基于PLVC的铁钻工控制系统设计

杜明甫

(湖北江汉石油仪器仪表股份公司，武汉 437400)①



基于PLVC的铁钻工控制系统设计

杜明甫

(湖北江汉石油仪器仪表股份公司，武汉 437400)①

在自动化钻/修井生产中，铁钻工是目前最先进的变转矩旋扣设备，可完成管柱上/卸扣工作，提高钻/修井生产效率与安全性，是现代化钻/修井生产中重要的自动化设备之一。介绍了在铁钻工控制系统中引入PLVC阀用可编程控制器的设计。对比以继电器逻辑控制电路或通用PLC为核心的控制系统，以PLVC阀用可编程控制器为核心的控制系统具有可靠性高、响应速度快、控制精度高和自动化程度高等特点，同时系统电器连接大为简化。

铁钻工；PLVC；控制系统

铁钻工是自动化石油钻/修井生产中钻/修井机的配套设备，广泛应用于海洋、陆地钻井、修井作业上卸管柱螺纹，是液压大钳的升级产品。目前国外的主要石油设备厂商已开发出几代铁钻工产品，实现了电液自动控制；国内对铁钻工的研制已初具规模，少量设备已应用于陆地、海洋钻井平台。国内各大油田仍然大量使用液压大钳，其自动化程度低，一线工人劳动强度大。为提高工作效率，降低工人劳动强度，实现自动化钻/修井生产，研制自动化程度较高的铁钻工具有十分重要的意义[1]。本文主要介绍了在铁钻工引入PLVC阀用可编程控制器设计电控系统，使铁钻工具备遥控、开关远程控制和触摸屏/第三方PLC控制功能，用户可根据需要灵活配置。

1　总体结构

该型铁钻工电控系统主要由PLVC阀用可编程控制器、比例多路换向阀、压力与位置传感器、定位编码器、远程控制台、遥控器、触摸屏以及防爆电源系统组成。PLVC阀用可编程控制器是铁钻工系统的控制核心，接收控制命令并根据定位限位传感器、压力传感器的采集结果输出相应控制指令；比例多路换向阀是电液转换执行机构，将电控信号转化为液压控制输出，驱动铁钻工动作[2]；定位编码器用于铁钻工工作位置/待机位置的二维定位[3]；压力与位置传感器用于采集相关液压与位置信号；远程控制台、遥控器、触摸屏是铁钻工操作端；防爆电源系统为铁钻工电控系统供电。系统原理如图1所示。

图1　铁钻工电控系统原理

2　硬件设计

2.1PLVC阀用可编程控制器

PLVC阀用可编程控制器及其扩展模块是系统电控核心。该系统选用德国哈威PLVC基础模块构建控制核心，由PLVC基础模块与CANIO14扩展模块组成，基础模块与扩展模块间以CAN总线连接。控制器为专用阀控可编程控制器，其特点为：①可输出IPWM和PWM信号直接控制比例多路控制阀，无需为比例控制动作配置专用放大板；②配置的DI/DO可根据需要编程改变其属性，将DO转变为DI，反之亦可，资源配置极其灵活；③通讯适应能力强，控制器配置有通用CAN和PROFIBUS总线，便于系统电气扩展和与钻/修井机集成控制；④控制器工作温度-40～80 ℃，满足国内钻井环境要求。

2.2比例多路换向阀组

比例多路换向阀组是系统电液控制转换核心，选用德国哈威的PSL比例阀组，其电器特点为：①电源适应性好，供电范围10～32 V DC；②启动电流小，响应速度快，可实现执行机构精准定位；③体积小巧且组合安装，便于集成控制；④本体防爆设计，无需另作防爆处理。

2.3信号采集系统

信号采集系统是系统对设备运行状态的监测元件，包括压力传感器和位移传感器。位移传感器包括油缸位移监测用的磁伸缩传感器、设备旋转和伸缩位置监测用的磁编码器。传感器信号统一为4～20 mA电流信号，编码器信号采用CAN总线传输，抗干扰能力强。

2.4操作端

操作端包括远程控制台/司钻操作台、遥控器和第三方触屏操作端，是系统命令发生单元，配备与功能相匹配的开关/命令组、数显表和指示灯。远程控制台/司钻操作台发送命令至PLVC/第三方PLC，PLVC根据DI接受命令或通过PROFIBUS总线接受第三方PLC转发的命令控制设备动作；遥控器命令信号通过接收模块连接CAN总线发送至PLVC；触屏操作端命令由第三方PLC通过PROFIBUS总线发送至PLVC。同时，系统可根据需要将铁钻工运行状态监测参数通过PROFIBUS总线发送至第三方PLC，便于用户监测和编程。

3　软件设计

铁钻工动作包括：旋转动作，伸缩动作，钳体升降动作，旋扣器升降动作，张夹动作(3路，主钳、背钳与旋扣器张夹)，主钳旋转动作，旋扣器旋转动作。

系统软件主要有初始化程序段、旋转定位程序段、伸缩定位程序段、旋扣器上/卸扣程序段、主钳紧/松扣程序段；其他辅助程序主要有系统自检程序、位置刻度程序和信号采集/传输程序，辅助程序的作用为设置铁钻工各工位定位位置(旋转和伸缩)、主钳中位和左右极限位置、钻杆接头高度等运行相关参数，均采用命令按钮发送命令后PLVC保存相关传感器/编码器当前采集值的模式进行。

