寇 蓓，程 立

(蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，甘肅蘭州 730314)

0 引 言

隨著石油鉆采裝備自動(dòng)化、智能化發(fā)展，傳統(tǒng)貓道已無(wú)法滿足鉆機(jī)自動(dòng)化、智能化的要求，而動(dòng)力貓道的出現(xiàn)，不僅減少了作業(yè)人員數(shù)量，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，還能進(jìn)一步提高作業(yè)人員安全及鉆井作業(yè)效率[1-4]。 近年來(lái)隨著鉆井自動(dòng)化程度不斷提高，出現(xiàn)了各種形式的動(dòng)力貓道，如水平動(dòng)力貓道、頂升式動(dòng)力貓道等，筆者主要研究基于PLC 的高效動(dòng)力貓道控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，重點(diǎn)分析了作業(yè)流程、系統(tǒng)組成、算法設(shè)計(jì)，最終經(jīng)油田工業(yè)性試驗(yàn)驗(yàn)證，這種基于PLC 的控制系統(tǒng)能夠平穩(wěn)、安全的控制貓道運(yùn)移臂起升、下放，具有較強(qiáng)的抗干擾能力和修正能力，較強(qiáng)冗錯(cuò)性能。 實(shí)現(xiàn)了管柱無(wú)人化、高效、安全、可靠自動(dòng)輸送。 該控制系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求。

1 動(dòng)力貓道作業(yè)流程

動(dòng)力貓道是在鉆井或修井過(guò)程中，將管柱自動(dòng)送上和下放鉆臺(tái)的裝置。 牽引式動(dòng)力貓道主要由基座、支撐臂、運(yùn)移臂、坡道、絞車、液壓系統(tǒng)、PLC 控制系統(tǒng)等機(jī)構(gòu)組成，如圖1 所示。

圖1 牽引式動(dòng)力貓道結(jié)構(gòu)圖

其中基座、支撐臂、運(yùn)移臂、坡道共同組成連桿機(jī)構(gòu)，以液壓為動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)安裝在坡道上的絞車?yán)p繞鋼絲繩，通過(guò)鋼絲繩和滑輪導(dǎo)向機(jī)構(gòu)牽引移運(yùn)臂實(shí)現(xiàn)管柱在地面與鉆臺(tái)面之間的自動(dòng)化輸送；以運(yùn)移臂、支撐臂、鉆具自身重量作為動(dòng)力，通過(guò)液壓絞車卸油釋放鋼絲繩將鉆具從鉆臺(tái)面自動(dòng)下放。 通過(guò)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)安裝在運(yùn)移臂上的滑移小車，實(shí)現(xiàn)鉆具在運(yùn)移臂上前后移動(dòng)，完成鉆具與頂驅(qū)對(duì)接。 該過(guò)程液壓絞車和滑移小車采用PLC 比例控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)控，速度平穩(wěn)，當(dāng)?shù)蹩ń幼°@桿后，PLC 接收頂驅(qū)上行速度信號(hào)，控制小車運(yùn)動(dòng)速度匹配頂驅(qū)上行速度，避免鉆具下端和小車間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，防止鉆桿絲扣磨損。

2 控制系統(tǒng)硬件組成

2.1 動(dòng)力貓道控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

此動(dòng)力貓道控制系統(tǒng)分為本地、遠(yuǎn)控、司鉆集成三地控制，均可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)操作模式。 手動(dòng)模式根據(jù)工況逐步實(shí)現(xiàn)上、下輸送鉆具功能。 自動(dòng)操作可實(shí)現(xiàn)一鍵上、下輸送鉆具功能。

動(dòng)力貓道PLC 控制系統(tǒng)含1 臺(tái)PLC 控制柜、1臺(tái)動(dòng)力柜和3 個(gè)轉(zhuǎn)接箱；PLC 控制柜、動(dòng)力柜放置在液壓集裝房?jī)?nèi)，3 個(gè)轉(zhuǎn)接箱置于貓道本體上，其中2 個(gè)放于左右基座處，1 個(gè)放于運(yùn)移臂上，房端與接線箱間通過(guò)插接件斷開(kāi)，保證運(yùn)輸時(shí)為獨(dú)立的運(yùn)輸單元。

2.2 動(dòng)力貓道電氣系統(tǒng)硬件選型

此控制系統(tǒng)采用西門子S7-1500CPU、DI、DOAI、AO 及TM 模塊。 低壓部分采用施耐德斷路器、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、繼電器等實(shí)現(xiàn)電源及信號(hào)控制。 無(wú)線遙控部分，將接收器放置在防爆柜體內(nèi)，天線置于柜外，發(fā)射器與接收器之間通過(guò)無(wú)線信號(hào)建立連接，完成輸送鉆具功能。 整個(gè)硬件回路結(jié)構(gòu)緊湊，功能完善，安全可靠，有效降低了故障發(fā)生率，保證動(dòng)力貓道在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中連續(xù)運(yùn)行。

2.3 動(dòng)力貓道控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

動(dòng)力貓道的控制部分從功能角度可以分為三部分:輸入部分、控制部分、輸出部分。 輸入部分由面板的開(kāi)關(guān)、按鈕及現(xiàn)場(chǎng)的接近開(kāi)關(guān)、編碼器、傳感器及隔離柵組成，控制部分由S7-1500 及繼電器回路組成，輸出部分由繼電器、各個(gè)執(zhí)行液缸電磁閥、比例閥組成，如圖2 所示。

圖2 牽引式動(dòng)力貓道控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

動(dòng)力貓道控制系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，按各個(gè)模塊的功能分為輸入模塊、輸出模塊、系統(tǒng)狀態(tài)處理模 塊、 設(shè) 備 運(yùn) 行 控 制 模 塊、 工 作 模 式 模 塊， 如圖3 所示。

