張強，林康，何慶，王議，田德寶

(1.寶雞石油機械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2. 國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002)

基于PLC的水平動力貓道自動控制系統(tǒng)研制

張強1,2，林康1,2，何慶1,2，王議1,2，田德寶1,2

(1.寶雞石油機械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2. 國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002)

水平動力貓道是石油鉆機的關(guān)鍵自動化設(shè)備之一，取代了傳統(tǒng)鉆井作業(yè)過程中依靠風(fēng)動絞車、繩索實現(xiàn)鉆桿上、下鉆臺的方式，采用PLC控制與液壓驅(qū)動相結(jié)合的方式，所有操作均通過無線遙控方式實現(xiàn)，能夠很好的保證操作人員及設(shè)備的安全。控制系統(tǒng)通過在產(chǎn)品樣機的動作試驗，各項功能滿足油田現(xiàn)場使用要求。

石油鉆機；水平貓道；PLC；控制系統(tǒng)；應(yīng)用

Abstract: The level power catwalk, one of the key automatic equipment of the oil rig, replaces traditional drilling operation which depends on the wind-driven winch and rope to enable the drill pipe to move up and down the drill floor. By means of combined PLC control and hydraulic drive, all its operations are realized through wireless remote control, thus ensuring the safety of operating personnel and equipment. This control system has passed operation test on prototype products and all its functions meet the requirements for application on oil fields.

Keywords: oil rig; level catwalk; PLC; control system; application

0 引 言

水平動力貓道是一種新型的管柱輸送設(shè)備，適用于陸地鉆機及海上鉆井平臺，用來完成鉆桿、鉆鋌、套管等管柱的自動化輸送作業(yè)，實現(xiàn)高效、安全、低作業(yè)強度的管柱輸送，有效解決目前普遍存在的管柱輸送勞動強度大、作業(yè)效率低等問題；借助于PLC程序控制，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化操作和安全互鎖保護(hù)機制，大大提高了作業(yè)的安全性和可靠性[1]。

1 自動控制系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能

圖1 水平動力貓道整體結(jié)構(gòu)

水平動力貓道機械部分由支撐機構(gòu)和貓道主體組成(如圖1所示)。貓道主體包含大車、小車、裝載板、卸載板、抬升臂和機械臂等執(zhí)行機構(gòu)。在管柱輸送過程中，通常與抓管吊機、排管機等其它設(shè)備配合，完成管柱在地面管子堆場或平臺甲板區(qū)到鉆臺區(qū)之間的管柱輸送任務(wù)。

貓道的管柱輸送流程為，當(dāng)裝載操作時，首先大車運行至裝載位置，抓管吊機將管柱抓放在貓道裝載板上。其次，由裝載板與卸載板配合使得一根管柱滾落至V形槽中，小車推動管柱至卸載位置。然后，抬升臂升起，將管柱一端抬升至合適位置，排管機械手下降抓住管柱一端進(jìn)行提升。在此過程中小車后退至起始位置，機械臂擺動，扶住管柱使其平穩(wěn)上升直至完全交給排管機械手。最后，機械臂復(fù)位，大車退至起始位置，管柱裝載過程執(zhí)行完畢。管柱卸載過程工序與裝載過程工序相反。

基于以上對管柱輸送過程的分析可知，自動控制系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能有[2]：

(1)參數(shù)采集功能。對貓道主體中的各部件運行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實時采集。

(2)數(shù)據(jù)處理功能。通過傳感器將各部件的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸至PLC中，經(jīng)控制程序的運算與處理后，將結(jié)果轉(zhuǎn)換為控制信號經(jīng)執(zhí)行器施加在被控對象上。與此同時，對相關(guān)部件的實時狀態(tài)信息與設(shè)定狀態(tài)信息進(jìn)行不斷循環(huán)比較計算，以便能夠及時調(diào)整部件的控制信號，使其實時狀態(tài)信息與設(shè)定狀態(tài)信息能夠保持一致。

