聶丹陽

(西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

0 引 言

鉆桿排放是鉆井作業(yè)中的一項(xiàng)重要操作[1]。動(dòng)力貓道是目前送鉆至二層臺(tái)的主要技術(shù)手段,整體送鉆過程比較成熟。但是，國內(nèi)針對(duì)于地面鉆桿輸送還未達(dá)到自動(dòng)化，大部分排管工作還是依靠于人工搬運(yùn)[2]。在現(xiàn)場工作時(shí)，貓道排管架的一端放置著管橋架，管橋架上鋪滿了鉆桿，需要用鉆時(shí)，工人將鉆桿推移至排管架上。這種搬運(yùn)鉆桿的方式效率較低，工作強(qiáng)度大，工人安全得不到保證。

針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)一種基于PLC的地面自動(dòng)排管控制系統(tǒng)，利用SolidWorks軟件進(jìn)行三維建模，結(jié)合PLC控制技術(shù)，對(duì)其運(yùn)行過程進(jìn)行分析，確?？刂葡到y(tǒng)的合理性，從而實(shí)現(xiàn)以自動(dòng)化的方式進(jìn)行排管，不僅減少勞動(dòng)力，也提高了工作效率。

1 自動(dòng)排管裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 地面自動(dòng)排管裝置的結(jié)構(gòu)

地面自動(dòng)排管裝置如圖1所示。地面自動(dòng)排管裝置安裝在動(dòng)力貓道的排管架旁側(cè)，主要由皮帶輸送機(jī)和升降架兩部分組成[3]。排入鉆桿時(shí)，鉆桿的初始狀態(tài)是依次排列放置于皮帶輸送機(jī)上，排出鉆桿時(shí)，鉆桿放置于排管架上。

圖1 地面自動(dòng)排管裝置結(jié)構(gòu)圖

圖中兩個(gè)皮帶輸送機(jī)和兩個(gè)升降架對(duì)稱放置，其高度與動(dòng)力貓道的排管架高度保持一致。皮帶輸送機(jī)前端通過耳板與升降架連接，皮帶輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)輪軸上安裝有鏈輪，通過鏈傳動(dòng)，使得皮帶輸送機(jī)運(yùn)行[4]，其驅(qū)動(dòng)方式為電機(jī)驅(qū)動(dòng)。升降架的驅(qū)動(dòng)方式為液壓驅(qū)動(dòng)，其下方安裝有液壓缸。兩個(gè)擋銷對(duì)稱安裝在升降架的側(cè)面，通過液壓驅(qū)動(dòng)，擋銷實(shí)現(xiàn)伸出與縮回。

1.2 自動(dòng)排管裝置的工作原理

地面自動(dòng)排管系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能有：①將鉆桿排入到動(dòng)力貓道的排管架上；②將動(dòng)力貓道的排管架上的鉆桿排出來。

排入鉆桿：電機(jī)正轉(zhuǎn)，其輸出軸帶動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，皮帶輸送機(jī)開始運(yùn)送鉆桿至升降架上。由于自動(dòng)排管裝置的高度與排管架高度一致，所以當(dāng)鉆桿通過皮帶輸送機(jī)傳送到升降架上時(shí)，鉆桿會(huì)依靠慣性，經(jīng)過升降架從而滾至排管架上。當(dāng)不需要再排入鉆桿時(shí)，擋銷伸出，隨之電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

排出鉆桿：擋銷液壓缸縮回，擋銷也縮回。電機(jī)反轉(zhuǎn)，其輸出軸帶動(dòng)鏈輪反轉(zhuǎn)，使得皮帶輸送機(jī)反轉(zhuǎn)。此時(shí)，升降架液壓缸升起，升降架具有一定傾角，將排管架上的鉆桿排出。鉆桿沿著升降架的傾斜面滾至皮帶輸送機(jī)上，通過皮帶傳送將鉆桿全部送回至原位，升降架運(yùn)送完鉆桿后下降，回到初始狀態(tài)。在皮帶輸送機(jī)的后端安裝有接近傳感器，當(dāng)鉆桿排滿皮帶輸送機(jī)時(shí)，接近傳感器便會(huì)檢測到信號(hào)，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，從而防止鉆桿滑落，并完成排鉆。

2 地面自動(dòng)排管的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)排管系統(tǒng)PLC的控制原理

PLC控制原理如圖2所示。

圖2 控制原理圖

該系統(tǒng)由遙控器進(jìn)行操作，遙控發(fā)射器給出動(dòng)作信號(hào)，遙控接收器收到信號(hào)，在遙控器與CPU模塊之間建立MODBUS通訊協(xié)議，通過TP接口將信號(hào)傳送給CPU，接近傳感器所感應(yīng)到的信號(hào)也會(huì)傳送至CPU中，經(jīng)過CPU內(nèi)部的信息處理，最終從DO模塊和AO模塊分別輸出數(shù)字量與模擬量[5]。數(shù)字量是斷續(xù)性變化的一串?dāng)?shù)字信號(hào)，可通過DO模塊輸出，給液壓閥信號(hào)，此時(shí)，電磁閥線圈得電，油路導(dǎo)通，液壓缸開始動(dòng)作，隨之相應(yīng)的機(jī)構(gòu)開始動(dòng)作。電機(jī)從啟動(dòng)到平穩(wěn)運(yùn)行需要一定的速度變化，而模擬量是連續(xù)性變化的一串?dāng)?shù)字信號(hào)，所以通過AO模塊輸出模擬量給變頻器，變頻器調(diào)整輸出的電壓和頻率，最后傳送至電機(jī)，電機(jī)開始運(yùn)行，隨之皮帶輸送機(jī)開始運(yùn)行。

