基于SIMATIC T-CPU垂直排管机控制系统的应用

田德宝，张鹏飞，张强，何庆，罗磊，王议（宝鸡石油机械有限责任公司国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721002）

基于SIMATIC T-CPU垂直排管机控制系统的应用

田德宝，张鹏飞，张强，何庆，罗磊，王议（宝鸡石油机械有限责任公司国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721002）

根据海洋钻井平台自动排放工艺特点，以垂直排管机为研究对象，采用以西门子公司SIMATIC T-CPU为核心的控制器，通过西门子公司的分布式I/O PROFIBUS-DP总线接口模块IM174和液压伺服系统搭建了运动控制系统，运用SIMATIC T-CPU强大的运动控制功能，借助SIMATIC Tehnology进行运动控制。经实践检验，这种方案简单易行，可以实现垂直排管机控制功能。

垂直排管机；SIMATIC T-CPU；IM174模块；SIMATIC Tehnology Abstract: According to the automatic discharge process characteristics of the offshore drilling platform, taking the vertical Pipe handing as the research object, we used the SIMATIC T-CPU as the core controller, and the Siemens distributed I/ O PROFIBUS-DP bus interface module IM174 and the hydraulic servo system as the motion control system. In addition, we used the SIMATIC T-CPU strong motion control functions with the SIMATIC technology for motion control. The practical test demonstrated that the scheme is simple and easy to implement, and can achieve the control function of the vertical Pipe handing.

海洋钻井平台作业自动化操作的关键是各类管件（包括钻杆、钻铤等）的自动排放，钻杆自动排放系统可以实现钻杆从甲板排放架到井口、到指梁之间往复自动化排放，垂直排管机是钻杆自动排放系统的一个重要组成部分。主要用于在井口与指梁之间往返移送钻杆立根操作，可与动力辅助鼠洞、铁钻工和猫道配合完成离线单根接立根操作。其特点是具有危险性；是一个重复性高而劳动强度大的过程，要多人合作共同完成。在海上钻井作业中，常遇到风浪，工作环境恶劣，安全问题更为突出。同时，海上钻井成本高，加快钻井速度，缩短钻井周期显得尤为重要[1]。

作为一种典型的电液控制系统，其控制对象多，控制难度较大，并且对同步控制要求较高。结合生产实际，本文介绍一种基于SIEMENS SIMATIC T-CPU运动控制的垂直排管机电气控制系统，充分利用其同步控制功能，控制线路简单，安全可靠，系统智能化程度较高，在很大程度上提高了钻井作业生产率。

1 系统概述

钻杆排放系统由垂直排管机、指梁组成，垂直排管机的主要功能是完成钻杆运送排放工作，指梁则是完成立根的存放。

垂直排管机由主臂、立柱、尾臂、吊卡、提升绞车、上部小车、下部小车及上、下小车轨道组成。垂直排管机为立柱结构，在立柱顶部和底部的轨道上各有1个直线行走驱动机构使其沿轨道水平移动，立柱底部的下驱动装置可以使立柱回转297°。主臂安装在立柱导轨上，通过安装在立柱底部的绞车提升驱动机构，可沿立柱上下运动，从而实现钻杆提升或下放，通过变幅机构可以改变作业范围，尾臂安装在立柱底部，相对立柱无垂直运动，通过以上的直线行走运动、回转运动及变幅运动的组合，垂直排管机作业范围可以覆盖井口、鼠洞及指梁位置[2]。

钻杆自动排放系统中，通过电液转换元件把控制系统进行功率放大，对液压执行机构进行方向、位置和速度控制。为实现垂直排管机各执行机构的位置与速度的伺服控制，需要多个位移传感器的实时监测，由于在执行机构上安装传感器不方便，传感器设计安装在液压马达轴或液压缸上。

2 硬件选型及设计

2.1 总体思路

垂直排管机工作在1区场合，在设计控制系统的硬件时，必须考虑防爆问题，采用防爆或隔爆的电气元器件，防止发生爆炸时危及控制系统。控制系统采用模块化设计思路，将垂直排管机控制系统分为若干个模块，电源模块、PLC模块、信号隔离模块、信号放大模块及执行元件。在控制系统的硬件设计过程中，可采用隔离安全栅将控制电路与本质安全电路隔开，将控制电路及所有的接线端子均放在隔爆箱内。

2.2 控制任务分析

根据对垂直排管机结构和功能的描述可知，它有八个液压轴——主臂、尾臂、绞车、旋转立柱、上部小车、下部小车、主臂倾斜头和尾臂倾斜头。主臂末端装有夹头用来夹持管子，尾臂末端装有导向头用于扶持管子，尾臂跟随主臂同步伸缩来运送管子；绞车提升和下降主臂；旋转立柱旋转使两臂指向目标；小车用来指梁内固定方向上移动排管机，以适应不同指梁行目标；液压轴通过比例阀来控制。