(3)驅(qū)動功能。能夠控制與驅(qū)動相關(guān)部件的開啟與關(guān)閉或者運行與停止等功能。

故水平動力貓道的主要控制對象如表1所示。

1.2 系統(tǒng)的總體設(shè)計與要求

水平動力貓道自動控制系統(tǒng)的原理如圖2所示。操作人員在司鉆房內(nèi)通過座椅或者在現(xiàn)場通過遙控手操盒向控制系統(tǒng)發(fā)出運行控制命令，無線模塊接收器接收到此命令通過PRIFIBUS-DP現(xiàn)場總線發(fā)送至 PLC。PLC對接收到的用戶指令與通過傳感器反饋的現(xiàn)場部件的實時狀態(tài)信息進(jìn)行比較、運算和處理，并將最終結(jié)果以控制信號的形式發(fā)送至執(zhí)行元件，用以驅(qū)動貓道部件的運行，實現(xiàn)了對大車、小車、裝載板、卸載板、抬升臂和機械臂的控制?？刂葡到y(tǒng)可實時的對各部件的運行狀態(tài)信息與設(shè)定狀態(tài)信息進(jìn)行對比分析，再對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行修正，以達(dá)到設(shè)定控制狀態(tài)。

表1 水平動力貓道控制對象

圖2 水平動力貓道自動控制系統(tǒng)原理圖

針對水平動力貓道的特殊應(yīng)用場合，本控制系統(tǒng)采用兩種控制模式，即本地控制與遠(yuǎn)程控制。

水平動力貓道自動控制系統(tǒng)的性能要滿足以下要求[3]：

(1)安全性。無論是對于人還是設(shè)備安全性都是首先要進(jìn)行考慮的。控制系統(tǒng)必須保證設(shè)備能夠安全地運行，并且在意外發(fā)生時能夠及時停止設(shè)備地運行最大限度地保證人員的安全。

(2)可靠性。系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性必須能夠滿足在惡劣環(huán)境條件下的要求，能夠克服外界干擾并且能避免因供電異常對系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊。尤其是采用無線遙控通訊技術(shù)，必須確保信號傳輸?shù)倪B續(xù)穩(wěn)定。

(3)系統(tǒng)在線功能要良好，能夠及時在線檢測出貓道各部件的狀態(tài)信息，并且能夠按照設(shè)定值準(zhǔn)確地對各部件的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 安全設(shè)計

水平動力貓道急停安全設(shè)計基于PHOENIX安全繼電器，以物理硬線連接供電模塊及PLC的相關(guān)模塊，并串聯(lián)分布在不同位置的急停開關(guān)。緊急停止信號并不進(jìn)入PLC的CPU模塊，這樣使得無論PLC控制系統(tǒng)是否正常，當(dāng)現(xiàn)場出現(xiàn)緊急情況后都可以在第一時間停止設(shè)備的運行，從而保證人員與設(shè)備的安全。

同時，軟件系統(tǒng)也設(shè)計了安全保護(hù)機制，即：通過看門狗實時監(jiān)測總線通訊的狀態(tài)，設(shè)定通訊延遲時間上限，一旦總線通訊異常并且延遲時間達(dá)到并超過此時間上限，控制系統(tǒng)即認(rèn)為通訊中斷需停止設(shè)備運行，從而令設(shè)備自動停機，以備人員檢查故障原因。

傳感器安全設(shè)計同通訊安全設(shè)計，在軟件程序中對傳感器的輸出信號設(shè)定上下限，當(dāng)信號超過設(shè)定的上下限時，可執(zhí)行相關(guān)的后續(xù)處理程序。

2.2 硬件選型

水平動力貓道控制采用西門子S7-300 PLC為主控制器，結(jié)合液壓電比例負(fù)載敏感控制技術(shù)，實現(xiàn)對大車、小車、裝載板、卸載板、抬升臂和機械臂等部件的運功控制。

PLC控制器是控制系統(tǒng)的核心部分，其擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)處理和通信聯(lián)網(wǎng)的功能。在此系統(tǒng)中不僅要考慮貓道各部件的邏輯與運動控制還要考慮與無線模塊接收器的通訊連接問題。所以PLC控制器中CPU模塊選用帶有集成PROFIBUS-DP接口的315-2DP型號，并配有相關(guān)電源與信號模塊(基本選型信息如表2所示)；無線接收與發(fā)送模塊采用HETRONIC品牌，用來實現(xiàn)對貓道實時控制，顯示運行狀態(tài)、數(shù)據(jù)及報警信息等。

表2 水平動力貓道S7-300主要模塊信息

2.3 軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件編程基于STEP7軟件，采用模塊化編程方式來實現(xiàn)對貓道各個部件的實時控制。這樣做的好處是各模塊之間功能單一、相對獨立和具有清晰結(jié)構(gòu)，可以重復(fù)調(diào)用，能夠獲得較高的控制質(zhì)量。STEP7軟件為這種模塊化編程提供了很好的設(shè)計平臺，其配置了強大的OB、SFB和SFC塊及一些功能模塊來提供中斷、軟硬件故障診斷、通訊等功能[4]。

