王宇翔, 王元忠, 蘆光榮, 夏立超

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司,甘肅 蘭州 730030)

基于S7-1200的全液壓動力貓道機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

王宇翔, 王元忠, 蘆光榮, 夏立超

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司,甘肅 蘭州 730030)

根據(jù)石油鉆機自動上下鉆具作業(yè)要求設(shè)計了貓道機自動控制系統(tǒng)，構(gòu)建了S7-1200 PLC與便攜式操作箱和工業(yè)監(jiān)控設(shè)定觸摸屏之間的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過數(shù)字液壓軸控制器實現(xiàn)了主動作液壓閥的精準控制，在此基礎(chǔ)上對阿托斯數(shù)字液壓軸控制器參數(shù)設(shè)定和貓道機自動運行過程進行闡述，編寫了主站PLC與觸摸屏的軟件程序，同時對監(jiān)控設(shè)定觸摸屏畫面組態(tài)進行說明。通過主站PLC和數(shù)字液壓軸控制器對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集分析處理，實現(xiàn)了鉆具快速、平穩(wěn)、自動上送至司鉆臺和下放的控制執(zhí)行功能。

貓道機；PLC和觸摸屏；控制系統(tǒng)；S7-1200；數(shù)字液壓軸控制器

0 引 言

動力貓道機是一種新型的液壓專用設(shè)備，主要用于石油鉆機鉆具排放和上下鉆臺的操作作業(yè)，屬于鉆機外圍配套的輔助設(shè)備。它主要由主機、液壓控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成。其中電氣控制系統(tǒng)主要包括電機啟動裝置、PLC控制系統(tǒng)、數(shù)字液壓軸控制器、安全聯(lián)鎖裝置和工業(yè)監(jiān)控設(shè)定觸摸屏，可實現(xiàn)鉆具上下鉆臺的自動控制。本系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線相結(jié)合的分布式控制結(jié)構(gòu)，利用主站CPU集成以太網(wǎng)接口連接工業(yè)監(jiān)控設(shè)定觸摸屏，并擴展PROFIBUS-DP總線接口模塊連接便攜式控制箱，實現(xiàn)遠程遙控。并通過觸摸屏輸入?yún)?shù)，可實現(xiàn)單動(點動)、半自動(單步動作)、自動(工作周期)三種操作方式，同時具有支撐臂位置、系統(tǒng)壓力、運行狀態(tài)顯示，光電安全保護、超溫超壓報警等功能。

1 主機結(jié)構(gòu)及工作原理

動力貓道機主要由六部分組成，分別為：運移臂、滑車、支撐臂、基座、鉆桿排放架、液壓站及控制臺，各部分之間靠銷軸鉸接在一起，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 動力貓道機結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖1所示，動力貓道機實現(xiàn)的動作主要分為上送鉆具至司鉆平臺和從司鉆平臺下放鉆具兩種。上送鉆具：進料側(cè)鉆桿排放架的支腿液壓缸伸出將排放架一端升起，鉆具在重力作用下，沿排放架的斜面向基座滾動。鉆具滾到排放架的限位銷處被擋住，此時翻轉(zhuǎn)液壓缸伸出，將靠近鉆具一端的撥板頂起，從而抬起鉆具，鉆具抬高到超過限位銷后，鉆具沿撥板的斜面滾到運移臂的V型槽滑道內(nèi)。安全銷液壓缸動作將安全銷伸出，主起升馬達轉(zhuǎn)動，拉動支撐臂，支撐臂將運移臂舉升。當運移臂達到起升限定位置時，滑車液壓馬達開始工作，驅(qū)動鏈輪轉(zhuǎn)動，帶動滑車推動鉆具繼續(xù)前進至井口，從而使吊卡卡住鉆具頂部，實現(xiàn)向鉆臺上運移鉆具。然后滑車復位，運移臂下降至基座。下放鉆具：下放鉆具時，吊卡將鉆具底部放入運移臂內(nèi)，鉆具底部與滑車接觸后，通過滑車引導鉆具進入運移臂的V型槽滑道內(nèi)，安全銷伸出。主起升馬達轉(zhuǎn)動，運移臂承載著鉆具及滑車一起下放至基座，安全銷收回。翻轉(zhuǎn)液壓缸開始工作，將鉆具推出運移臂的V型槽滑道。最后基座上的出料液壓缸工作，將鉆具推出貓道機至鉆桿排放架上，完成下放鉆具并排擺鉆具的工作[1]。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

