基于TTC 60的修井专用型自动猫道控制系统

李 勇

(中石化石油工程机械有限公司第四机械厂，湖北 荆州 434024)

基于TTC60的修井专用型自动猫道控制系统

李 勇

(中石化石油工程机械有限公司第四机械厂，湖北 荆州 434024)

针对目前国内各油田修井作业中管具上下钻台操作仍以人工作业为主，劳动强度大，管具的滚动特性很容易在移送过程中发生跌落、翻滚现象而导致操作人员受到人身伤害的问题，介绍了一种新型修井专用型自动猫道。重点阐述基于TTC 60的修井专用型自动猫道控制系统，完成了控制系统的整体结构设计，关键硬件选型，控制工作过程与软件流程图的设计。

控制系统 自动猫道 TTC 60 CAN总线 自动记忆

自动猫道系统是一种可用于将管具提升送至钻台或将钻台上管具下放、整齐排列的一种特殊设备。该系统能够安全、有效地处理管具，可选的远程无线控制功能可使操作人员远离钻台，避免了管具自行滚动可能造成的人员伤害风险。对于油田安全生产有着重要的意义[1]。目前，国内各油田修井作业中管具上下钻台操作仍以人工作业为主，劳动强度大，管具的滚动特性使其很容易在移送过程中发生跌落、翻滚现象而导致操作人员受伤。为此，中石化石油工程机械有限公司第四机械厂结合我国各油田作业的实际工况，研发了一款修井专用型动力猫道，替代传统的人工作业。笔者基于这款猫道开发了智能型动力猫道控制系统。

修井专用型自动猫道(以下简称自动猫道)由机械执行机构(图1)、液压使能机构和自动控制系统组成。

图1 自动猫道机械执行机构

机械结构在整个作业流程中执行以下动作：托盘翻转油缸伸缩可以使猫道三角托盘转向左、右管排架；管具翻转油缸伸出推动翻转结构将管排架上的管柱翻转到猫道三角托盘中；起升油缸伸出，推动猫道起升部分抬升到钻台面位置；猫道滑移油缸伸缩，推动三角托盘将管柱送至井口位置。

2 自动猫道控制系统分析与设计

自动猫道的液压使能系统主要由哈维多路电磁比例换向阀、溢流阀、节流阀和液压油缸组成。 根据自动猫道机械执行部分的工作工艺流程，设计如图2所示的自动猫道整体控制系统结构。

图2 自动猫道整体控制系统结构

TTC 60高速可编程逻辑控制器作为自动猫道控制系统的控制核心，实现数据采集、处理、逻辑控制和系统保护；人机交互界面HIM可以使用户自行设定各油缸的运行速度，并对采集数据进行实时监控，同时可动态演示猫道起升状态。

3 自动猫道控制系统关键硬件选型

自动猫道控制系统的控制核心选用TTC 60高速控制器，TTC 60采用XC2287(16bit总线、 32bit运算器)80MHz处理器，能满足数据处理和逻辑控制任务。它包含了两个CAN总线接口，1个RS232串口，可以在Codesys®2.3和C/C++编程环境下进行程序编制。此外，TTC 60包含了足够的I/O点、AI/AO和PWM输出通道，满足自动猫道控制系统控制工艺的要求，且具有很宽的环境温度适应范围(-60～80℃)，对我国这样一个地域面积宽广的国家有广泛的适应性。

为了方便监控自动猫道系统的运行状态参数，用户自行设定各油缸运行速度，采用瑞典北尔低温触摸屏，其使用温度在-30～70℃，适应范围广，具有良好的交互性。

为了实现减小猫道起升部分下落时的机械冲击，在起升部分安装倾角传感器，其测量范围为0～90°，误差范围为0.01；输出4～20mA标准模拟量信号，通过信号变化调整IPWM输出信号，使其保持线性减速，在起升部分到达水平位置时油缸速度减少到零，达到减少机械冲击的目的。

为了保持PWM信号的稳定性，选用CAN IO模块，两个CAN IO共有8个IPWM通道，正好满足自动猫道工艺要求，IPWM信号与PWM信号相比，具有电流信号反馈功能，CAN IO模块可根据其反馈信号来调整IPWM信号输出，确保比例电磁阀控制的稳定性。

4 自动猫道系统控制逻辑设计

自动猫道控制系统采用本地/遥控两种工作模式。

本地模式下有“手动/自动”两种选择：

a. 选择“手动”。工况选择，根据实际作业需求来选择相应的工况；“左右排”选择，选择动力猫道是从左管排架还是右管排架开始作业；按照相应的工艺流程逐个操作控制开关来完成整个作业工艺。

b. 选择“自动”。工况选择，根据实际作业需求来选择相应的工况；“左右排”选择，选择动力猫道是从左管排架还是右管排架开始作业；操作“下一步”瞬动开关，执行机构会按照PLC预先编制好的作业工序来逐步完成整个作业工艺，每一步完成后有相应的指示灯显示。

c. “自动”模式下选择“记忆”模式。分别按照“左排”“右排”自动流程工艺，操作每一步对应开关，将整个流程走完；“自动”模式下将选择开关从“记忆”模式切换到“释放”模式，程序将自动记录在“记忆”模式下各步骤所需时间，自动流程将按照此记忆时间来执行。

自动模式的整个工作流程如图3所示。

a. 钻杆上行

b. 钻杆下行

遥控模式时，在远程无线遥控器操作面板上按照相应的工艺流程逐个操作控制开关来完成整个作业工艺。

为了方便监控自动猫道系统的运行状态参数、故障状态并记录，选用北尔触摸屏作为自动猫道人机界面，人机界面共设计5个画面：主界面、参数设置面、时间设置、故障记录界面和状态监控界面(图4)。

图4 自动猫道的运行监控界面

5 结束语

经过厂内型式试验和油田工业试验，自动猫道能够较好地完成管柱上送下移工作，满足了油田现场降低工人劳动强度、减少作业安全风险、提高工作效率的需求。基于TTC 60高速控制器的自动猫道控制系统，能够按照自动猫道所要求的工艺过程，实现自动猫道机械装置各个动作环节的手动与自动模式逻辑控制功能，自动记忆功能使自动猫道可以适应不同高度井口平台，保证了自动猫道装置的适应性，用户可以方便地将该设备在不同的井口平台上使用。目前，该设备已在大庆油田现场使用十余套，效果良好，但需根据现场反馈对其做进一步的优化设计。

[1] 赵淑兰，李文彪，聂永晋，等.动力猫道技术国内外现状和发展趋势[J].石油矿场机械，2010，39(2)：13～15.

TH165+.2

B

1000-3932(2016)02-0203-03

2015-06-15(修改稿)