□ 李云鵬□ 宋 濤□ 樊勇利□ 王永鵬□ 周海磊□ 李博洋

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

隨著石油鉆井裝備行業(yè)的快速發(fā)展，液壓轉(zhuǎn)盤已經(jīng)得到越來越多的應(yīng)用，尤其是在海洋鉆井裝備領(lǐng)域，已逐漸成為現(xiàn)代海洋平臺深水鉆機的標(biāo)準(zhǔn)配置。在海洋平臺下隔水套管、懸持鉆具、活動鉆具時，要求轉(zhuǎn)盤具有較大支撐能力和通孔直徑、較高的扭矩和較低的轉(zhuǎn)速［1］。在相同要求下，電控液壓轉(zhuǎn)盤相較于傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)盤具有尺寸小、質(zhì)量輕、集成度高、運行安全可靠等特點［2］。筆者主要對液壓轉(zhuǎn)盤的電控系統(tǒng)進(jìn)行分析與研究，并列舉了項目實際應(yīng)用案例。

1 液壓轉(zhuǎn)盤概述

石油鉆井裝備領(lǐng)域的轉(zhuǎn)盤主要是指能夠通過一對正交錐齒輪副實現(xiàn)減速，使轉(zhuǎn)臺獲得一定范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速和扭矩輸出的水平旋轉(zhuǎn)裝備。在鉆井過程中，轉(zhuǎn)盤的功能是傳遞扭矩，帶動鉆具旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)［3］。電控液壓轉(zhuǎn)盤是指那些驅(qū)動力來源于液壓系統(tǒng)，控制功能主要是由電控系統(tǒng)實現(xiàn)的一種轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置。電控液壓轉(zhuǎn)盤從基本構(gòu)成上可以劃分為機械結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)三大部分。這三大部分各自發(fā)揮著自身特有的作用，并通過功能整合形成完整的轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)。

1.1 機械結(jié)構(gòu)

電控液壓轉(zhuǎn)盤的機械結(jié)構(gòu)主要包括：上蓋、底座、轉(zhuǎn)臺裝置、輸入軸總成、主補心裝置、鎖緊裝置、錐齒輪副等零部件，為轉(zhuǎn)盤提供了結(jié)構(gòu)支撐與基本的機械運動單元。轉(zhuǎn)盤外形如圖1所示。

▲圖1 轉(zhuǎn)盤外形圖

1.2 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)主要包括：液壓動力源、液壓馬達(dá)、控制閥組、液壓管線、管線接頭、壓力表、液壓介質(zhì)油等，為轉(zhuǎn)盤提供了液壓循環(huán)通路與液壓運動單元。

1.3 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)主要包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分，為轉(zhuǎn)盤提供了控制邏輯，實現(xiàn)載體與控制邏輯運行機制。具體內(nèi)容如下。

（1）硬件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)主要包括：控制單元（如：PLC可編程序控制系統(tǒng)、比例放大器、繼電器等）、執(zhí)行單元（如：電磁閥、傳感器等）、人機接口（如：工控機、物理開關(guān)等）［4］。

（2）軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)主要包括：執(zhí)行層控制程序（如：PLC程序等［5-6］）、操作層控制程序（如：WinCC程序等［7-8］）。

2 液壓轉(zhuǎn)盤電控系統(tǒng)的輸入與輸出分析

通過對液壓轉(zhuǎn)盤電控系統(tǒng)的輸入與輸出進(jìn)行分析，可以明確這一系統(tǒng)的人機操作類型與可測狀態(tài)信息，還可以明確被控對象類型及其期望執(zhí)行動作。

2.1 電控系統(tǒng)的輸入分析

電控系統(tǒng)的輸入即轉(zhuǎn)盤控制單元的輸入，可分為人機接口輸入和傳感器輸入兩部分。具體內(nèi)容如下。

（1）人機接口輸入。人機接口采用物理開關(guān)的輸入方式，轉(zhuǎn)盤正轉(zhuǎn)、停止、反轉(zhuǎn)操作，轉(zhuǎn)盤扭矩釋放、停止操作，液壓馬達(dá)選擇操作，緊急停止操作，可定義為開關(guān)量輸入。轉(zhuǎn)盤速度設(shè)定，轉(zhuǎn)盤扭矩設(shè)定操作，可定義為模擬量輸入。

人機接口采用觸摸屏的輸入方式，輸入信息最終將以通信協(xié)議的方式傳輸?shù)诫娍叵到y(tǒng)控制單元中，可廣義上定義為通信協(xié)議輸入。

（2）傳感器輸入。轉(zhuǎn)盤液壓系統(tǒng)壓力傳感器4～20 mA電流輸入可定義為模擬量輸入。轉(zhuǎn)盤液壓系統(tǒng)壓力繼電器無源干接點輸入可定義為開關(guān)量輸入。轉(zhuǎn)盤液壓馬達(dá)速度編碼器輸入可定義為通信協(xié)議輸入。轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)檢測接近開關(guān)無源干接點輸入可定義為開關(guān)量輸入。