根據(jù)動力貓道機鉆具排放和上下鉆臺的作業(yè)要求，動力貓道機各環(huán)節(jié)的動作通過液壓控制系統(tǒng)執(zhí)行，液壓系統(tǒng)主要包括：(1)主起升液壓馬達控制系統(tǒng)，(2)滑車液壓馬達控制系統(tǒng)，(3)左、右翻轉(zhuǎn)液壓缸控制系統(tǒng)，(4)左、右支腿液壓缸控制系統(tǒng)，(5)左、右側(cè)進料液壓缸控制系統(tǒng)，(6)左、右側(cè)出料液壓缸控制系統(tǒng)，(7)左、右安全液壓缸控制系統(tǒng)、(8)液壓站等部件組成，其中液壓站為它們提供和分配液壓動力[2]。為保證各液壓缸同步動作，除安全液壓缸外各液壓缸配有同步液壓馬達，以使在同一動作時不同液壓缸的伸出/縮回保持同步。液壓缸控制系統(tǒng)中的單向閥對液壓缸中的油液有阻斷保持功能，在相應動作完成或到達指定位置需保持時，其控制電磁閥可以斷電，以避免長時間帶電工作[3]。另外，在系統(tǒng)突然斷電時亦能使液壓缸保持在斷電之前的狀態(tài)，避免意外事故發(fā)生。液壓系統(tǒng)原理簡化示意如圖2所示。

圖2 液壓系統(tǒng)原理簡化圖

為實現(xiàn)動力貓道機液壓系統(tǒng)的控制功能，本系統(tǒng)選配西門子S7-1200系列PLC，中央處理單元采用CPU1214C，通過以太網(wǎng)接口實現(xiàn)與工業(yè)監(jiān)控設(shè)定觸摸屏KTP 400 Basic之間的數(shù)據(jù)通訊；并擴展CM1243-5工業(yè)總線接口模塊，通過 Profibus-DP總線完成與便攜式控制箱之間無線的通訊[4]。為實現(xiàn)動作的平穩(wěn)和精確控制，主起升和滑車液壓馬達采用數(shù)字控制技術(shù)[5]，由阿托斯數(shù)字液壓軸控制器Z-ME-KZ控制，該控制器由PLC的模擬量和開關(guān)量設(shè)定控制給定值，反饋值由液壓馬達的旋轉(zhuǎn)編碼器直接讀入。數(shù)字式軸控制器可以對直線或旋轉(zhuǎn)型液壓軸進行位置閉環(huán)控制，接收來自軸傳感器的位置反饋信號，并產(chǎn)生用于調(diào)節(jié)比例閥到執(zhí)行器的流量的參考信號[6]。控制系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)

貓道機由操作臺或便攜式控制箱發(fā)出指令，液壓站控制箱執(zhí)行并輸出給液壓站各液壓單元。為保證系統(tǒng)供電安全，整個控制系統(tǒng)通過UPS不間斷電源供電。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)策略