各个轴之间互相配合完成垂直排管机的所有动作。在实际工作过程中，上部驱动装置和下部驱动装置保持同步运行；主臂与挺杆在夹持管子时也要保持同步，并保持两臂伸出长度相同以保持管子竖直；两臂倾斜头在没夹持管子时与两臂同步运行，以保持两臂夹头水平。各液压轴的位移需要精准的控制，并且特定轴之间的运动需要耦合。

垂直排管机系统的执行元件有两种：液压马达和液压缸。其中，上部小车驱动装置和下部小车驱动装置是采用液压马达驱动的，其余的执行机构均是采用液压缸进行驱动。在液压系统中，液压马达需要通过调节液压阀的开度来调节液压马达的方向和转速，需要采用比例阀驱动液压马达，使阀的开度能够随输入电压的变化而发生变化。某些液压缸需要通过调节比例阀的开度来调节液压缸的伸缩速度，需要采用比例阀驱动液压马达，使阀的开度能够随输入电压的变化而发生变化。

2.3 控制器选型

根据对控制系统任务的分析，控制器考虑选择SIEMENS S7 CPU317T-2DP，它采用SIMOTION Kernel软件内核，通过集成在STEP7环境下的工艺软件包来配置和编程。集成的运动控制功能可以轻松地实现轴动作控制，通过凸轮盘以插值表或多项式的方式实现轴之间的同步耦合。通过PROFIBUS-DP(Drive)总线接口，采用先进的等时同步PROFIBUS DP模式，连接控制多种伺服驱动器、变频器，组成分布式的运动控制系统，DP总线的通讯实时性好。组态软件采用WinCC，功能强大，画面丰富，使用方便，完全可以实现本系统的控制功能[3][4]。

模拟量驱动接口模块采用西门子分布式I/O PROFIBUS模块IM174，最多支持4个轴[5]。编码器直接连接到IM174的X3、X4、X5、X6接口，通过通讯接口X1传递给CPU。X2是模拟量输出端口，用于控制比例阀。控制系统主要设备清单如表1所示，控制系统网络架构如图1所示。

表1 控制系统主要设备清单

图1 控制系统网络架构

3 软件实现

T-CPU的所有参数设置都可以在STEP7软件中集中完成，包

括硬件参数和软件参数，硬件参数设置是在STEP7软件的硬件组态中完成，而软件参数的设置主要是在安装了技术功能软件包的STEP7中的S7 T-Config中实现，它既可以单独运行，也可以集成在STEP7中统一调用，使用非常方便[6]。

和常规的S7-300CPU 一样，T-CPU的编程是在STEP7的OB，FB中实现的。调用运动控制模块是在左侧窗口栏“Labraries”的下拉菜单“S7-Tech”的“S7-Tech V4.1”中实现的。在这里可以调用单轴的供电模块（MC_power）、复位模块（MC_Reset）、回零模式（MC_Home）、停车模式（MC_ Halt）、绝对运动（MC_MoveAbsolute）、相对运动（MC_ MoveRelative）、附加运动（MC_MoveAdditve）、速度控制运动（MC_MoveVelocity）,根据实际情况，可以使用不同运动控制方式来实现不同的运动。手动模式程序流程图如图2所示，垂直排管机人机界面如图3所示。

图2 手动模式程序流程图

图3 垂直排管机人机界面

4 结束语

本文根据垂直排管机工艺特点设计了基于液压轴的控制系统，构建了以西门子T-CPU及IM174接口模块为基础的运动控制方案，实现了垂直排管管柱自动排放功能。该系统的成功应用，为后续的钻柱自动化智能装备带来了新思路。

[1] 刘文庆, 崔学政, 张富强. 钻杆自动排放系统的发展及典型结构[J]. 石油矿场机械, 2007, 36(11): 74 - 77.

[2] 何鸿. 钻井平台钻杆自动化排放系统方案设计[J]. 石油矿场机械, 2012, 41(9): 82 - 84.

[3] 西门子中国工业自动化与驱动集团. SIMATIC T - CPU功能说明及使用[DB/OL]. http://www2.ad.siemens.com.cn/download/html/2547.aspx.

[4] 西门子中国工业自动化与驱动集团. T - CPU用户指导手册[DB/OL]. http://www.ad.siemens.com.cn/products/as/somatic/download/T_CPU.pdf.

[5] 西门子中国工业自动化与驱动集团. 分布式I/O PROFIBUS模块IM174手册 [DB/OL]. http://support.automation.siemens.com /CN/llisapi.dll?func=cslib.c sinfo&lang=zh&siteid=cseus&objid=23910075

[6] 龚慧斌, 郑姗姗, 闻娟. 一种基于SIMATICT T - CPU的运动控制伺服系统设计[J]. 伺服及PLC控制系统, 2010, (1): 33 - 35.

Application of Vertical Pipe Handing Control System Based on SIMATIC T-CPU

Vertical pipe handing；SIMATIC T-CPU；IM174 module；SIMATIC Technology

B

1003-0492(2016)09-0076-03

TP271+.4

田德宝（1983-），男，河南南阳人，工程师，硕士，现主要从事石油装备设计及配套工作。