圖3 牽引式動(dòng)力貓道控制軟件結(jié)構(gòu)

輸入模塊作為與外圍設(shè)備的接口模塊，實(shí)時(shí)獲取傳感器及接近開(kāi)關(guān)的信號(hào)，并將模擬量信號(hào)處理為可用的工程量信號(hào)，存入輸入數(shù)據(jù)塊。 系統(tǒng)狀態(tài)運(yùn)行塊從輸入數(shù)據(jù)塊及設(shè)備數(shù)據(jù)塊中獲取相應(yīng)設(shè)備的狀態(tài)，并進(jìn)行判定，將判定完的結(jié)果存儲(chǔ)在狀態(tài)數(shù)據(jù)塊中。設(shè)備運(yùn)行控制模塊及操作模式模塊從狀態(tài)數(shù)據(jù)塊中獲取數(shù)據(jù)，并根據(jù)相關(guān)邏輯及運(yùn)算控制相關(guān)設(shè)備及液壓缸動(dòng)作，并將數(shù)據(jù)存于設(shè)備數(shù)據(jù)塊中，輸出塊從設(shè)備數(shù)據(jù)塊中獲取相關(guān)數(shù)據(jù)輸出到I/O 口。

3.2 運(yùn)移臂上行和下行速度控制

運(yùn)移臂、支撐臂的動(dòng)力來(lái)源于坡道下的液壓絞車，PLC 輸出的模擬量信號(hào)輸送給驅(qū)動(dòng)比例閥的放大器，以此來(lái)線性調(diào)節(jié)比例閥的開(kāi)度，從而控制液壓絞車的速度，實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速。

現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)移臂上行工況:上行時(shí)，當(dāng)運(yùn)移臂后端離開(kāi)基座，前端與坡道頂住時(shí)，為上行最大受力點(diǎn)，若速度太快，運(yùn)移臂會(huì)對(duì)坡道的沖擊力太大，造成運(yùn)行不平穩(wěn)，設(shè)備損壞，進(jìn)一步引發(fā)故障和安全事故。 所以，既要在死點(diǎn)處進(jìn)行減速確保安全，又不能影響運(yùn)行效率，需保證死點(diǎn)前、死點(diǎn)處、死點(diǎn)后均以規(guī)定的速度運(yùn)行。 在程序中，根據(jù)編碼器實(shí)時(shí)反饋值確定移運(yùn)臂具體的位置，當(dāng)運(yùn)移臂運(yùn)行到死點(diǎn)設(shè)定位置時(shí)，按照滿速的80%運(yùn)動(dòng)，避免沖擊力過(guò)大，通過(guò)死點(diǎn)后恢復(fù)滿速運(yùn)行，保證設(shè)備安全、平穩(wěn)、高效運(yùn)行。

現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)移臂下行工況:由于運(yùn)移臂重力作用，下行速度太快，在運(yùn)移臂落回基座時(shí)，會(huì)下砸基座，對(duì)運(yùn)移臂和基座均造成損害，嚴(yán)重時(shí)造成安全事故。 所以在運(yùn)移臂下行到設(shè)定位置時(shí)進(jìn)行減速，以速度V1運(yùn)行保證運(yùn)移臂與基座接觸時(shí)無(wú)沖擊力。 假設(shè)當(dāng)前速度為V，則V1＝Vk(m/s)。

式中k為速度連續(xù)變化系數(shù)，k≤100%，到達(dá)減速點(diǎn)后，隨著運(yùn)移臂的下落k從100%降低到30%，在運(yùn)移臂后端與基座接觸時(shí)的速度為V1＝V30%，待運(yùn)移臂下落至基座內(nèi)后，以原速度V運(yùn)動(dòng)至起始位置停止。 圖4 為運(yùn)移臂下行速度曲線。

圖4 運(yùn)移臂速度曲線圖

4 型式試驗(yàn)

采用模擬現(xiàn)場(chǎng)的方式對(duì)該控制系統(tǒng)手動(dòng)＋自動(dòng)＋無(wú)線遙控模式的動(dòng)作流程、時(shí)效、穩(wěn)定性、控制精度進(jìn)行測(cè)試，如表1 所列。 試驗(yàn)如圖5。

圖5 牽引式動(dòng)力貓道型式試驗(yàn)

表1 牽引式動(dòng)力貓道型式試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)表明本控制系統(tǒng)性能優(yōu)異，各動(dòng)作銜接緊密，各參數(shù)優(yōu)于設(shè)計(jì)值，具備良好的穩(wěn)定性和較高的控制精度。 同時(shí)，其自動(dòng)模式和無(wú)線遙控模式降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了設(shè)備的安全性，受到客戶廣泛的贊譽(yù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

該動(dòng)力貓道已在油田現(xiàn)場(chǎng)使用并完成了多口井作業(yè)，輸送鉆具規(guī)格覆蓋3 1/2"～20"的各類鉆桿、鉆鋌、套管，適應(yīng)鉆具的最大長(zhǎng)度10.5 m，單根(升/降)循環(huán)時(shí)間(12 m 鉆臺(tái))≤80 s。 鉆井過(guò)程中未出現(xiàn)故障，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定；程序運(yùn)行良好，各類安全保護(hù)機(jī)制穩(wěn)定可靠，運(yùn)移臂在輸送鉆具過(guò)程中無(wú)沖擊及明顯晃動(dòng)；輸送鉆具效率高，替代人工作業(yè)，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高安全保障。 此動(dòng)力貓道控制系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足油田現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求，促進(jìn)石油鉆采裝備自動(dòng)化、智能化發(fā)展進(jìn)程，具有廣闊的市場(chǎng)前景。