控制系統(tǒng)主站PLC通過采集現(xiàn)場傳感器壓力、位移、油溫、限位開關(guān)、按鈕開/閉合等信號，利用PLC內(nèi)部程序進行分析處理，控制液壓系統(tǒng)電磁閥得電/失電[7]，從而實現(xiàn)主起升液壓馬達正/反轉(zhuǎn)、滑車液壓馬達正/反轉(zhuǎn)、左/右側(cè)支腿液壓缸伸出/縮回、左/右側(cè)進料液壓缸伸出/縮回、左/右側(cè)出料液壓缸伸出/縮回、左/右側(cè)翻轉(zhuǎn)液壓缸伸出/縮回開關(guān)、左/右側(cè)安全銷氣缸伸出/縮回。通過工業(yè)監(jiān)控設(shè)定觸摸屏可輸入運移臂和車位移、系統(tǒng)油液壓力/溫度上下限和零位調(diào)整范圍，工藝設(shè)定參數(shù)，機械限位有效/無效變更等信息，并顯示貓道機及液壓系統(tǒng)運行參數(shù)。

控制系統(tǒng)共有2臺主泵電機，1臺油冷機。主泵電機采用西門子3RW30軟起動器，可實現(xiàn)間隔順序軟起動和軟停止以保護油泵，減小交流感應電機全壓起動造成的機械損傷，延長其使用壽命，抑制沖擊電流對電網(wǎng)的干擾。

運移臂及滑車馬達帶有倍加福SSI旋轉(zhuǎn)編碼器，其信號接入數(shù)字液壓軸控制器Z-ME-KZ，通過PLC給Z-ME-KZ控制信號可對主起升及滑車馬達的控制閥進行精準閉環(huán)控制，使運移臂和滑車實現(xiàn)平穩(wěn)運行，從而啟動、停止沖擊小，定位精度高。

狀態(tài)自檢系統(tǒng)可在觸摸屏上動態(tài)顯示工作壓力、油液溫度、運移臂和滑車位移，同時可顯示貓道機工作狀態(tài)、故障狀態(tài)、報警狀態(tài)、電磁閥得電/失電狀態(tài)，并顯示故障原因，方便維修人員檢查維修[8]；在油箱上裝有溫度傳感器檢測油溫，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定溫度自動啟動換熱裝置，當超過油溫，立即停機。為方便維護人員檢修，在其操作權(quán)限下，各電磁閥設(shè)有強制得電和限位保護取消功能。通過觸摸屏可設(shè)定運移臂和滑車位移等參數(shù)，在設(shè)備運行期間能夠直接在觸摸屏設(shè)備上獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。

當控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題或液壓執(zhí)行元件無法停止工作時，按下急停按鈕使控制電源斷電，以避免安全事故發(fā)生，確保人員及設(shè)備安全。當系統(tǒng)出現(xiàn)突然停電時，通過SITOP 24V UPS電源使控制系統(tǒng)繼續(xù)工作，以記錄主機所處狀態(tài)，以便供電恢復后查詢及選擇其他動作或繼續(xù)執(zhí)行停電前動作。

4 軟件設(shè)計

動力貓道機控制系統(tǒng)軟件主要由主站PLC和觸摸屏部分組成，主站PLC采用博圖STEP7軟件編程，觸摸屏界面使用博圖WINCC軟件進行組態(tài)。

主站PLC控制程序采用模塊化編程結(jié)構(gòu)，在滿足貓道機各環(huán)節(jié)動作的前提下，根據(jù)不同的采集和控制過程編制相應的功能和功能塊，主要包括控制指令采集與處理、傳感器數(shù)據(jù)采集與處理、電機啟/停動作控制、單點動作控制、半自動動作控制、自動動作控制、報警及顯示輸出等。根據(jù)動力貓道機控制系統(tǒng)實現(xiàn)的不同功能，主要將其分為以下功能模塊：