根據(jù)模塊化編程思想，在本系統(tǒng)中控制流程如圖3所示。

圖3 水平動力貓道控制流程框圖

(1)數(shù)據(jù)采集模塊用于采集來自外部的各種輸入數(shù)據(jù)，包括司鉆座椅的操作輸入、HMI程序的參數(shù)設(shè)置、防碰設(shè)備的防碰數(shù)據(jù)等。

(2)操作模式處理模塊用于處理本地液壓操作、遙控盒操作及集成司鉆操作之間的切換。

(3)輸入處理模塊用于基于選中的操作模式，對數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

(4)急停處理模塊用于處理硬件急停、通信中斷急停、軟件急停及急停復(fù)位等。

(5)主控模塊為各部件的控制模塊包，包括大車控制模塊、小滑車控制模塊、裝載板控制模塊、卸載板控制模塊、抬升臂控制模塊及機械臂控制模塊。

(6)輸出處理模塊用于處理程序?qū)τ谳敵鰯?shù)據(jù)，包括用于控制現(xiàn)場液壓閥動作的模擬量和開關(guān)量輸出、用于集成司鉆HMI顯示的設(shè)備狀態(tài)信息輸出、用于遙控盒液晶屏顯示的設(shè)備狀態(tài)信息輸出、用于防碰的數(shù)據(jù)輸出。

結(jié)合PLC控制程序，使用WinCC軟件設(shè)計HMI程序用于水平動力貓道的實時狀態(tài)顯示及監(jiān)控[5]，如圖4所示。

3 現(xiàn)場試驗

采用室外和模擬現(xiàn)場應(yīng)用的方式對水平動力貓道自動控制系統(tǒng)的精度和性能進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)其穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性滿足設(shè)計要求，性能表現(xiàn)優(yōu)異?；跓o線遙控操作方式，大大提高了人員和設(shè)備的安全性及降低了

圖5 水平動力貓道現(xiàn)場試驗

工人勞動強度?，F(xiàn)場試驗圖片如圖5所示。

4 結(jié)束語

水平動力貓道的應(yīng)用，可以極大地提高陸地及海上鉆井平臺管柱輸送作業(yè)的效率?；赟7-300PLC的海洋水平動力貓道控制系統(tǒng)的應(yīng)用，可以使鉆井過程中的起下鉆操作簡單安全，減少作業(yè)人員的工作強度和施工危險，提高整體的工作效率，使鉆機的整體水平和自動化水平得到進(jìn)一步提高。經(jīng)現(xiàn)場試驗表明，該控制系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計和現(xiàn)場作業(yè)要求。

[1] 趙淑蘭,李文彪,聶永晉,等.動力貓道技術(shù)國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].石油礦場機械,2010,39(2):13-15.

[2] 廖常初.S7-300/400PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.

[3] 邱宗斌,李啟新，武志學(xué).基于PLC的混砂車自動控制系統(tǒng)研究[J].石油礦場機械,2015,44(12):74-76.

[4] 崔堅.西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.

[5] 甄立東.西門子WinCC V7基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.

Development of an Automatic Control System for Level Power Catwalks Based on PLC

Zhang Qiang1,2, Lin Kang1,2, He Qing1,2, Wang Yi1,2, Tian Debao1,2

(1. Baoji Petroleum Machinery Co. Ltd., Baoji Shaanxi 721002, China; 2.National Engineering Research Center for Oil and Gas Drilling Equipment, Baoji Shaanxi 721002, China)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.03.034

TP271

A

1000-3886(2017)03-0113-03

定稿日期: 2016-10-18

本文由中石油現(xiàn)場試驗項目《5000～7000米鉆機管柱自動化處理系統(tǒng)現(xiàn)場試驗》課題項目資助，課題編號2011B-4301

張強(1984-)，男，陜西乾縣人，工程師，碩士，現(xiàn)從事石油裝備控制系統(tǒng)設(shè)計工作。 林康(1984-)，男，福建漳平人，工程師，本科，現(xiàn)從事石油裝備控制系統(tǒng)設(shè)計工作。 何慶(1987-)，男，河南商丘人，工程師，碩士。現(xiàn)從事石油裝備控制系統(tǒng)設(shè)計工作。 王議(1983-)，男，陜西漢中人，工程師，碩士?，F(xiàn)從事石油裝備控制系統(tǒng)設(shè)計工作。 田德寶(1983-)，男，河南信陽人，工程師，碩士?，F(xiàn)從事石油裝備設(shè)計及配套工作。