2.2 電控系統(tǒng)的輸出分析

電控系統(tǒng)的輸出主要指轉(zhuǎn)盤控制單元的輸出，主要是對轉(zhuǎn)盤執(zhí)行單元進(jìn)行具體的動作控制。其中，對于轉(zhuǎn)盤速度比例控制、轉(zhuǎn)盤扭矩比例控制可定義為模擬量輸出；對于轉(zhuǎn)盤扭矩釋放、液壓馬達(dá)選擇可定義為開關(guān)量輸出。

針對電控系統(tǒng)與其它第三方設(shè)備的通信，控制單元發(fā)出的通信內(nèi)容也可定義為通信協(xié)議輸出或硬線信號輸出。

針對人機接口上配有的物理聲光報警裝置，控制單元的輸出可定義為開關(guān)量輸出。

3 液壓轉(zhuǎn)盤電控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

在電控系統(tǒng)輸入與輸出已確定的情況下，根據(jù)系統(tǒng)控制運算需求及功能需要，對轉(zhuǎn)盤控制單元、執(zhí)行單元、人機接口進(jìn)行設(shè)計，組建成完整的硬件系統(tǒng)。液壓轉(zhuǎn)盤電控系統(tǒng)硬件框架如圖2所示。

3.1 控制單元的設(shè)計

控制單元的設(shè)計總的來說包括：PLC系統(tǒng)的設(shè)計、比例放大器的設(shè)計、繼電器的設(shè)計、安全繼電器的設(shè)計、安全柵的設(shè)計、電源模塊的設(shè)計、斷路器的設(shè)計，以及其它部分的設(shè)計。具體內(nèi)容如下。

（1）PLC系統(tǒng)的設(shè)計。PLC系統(tǒng)配置一個CPU模塊，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和邏輯運算［9］：兩組多通道輸入輸出模塊，主要進(jìn)行模擬量與數(shù)字量的輸入輸出處理；一個功能模塊，主要進(jìn)行具有通信協(xié)議的速度傳感器輸入處理；一個通信模塊，主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)盤電控系統(tǒng)與司鉆集成控制系統(tǒng)或其它第三方設(shè)備的通信。

（2）比例放大器的設(shè)計。系統(tǒng)配置兩個雙通道比例放大器，主要是將PLC系統(tǒng)發(fā)出的控制指令信號轉(zhuǎn)換為比例電磁閥所需的驅(qū)動電能信號，最終保證該電磁閥動作精度達(dá)到設(shè)計要求。

（3）繼電器的設(shè)計。系統(tǒng)配置五個繼電器，主要是將電磁閥與PLC系統(tǒng)進(jìn)行隔離，以及比例放大器使能控制。

（4）安全繼電器的設(shè)計。系統(tǒng)配置一個安全繼電器，當(dāng)系統(tǒng)有緊急停止觸發(fā)的情況時，可將輸出設(shè)備的動力或驅(qū)動設(shè)備的使能安全可靠地隔離，最終保證運動設(shè)備的緊急停止。

▲圖2 液壓轉(zhuǎn)盤電控系統(tǒng)硬件框架圖

（5）安全柵的設(shè)計。系統(tǒng)配置兩個安全柵，其主要功能是將傳感器的輸入信號進(jìn)行隔離，保證現(xiàn)場本安設(shè)備的防爆要求，以及PLC系統(tǒng)的輸入安全。

（6）電源模塊的設(shè)計。系統(tǒng)配置兩個電源模塊，主要是保證控制單元所需電源的電制匹配與電能穩(wěn)定。

（7）斷路器的設(shè)計。系統(tǒng)配置一個斷路器，主要是為控制單元提供短路和過載保護(hù)，以及進(jìn)行電源的正常分?jǐn)唷?/p>

（8）其它部分的設(shè)計。系統(tǒng)配置合適數(shù)量的接線端子、電纜、格蘭頭、插接件、符合所需防爆及防護(hù)要求的電氣箱柜，以及其它保證系統(tǒng)完整性的電氣安裝附件。

3.2 執(zhí)行單元的設(shè)計

執(zhí)行單元的設(shè)計包括：電磁閥的設(shè)計、傳感器的設(shè)計、以及其它部分的設(shè)計。具體內(nèi)容如下。

（1）電磁閥的設(shè)計。系統(tǒng)配置一個轉(zhuǎn)盤正轉(zhuǎn)速度控制比例電磁閥、一個轉(zhuǎn)盤反轉(zhuǎn)速度控制比例電磁閥、一個轉(zhuǎn)盤扭矩設(shè)定比例電磁閥，并配置一個轉(zhuǎn)盤扭矩釋放開關(guān)電磁閥、一個液壓馬達(dá)選擇開關(guān)電磁閥。

（2）傳感器的設(shè)計。系統(tǒng)配置一個液壓馬達(dá)工作壓力傳感器、一個轉(zhuǎn)盤速度傳感器。鑒于轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速較低，因此傳感器的精度只要滿足整個測量系統(tǒng)的精度要求就可，不必選得過高［10］。