FC21：控制指令采集與處理

FC22：電機啟/停動作控制

FC23：狀態(tài)及報警處理

FC24：顯示輸出

FB31：傳感器數(shù)據(jù)采集與處理

FB41：單動動作控制

FB42：半自動動動作控制

FB43：自動動作控制

其中FC21、FC22、FC23、FC24、FB41由OB1調(diào)用執(zhí)行，F(xiàn)B31由OB31調(diào)用執(zhí)行，F(xiàn)B42由OB32調(diào)用執(zhí)行，F(xiàn)B43由OB33調(diào)用執(zhí)行。這樣可根據(jù)FB31、FB42、FB43各功能塊的不同工作特性，由循環(huán)中斷組織塊OB31、OB32、OB33設(shè)置不同的優(yōu)先級及掃描周期。其程序結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 程序結(jié)構(gòu)

下面重點對貓道機上送鉆具動作的自動運行程序的設(shè)計進行詳細說明。首先，由于本系統(tǒng)采用阿托斯數(shù)字液壓軸控制器Z-ME-KZ對主起升液壓馬達和滑車液壓馬達進行定位控制，并接入馬達旋轉(zhuǎn)位移編碼器的檢測信號，定位計算由軸控制器根據(jù)編碼器反饋信號和PLC控制信號完成，PLC只需給軸控制器提供啟/停及目標位置信號。為實現(xiàn)軸控制器精確定位功能，還需對Z-ME-KZ相關(guān)參數(shù)進行設(shè)定，可通過阿托斯Z-SW-PS專業(yè)控制調(diào)整軟件對其進行設(shè)定，如：選擇定位工作模式、模擬量控制模式、設(shè)置啟/?？刂崎_關(guān)量等。其次，根據(jù)貓道機上送鉆具的動作工藝要求，將貓道機各動作劃分為司鉆側(cè)/司鉆對側(cè)進料、司鉆側(cè)/司鉆對側(cè)撥板進料、主起升、滑車上送等工步，由FB43根據(jù)步進指令執(zhí)行。FB43中各動作步序之間互鎖，以確保動力貓道機整體動作的連續(xù)性和唯一性。各功能和功能塊使用SCL語言編寫，主要代碼如下：

首先，建立一個30個步序的步序循環(huán)，并進入第2步序。

CASE DB43.STEP OF

1: CNT:=CNT+1;

IF CNT>30 THEN

CNT:=0;

DB43.STEP:=2;

END_IF;

然后，根據(jù)運行條件判斷是否進入自動控制步序，并根據(jù)操作命令判斷是否進入司鉆側(cè)(DB43.STEP:=3)或司鉆對側(cè)(DB43.STEP:=4)進料步序，如都不是則進入故障步序(DB43.STEP:=10)。

2: IF (MAIN_3=1)AND((AUTO=1) AND(START=1)) THEN

DB1.UP_AUTO_I:=1;

ELSE

DB43.STEP:=15;

END_IF;

IF (DB1.M_AUTO_I=1)AND(DB43. SPACING_POINT=0) AND(DB43. A_SIDE=1)AND(DB43.B_SIDE=0) THEN

A_FEED_VALVE:=1;

SET_0:=1;

DB43.STEP:=3;

ELSIF (DB1.M_AUTO_I=1)AND(DB43. SPACING_POINT=0) AND(DB43. B_SIDE=1)AND(DB43. A_SIDE=0) THEN

B_FEED_VALVE:=1;

SET_1:=1;

DB43.STEP:=4;

ELSE

DB43.STEP:=10;

END_IF;

再后，根據(jù)A側(cè)進料限位(A_FEED_SPACING)判斷是否進入翻轉(zhuǎn)步序(DB43.STEP:=5)，如A側(cè)進料限位20秒內(nèi)沒有信號則進入進料故障步序(DB43.STEP:=11)，否則進入故障步序(DB43.STEP:=10)。

3: bcdvalue :=S_ODT (T_NO :=T0 ,

S :=SET_0 ,

TV :=T#20s ,

Q :=Q_0) ;

IF A_FEED_SPACING=1 THEN

A_FEED_VALVE:=0;

A_TURN_VALVE:=1;

SET_0:=0;

SET_1:=1;

DB43.STEP:=5;