3.1初始化程序流程

初始化程序流程如图2所示。

初始化程序中的系统自检包括系统压力、液压比例阀连接及铁钻工运动限制条件等设备状态检测；其中p_set为固定值，其取值在油缸最小运行压力与系统最大压力之间。

图2　初始化程序流程

3.2伸缩定位程序流程

伸缩定位程序流程如图3所示。缩回定位与伸出定位程序流程基本相同，差别在于缩回位置唯一，伸出位置在井口工位与鼠洞工位不同。在设备停止于接近定位位置时启动伸出程序，由于比例调速输出的运行速度很低，比例阀开度很小，伸出动作难以启动，需要根据伸出动作启动时间与伸出量间的变化关系将比例阀开度临时增大，在伸出动作启动后恢复比例调速[4]。经试验证明，临时增大比例阀开度能有效解决伸缩动作慢速启动问题，不会影响设备定位精度。

图3　伸缩定位程序流程

3.3旋转定位程序流程

旋转定位程序流程如图4所示。旋转定位程序的主要功能是将铁钻工工作机构准确旋转对准设定工位方向[5]。为避免设备旋转对钻/修井机台面设备与人员造成意外伤害，设备旋转动作必须在伸缩臂收回到位后进行。

图4　旋转定位程序流程

3.4旋扣器工作程序流程

旋扣器工作程序分为上扣、卸扣和停止程序，其中在停止程序的同时进行旋扣器停转、背钳和旋扣器张开动作，至系统压力>p_set结束。如图5。

图5　旋扣器控制程序流程

图5中p_set为固定值，其取值在油缸最小运行压力与系统最大压力之间，p1_set为最小钳口工作压力，p2_set为最小旋扣器工作压力，卸扣时间t1调节范围4～30 s，旋扣器工作前需根据管柱扣型设定。

3.5主钳工作程序流程

主钳工作程序分为紧扣、松扣和停止程序，如图6。其中p3_set为最小钳口工作压力。紧扣过程中如果设定转矩在主钳极限位置到达，则该转矩可能是由于转矩油缸到达极限位置所产生的的虚假转矩，不一定是作用于管柱的真实转矩，为保证管柱可靠上紧，故应再次重复紧扣。重复紧扣次数限制为3次，避免管柱螺纹过度损伤管柱。

对于类似于钻杆的梯形螺纹管柱，松扣程序流程如图6b所示，松扣1次即可保证旋扣器快速卸开管柱连接，但是对于类似油管的细牙螺纹管柱(修井工况)，特别是老旧管柱的管扣锈蚀比较严重，为保证顺利卸开管柱连接，在主钳松扣极限位置到达后，增加卸扣次数计数判断、主钳张开和主钳回中位动作，主钳回中位后重复卸扣过程直至计数达到预设次数，结束主钳松扣动作。

图6　主钳控制程序流程

主钳停止程序的同时进行主钳停转、背钳和主钳张开动作，至系统压力>p_set进行主钳回中位动作，主钳中位到达后结束动作。

4　结语

该铁钻工控制系统已配套多台套钻/修井机，作业多井次。试验结果表明，铁钻工工作面二维定位控制误差小于2 mm，运行快速平稳，上/卸扣作业安全可靠，操作简单，是液压大钳的最佳升级替代产品。

[1]王周新，赵启兰.E-3000型电动钻机技术改造及效益分析[J].石油矿场机械，2000，29(6)，47-49.

[2]路甬祥，胡大綋.电液比例控制技术[M].北京：机械工业出版社，1988.

[3]高继念，蔚长春.电液控制技术及其应用[M].北京：石油工业出版社，1993.

[4]关景泰.机电液控制技术[M].上海：同济大学出版社，2003.

[5]电液比例技术与电液闭环比例技术的理论与应用[R].BOSCH，1997.

Design of Iron Roughneck Control System Based on PLVC

DU Mingfu

(Hubei Jianghan Petroleum Instrument & Meter Co.，Ltd.，Wuhan 437400，China)

In the process of automatic drilling / workover production，Iron roughneck is at present the most advanced variable torque spinning equipment，which can complete make-up/break-out work of drilling string and improve the production efficiency and safety of drilling and workover operation.It is one of the most important automatic equipment in modern drilling / workover production.The paper mainly demonstrates the design of programmable logic valve controller (PLVC) introduced in the iron roughneck control system，and compares it with the control system with relay logic control circuit or general PLC as the core.The control system based on PLVC is characterized by high reliability，fast response，and high control precision and automation level as well as simple system electrical connections.

iron roughneck；PLVC；control system

1001-3482(2016)10-0029-04

2016-04-29

杜明甫(1976-)，男，湖北咸宁人，现从事石油仪器仪表的控制系统与软件设计工作，E-mail：dmf@hbjpim.com。

TE921.9

Bdoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.10.007