（3）其它部分的設(shè)計內(nèi)容同控制單元該部分設(shè)計內(nèi)容一致。

3.3 人機接口的設(shè)計

人機接口設(shè)計包括：工控機的設(shè)計、物理開關(guān)或裝置的設(shè)計、及其它部分的設(shè)計。具體內(nèi)容如下。

（1）工控機的設(shè)計。系統(tǒng)配置一臺工控機，主要進(jìn)行人機接口程序的存儲與操作層邏輯運算處理，其中觸摸屏式或顯示屏式的一體化工控機，也可以設(shè)計成人機接口的操作終端或顯示終端。

（2）物理開關(guān)或裝置的設(shè)計。系統(tǒng)配置一個集成了轉(zhuǎn)盤正轉(zhuǎn)、停止、反轉(zhuǎn)選擇開關(guān)，轉(zhuǎn)盤扭矩釋放、停止選擇開關(guān)，液壓馬達(dá)選擇開關(guān)，急停按鈕，轉(zhuǎn)盤速度設(shè)定電位器，轉(zhuǎn)盤扭矩設(shè)定電位器，物理聲光報警裝置的操作盒。該操作盒可以配合顯示屏式一體機使用。

（3）其它部分的設(shè)計內(nèi)容同控制單元該部分設(shè)計內(nèi)容一致。

4 液壓轉(zhuǎn)盤電控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

在電控系統(tǒng)硬件已確定的情況下，根據(jù)系統(tǒng)控制運算需求及功能需要，對轉(zhuǎn)盤執(zhí)行層控制程序及操作層控制程序進(jìn)行編譯，組建完整的軟件系統(tǒng)。液壓轉(zhuǎn)盤電控系統(tǒng)軟件框架如圖3所示。

4.1 執(zhí)行層控制程序的設(shè)計

執(zhí)行層控制程序設(shè)計包括：輸入處理、功能處理、輸出處理三部分。具體內(nèi)容如下。

（1）輸入處理。系統(tǒng)處理來自CPU外部的輸入數(shù)據(jù)，包括模擬量輸入、數(shù)字量輸入、通信協(xié)議數(shù)據(jù)輸入，并將處理好的數(shù)據(jù)存放到規(guī)劃好的數(shù)據(jù)模塊中。

（2）功能處理。系統(tǒng)級功能處理包括操作模式處理（本地應(yīng)急操作、司鉆操作）、運行模式處理（初始化處理、未啟動控制輸出清零處理、正常運行處理、急停處理），手動、自動、測試模式處理（手動及自動模式處理具有詳細(xì)的控制功能和保護(hù)功能，測試模式處理無具體控制功能和保護(hù)功能）。

部件級處理，指具體的內(nèi)部變量與外部變量或外部變量之間的邏輯運算，最終能實現(xiàn)被控對象的速度閉環(huán)控制、扭矩閉環(huán)控制等功能。

（3）輸出處理。系統(tǒng)將經(jīng)過功能處理的數(shù)據(jù)存放到規(guī)劃好的數(shù)據(jù)模塊中，包括：模擬量輸出、數(shù)字量輸出、通信協(xié)議數(shù)據(jù)輸出。

4.2 操作層控制程序的設(shè)計

在電控系統(tǒng)人機接口硬件已確定的情況下，操作層控制程序的運行環(huán)境就可以確定下來。操作層控制程序設(shè)計包括：登錄畫面設(shè)計、子畫面設(shè)計兩部分。具體內(nèi)容如下。

（1）登錄畫面設(shè)計。登錄畫面具體可包括：用戶賬戶、清屏、語言選擇、單位切換功能。

（2）子畫面設(shè)計。子畫面包括系統(tǒng)畫面（如：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、變量列表、操作記錄）、報警畫面（如：?dāng)前報警、歷史報警）、轉(zhuǎn)盤操作及狀態(tài)畫面（如：轉(zhuǎn)盤正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止，轉(zhuǎn)盤速度設(shè)定，轉(zhuǎn)盤扭矩設(shè)定，轉(zhuǎn)盤扭矩釋放，轉(zhuǎn)盤馬達(dá)選擇，液壓系統(tǒng)壓力，轉(zhuǎn)盤速度，緊急停止等）、數(shù)據(jù)畫面（如：用戶管理、診斷列表）等內(nèi)容。

5 結(jié)束語

目前在海洋鉆井裝備領(lǐng)域，液壓轉(zhuǎn)盤已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。2015年，由寶石機械自主設(shè)計制造的該類型液壓轉(zhuǎn)盤，已經(jīng)得到了實際應(yīng)用檢驗。到目前為止，該設(shè)備始終保持平穩(wěn)運行記錄，現(xiàn)場反饋良好，受到用戶好評。筆者通過對液壓轉(zhuǎn)盤電控系統(tǒng)輸入與輸出進(jìn)行分析，明確了該電控系統(tǒng)的人機操作類型與可測狀態(tài)信息，以及被控對象類型及其期望執(zhí)行動作，實現(xiàn)了對該電控系統(tǒng)的硬件與軟件的設(shè)計，最終提出一種功能相對完善、配置相對合理的液壓轉(zhuǎn)盤電控系統(tǒng)的設(shè)計方案。