2.2 PLC的選型及I/O點(diǎn)數(shù)分配

根據(jù)地面自動(dòng)排管系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能及要求，選出適合此系統(tǒng)的PLC型號(hào)。由于本系統(tǒng)是通過遙控器進(jìn)行的無線操控，所以僅需要一個(gè)輸入信號(hào)，輸出信號(hào)有12個(gè)。所需點(diǎn)數(shù)較少，可選擇西門子200SMART PLC進(jìn)行控制[6]。由于本系統(tǒng)有模擬量的輸出，所以需要擴(kuò)展一個(gè)AO模塊，數(shù)字量的輸出信號(hào)有8個(gè)，所以可選CPU中點(diǎn)數(shù)最少的，即20個(gè)點(diǎn)數(shù)。最終選用S7-200SMART的CPU以及一個(gè)AO模塊，其中CPU型號(hào)為ST20。

I/O分配表如表1所列。

表1 I/O點(diǎn)數(shù)分配表

3 皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行控制

3.1 電機(jī)的選型計(jì)算

現(xiàn)場鉆桿規(guī)格為5寸，質(zhì)量為225 kg。

驅(qū)動(dòng)扭矩的計(jì)算公式如下：

F=kFn

(1)

T=FR

(2)

式中：F為傳動(dòng)帶拉力，N；k為摩擦系數(shù)；Fn為壓力，N；T為驅(qū)動(dòng)扭矩，N·m；R為驅(qū)動(dòng)輪半徑，m。

其中：皮帶與鉆桿之間的摩擦系數(shù)k=0.4，F(xiàn)n=2 250 N，由此可得傳動(dòng)帶拉力F=900 N，驅(qū)動(dòng)輪半徑R為0.2 m，將式(1)帶到式(2)中，可得驅(qū)動(dòng)扭矩T=180 N·m。

電機(jī)功率的計(jì)算公式如下：

n輪=V/D

(3)

i=n輪/n電

(4)

P=T·n電/9550

(5)

式中：n輪為驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，r/s；V為傳送速度，m/s；D為驅(qū)動(dòng)輪周長，m；i為傳動(dòng)比；n電為電機(jī)轉(zhuǎn)速；P為電機(jī)功率，kW。

其中：傳送速度V=0.5 m/s，驅(qū)動(dòng)輪周長D=1.256 m，得出驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速n輪=24 r/min。傳動(dòng)比i=5，由公式(4)可得電機(jī)轉(zhuǎn)速n電=120 r/min，最后由公式(5)計(jì)算得出電機(jī)功率P=2.26 kW，可選擇電機(jī)型號(hào)為R47DRE100LC4，額定功率為3 kW轉(zhuǎn)速為160 r/min。

3.3 電機(jī)同步運(yùn)行的方法

在本設(shè)計(jì)中，兩個(gè)皮帶輸送機(jī)的同步運(yùn)轉(zhuǎn)極為重要。鉆桿重量較大，若是驅(qū)動(dòng)兩個(gè)皮帶輸送機(jī)的電機(jī)沒有同步轉(zhuǎn)動(dòng)，很容易發(fā)生鉆桿滑落，對(duì)設(shè)備造成一定的沖擊[7]。同步運(yùn)行原理如圖3所示。

圖3 同步運(yùn)行原理圖

因此提出以下控制方法：將PLC模擬量輸出端口與變頻器的模擬量輸入端口連接，從而控制變頻器的輸出頻率。PLC給兩個(gè)變頻器同一個(gè)輸入信號(hào)輸入至VR，Vf1為左變頻器的反饋值，Vf2為右變頻器的反饋值，兩個(gè)變頻器的反饋值通過數(shù)據(jù)處理，可以得到兩個(gè)反饋值的差值，再將此差值輸送到右變頻器的VF端口，根據(jù)變頻器模擬量給定的疊加功能，右變頻器的輸出頻率為VR和VF的疊加，從而左右變頻器的輸出一致，保證了電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的同步性[8-9]。

此方法將數(shù)據(jù)反饋回來，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，消除誤差，從而達(dá)到同步性。其操作簡單，應(yīng)用廣泛，完全可以保證兩個(gè)電機(jī)運(yùn)行的同步性。

4 結(jié) 語

此項(xiàng)研究運(yùn)用PLC控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種地面自動(dòng)排管系統(tǒng)。在PLC程序的控制下，使用遙控器進(jìn)行操作，以電液結(jié)合的驅(qū)動(dòng)方式完成了排入、排出鉆桿的動(dòng)作。對(duì)皮帶輸送機(jī)運(yùn)行的控制進(jìn)行了分析研究，以保證系統(tǒng)排管的穩(wěn)定性。通過對(duì)200SMART ST20 CPU的信號(hào)輸出測試，地面自動(dòng)排管PLC控制系統(tǒng)的合理性得到了驗(yàn)證。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作便捷，控制方案符合工作要求，實(shí)現(xiàn)了以自動(dòng)化方式進(jìn)行排管，提高了地面排管的工作效率。