ELSIF (A_FEED_SPACING=0)AND(Q_0=1) THEN

A_FEED_VALVE:=0;

SET_0:=0;

DB43.STEP:=11;

ELSE

A_FEED_VALVE:=0;

DB43.STEP:=10；

END_IF;

第四，在翻轉(zhuǎn)動作完成后啟動主起升馬達并進入主起升步序(DB43.STEP:=7)，其代碼與進料步序類似，這里不再說明。

在主起升步序中，根據(jù)主起升完成信號(UP_MOTOR _ FINISH，由液壓軸控制器判斷輸出)判斷是否啟動(UP _ MOTOR_START)，并將滑車目標位送給滑車馬達控制器，進入滑車起升步序(DB43.STEP:=8)。若故障則進入主起升故障步序(DB43.STEP:=13)，否則進入故障步序(DB43. STEP:=10)。

7：IF UP_MOTOR_FINISH=1 THEN

UP_MOTOR_START:=0;

PULLEY_MOTOR_POSITION:=PULLEY_UP_POSITION;

PULLEY _MOTOR_START:=1;

DB43.STEP:=8;

ELSIF UP_MOTOR_FAULT=1 THEN

UP_MOTOR_START:=0;

DB43.STEP:=13;

ELSE

DB43.STEP:=10;

END_IF;

最后經(jīng)過滑車起升步序，即完成了整個上送鉆具過程。

貓道機監(jiān)控設(shè)定觸摸屏畫面使用博圖WINCC軟件進行組態(tài)，其畫面分為設(shè)備運行狀態(tài)、參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)報警和液壓系統(tǒng)模擬顯示等，畫面之間可相互切換，除內(nèi)部變量外畫面中所有變量均與PLC數(shù)據(jù)塊對應，實現(xiàn)貓道機實時運行情況的動態(tài)顯示。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)上送、下放及排放鉆具工藝過程設(shè)計貓道機自動控制系統(tǒng)，組建了主站PLC與便攜式操作箱遠程站和工業(yè)監(jiān)控設(shè)定觸摸屏之間的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，闡述了整機自動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)策略，設(shè)計了主站PLC與觸摸屏的軟件程序，通過使用S7PLCSIM V12完成對整個控制軟件的仿真，仿真過程真實模擬現(xiàn)場操作流程對各種開關(guān)、顯示、控制參數(shù)及各種故障狀態(tài)進行設(shè)定，并根據(jù)控制要求調(diào)整DB塊相關(guān)參數(shù)，經(jīng)仿真驗證，程序各功能塊運行準確，能夠完成預期的控制功能，可應用于實際工程。

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Design and Realization of S7-1200-based Fully Hydraulic Catwalk Machine Control System

Wang Yuxian, Wang Yuanzhong, Lu Guangrong, Xia Lichao

(Lanzhou Lanshi Engineering Research Institute of Energy Equipment Co. Ltd., Lanzhou Gansu 730030, China)

Based on the operational requirements on automatically loaded/unloaded drilling tools of oil rigs, this paper constructs a network architecture between S7-1200 PLC, a portable operation box and a touch screen for industrial monitoring setup, and through a digital hydraulic axis controller implements precious control of the main action hydraulic valve. Furthermore, it expounds parameter setting of Atos digital hydraulic axis controller and the process of automatic operation of the catwalk machine, compiles software program for main station PLC and touch screen, and explains the image configuration of the surveillance setting touch screen. Through acquisition, analysis and processing of field data by the main station PLC and digital hydraulic axis controller, we realize control function of fast, stable, automatic feeding of drilling tools to the driller’s station as well as their load-off.

catwalk machine； PLC and touch screen； control systems；S7-1200；digital hydraulic axis controller

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.02.033

TP273

A

1000-3886(2017)02-0106-04

王宇翔(1983- ),男，甘肅蘭州人，工程碩士，工程師，研究方向為設(shè)備運動過程自控控制。

定稿日期: 2016-09-14