关键词：石油钻杆；PLC；物料输送

引言

钻杆是进行地球物理勘探及开采石油广泛采用的重要工具。作为石油钻柱的主要组成部分，钻杆主要起传递扭矩、输送泥浆以及钻进作用。江苏曙光华阳钻具有限公司从1994年生产石油钻杆以来，专业生产API、DS-1以及NS-1的E75到S135钢级，外径从2 3/8″到6 5/8″的系列石油钻杆。钻杆一般由 9 米左右的无缝钢管，两端摩擦焊接工具接头组成，其生产工艺十分复杂。如图1所示。

图1钻杆焊接生产工艺流程图

钻杆生产线分为四个作业区：焊前加工、摩擦焊接、焊缝热处理、无损检测及辅助，各区独立完成功能，各区之间建立缓冲区储存上道工序的半成品，通过传感器建立互锁关系，将四个作业区连成自动化生产线。

生产线输送的物料是工具接头和钻杆管体。工具接头是按固定规则排列在定制料筐内，由搬运机器人为摩擦焊机供料。钻杆管体则依靠抓管机在厂内倒运，进入生产线后以斜台架传送为主，链条传送为辅，配合挡料器、拨料器、翻料器、平托机构等完成管体在各工序的流动。

1. 机械结构

生产线上的斜台架适用于钻杆不需要精确定位的场合，主要为上下工序提供缓冲区。翻料器给斜台架上的钻杆提供初始动能后依靠管体自身的势能滚动前进，V 型链条和步进梁依靠电机提供动力，挡料器、拨料器、翻料器依靠压缩空气带动汽缸运动。

V 型链条用于在移动中需要精确定位的场合，主要为配合机床和中频感应线圈自动化生产使用，选用重载型物料输送链条，链条节距 250mm，在链条的链板上连接 V 型块，用于支撑和固定钻杆。为增大钻杆与 V 型块之间的摩擦力，防止发生轴向滑动，链条的一侧曾加聚氨酯块。

步进梁有两处，分别设在端部链条和焊缝热处理链条前，用于钻杆从斜台架到链条之间的搬送衔接。步进梁前分别设有管端齐头装置和焊缝齐头装置，管端齐头装置是以钻杆端面为基准对齐，便于数控机床对定位后的钻杆进行自动加工。焊缝齐头装置是以摩擦焊后的钻杆焊缝为基准对齐，便于数控机床和加热线圈对焊缝进行自动加工。机械机构如图2 所示：

图2 机械机构示意图

2. 电气控制

根据工业现場特点及工艺控制要求，采用可编程控制器进行生产线的自动化控制。根据工艺区块进行控制区块的划分，各功能区能够独立工作，区块之间采用 I/O 信号和以太网通讯进行互锁控制和数据传递。各控制区块均采用三菱 Q02H 型 PLC（Programmable Logic Controller）作为控制平台，利用MELSECNET/H 网组成数字化网络结构，进行信息交换和动作控制。采用CC-LINGK 技术，同时处理控制和信息数据，通过简单的总线将传感器、操作按钮及执行机构信号等连接成设备层网络，简化了现场布线，提高了效率。

焊前加工控制区指原管输入台架到焊前缓冲区，主要控制设备有原管输入辊道、搬送台架装置、端面齐头装置、端部链条、1 号机床、1 号台车、2 号机床、2 号台车，与摩擦焊机的上料装置形成互锁关系，该区域电气控制结构如图3所示。

图3 电气控制结构图

摩擦焊接区域利用焊机的 PLC 作为主控 PLC，协调控制工业机器人、料筐转台、接头缓冲台架、管体上下料装置，同时利用焊机的工控机进行生产记录、参数设定、报警信息显示等工作。

焊缝热处理区设备众多、工艺复杂，它直接关系到产品质量和整个生产线的效率，是自动化控制的重点和难点。该区域需要控制的设备有搬送装置、焊缝齐头装置、退火装置、3 号机床、3 号台车、4 号机床、4 号台车、淬火装置、回火装置、链条搬送装置等。为了满足生产信息的管理和追踪，在该控制区域搭建了钻杆焊后质量管理软件。

无损检测及辅助区包括磁粉探伤设备、超声波探伤设备、成品搬送台架三部分。该区域以成品搬送台架为主 PLC，控制钻杆在该区域内的移动、称重、测长、喷标，协调磁粉探伤装置和超声波探伤装置工作。

3.结论

本文通过对钻杆生产线传统的物料输送系统进行智能化改造，在辅助时间大大缩短的情况下，为整条生产线高效运行奠定基础。调试表明，该系统能够满足搬运物料的设计目的，对提高生产效率具有较高的应用价值。

4.参考文献

［1］李建强.石油钻杆自动化生产技术及应用研究［D］. 华北电力大学，2011

[2] 王欣. 搬运机器人在钻杆生产线物料输送系统中的应用[J]工业仪表与自动化装置，2014.6

5.作者简介

王欣（1975- ）男，讲师，主要从事机电一体化教学和研究工作。