基于TTC 60的修井專用型自動(dòng)貓道控制系統(tǒng)

李 勇

(中石化石油工程機(jī)械有限公司第四機(jī)械廠，湖北 荊州 434024)

基于TTC60的修井專用型自動(dòng)貓道控制系統(tǒng)

李 勇

(中石化石油工程機(jī)械有限公司第四機(jī)械廠，湖北 荊州 434024)

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)各油田修井作業(yè)中管具上下鉆臺(tái)操作仍以人工作業(yè)為主，勞動(dòng)強(qiáng)度大，管具的滾動(dòng)特性很容易在移送過程中發(fā)生跌落、翻滾現(xiàn)象而導(dǎo)致操作人員受到人身傷害的問題，介紹了一種新型修井專用型自動(dòng)貓道。重點(diǎn)闡述基于TTC 60的修井專用型自動(dòng)貓道控制系統(tǒng)，完成了控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，關(guān)鍵硬件選型，控制工作過程與軟件流程圖的設(shè)計(jì)。

控制系統(tǒng) 自動(dòng)貓道 TTC 60 CAN總線 自動(dòng)記憶

自動(dòng)貓道系統(tǒng)是一種可用于將管具提升送至鉆臺(tái)或?qū)@臺(tái)上管具下放、整齊排列的一種特殊設(shè)備。該系統(tǒng)能夠安全、有效地處理管具，可選的遠(yuǎn)程無線控制功能可使操作人員遠(yuǎn)離鉆臺(tái)，避免了管具自行滾動(dòng)可能造成的人員傷害風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于油田安全生產(chǎn)有著重要的意義[1]。目前，國(guó)內(nèi)各油田修井作業(yè)中管具上下鉆臺(tái)操作仍以人工作業(yè)為主，勞動(dòng)強(qiáng)度大，管具的滾動(dòng)特性使其很容易在移送過程中發(fā)生跌落、翻滾現(xiàn)象而導(dǎo)致操作人員受傷。為此，中石化石油工程機(jī)械有限公司第四機(jī)械廠結(jié)合我國(guó)各油田作業(yè)的實(shí)際工況，研發(fā)了一款修井專用型動(dòng)力貓道，替代傳統(tǒng)的人工作業(yè)。筆者基于這款貓道開發(fā)了智能型動(dòng)力貓道控制系統(tǒng)。

修井專用型自動(dòng)貓道(以下簡(jiǎn)稱自動(dòng)貓道)由機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)(圖1)、液壓使能機(jī)構(gòu)和自動(dòng)控制系統(tǒng)組成。

圖1 自動(dòng)貓道機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)

機(jī)械結(jié)構(gòu)在整個(gè)作業(yè)流程中執(zhí)行以下動(dòng)作：托盤翻轉(zhuǎn)油缸伸縮可以使貓道三角托盤轉(zhuǎn)向左、右管排架；管具翻轉(zhuǎn)油缸伸出推動(dòng)翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)將管排架上的管柱翻轉(zhuǎn)到貓道三角托盤中；起升油缸伸出，推動(dòng)貓道起升部分抬升到鉆臺(tái)面位置；貓道滑移油缸伸縮，推動(dòng)三角托盤將管柱送至井口位置。

2 自動(dòng)貓道控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

自動(dòng)貓道的液壓使能系統(tǒng)主要由哈維多路電磁比例換向閥、溢流閥、節(jié)流閥和液壓油缸組成。 根據(jù)自動(dòng)貓道機(jī)械執(zhí)行部分的工作工藝流程，設(shè)計(jì)如圖2所示的自動(dòng)貓道整體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖2 自動(dòng)貓道整體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

TTC 60高速可編程邏輯控制器作為自動(dòng)貓道控制系統(tǒng)的控制核心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、邏輯控制和系統(tǒng)保護(hù)；人機(jī)交互界面HIM可以使用戶自行設(shè)定各油缸的運(yùn)行速度，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)可動(dòng)態(tài)演示貓道起升狀態(tài)。

3 自動(dòng)貓道控制系統(tǒng)關(guān)鍵硬件選型

自動(dòng)貓道控制系統(tǒng)的控制核心選用TTC 60高速控制器，TTC 60采用XC2287(16bit總線、 32bit運(yùn)算器)80MHz處理器，能滿足數(shù)據(jù)處理和邏輯控制任務(wù)。它包含了兩個(gè)CAN總線接口，1個(gè)RS232串口，可以在Codesys?2.3和C/C++編程環(huán)境下進(jìn)行程序編制。此外，TTC 60包含了足夠的I/O點(diǎn)、AI/AO和PWM輸出通道，滿足自動(dòng)貓道控制系統(tǒng)控制工藝的要求，且具有很寬的環(huán)境溫度適應(yīng)范圍(-60～80℃)，對(duì)我國(guó)這樣一個(gè)地域面積寬廣的國(guó)家有廣泛的適應(yīng)性。

為了方便監(jiān)控自動(dòng)貓道系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，用戶自行設(shè)定各油缸運(yùn)行速度，采用瑞典北爾低溫觸摸屏，其使用溫度在-30～70℃，適應(yīng)范圍廣，具有良好的交互性。

為了實(shí)現(xiàn)減小貓道起升部分下落時(shí)的機(jī)械沖擊，在起升部分安裝傾角傳感器，其測(cè)量范圍為0～90°，誤差范圍為0.01；輸出4～20mA標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號(hào)，通過信號(hào)變化調(diào)整IPWM輸出信號(hào)，使其保持線性減速，在起升部分到達(dá)水平位置時(shí)油缸速度減少到零，達(dá)到減少機(jī)械沖擊的目的。

為了保持PWM信號(hào)的穩(wěn)定性，選用CAN IO模塊，兩個(gè)CAN IO共有8個(gè)IPWM通道，正好滿足自動(dòng)貓道工藝要求，IPWM信號(hào)與PWM信號(hào)相比，具有電流信號(hào)反饋功能，CAN IO模塊可根據(jù)其反饋信號(hào)來調(diào)整IPWM信號(hào)輸出，確保比例電磁閥控制的穩(wěn)定性。

4 自動(dòng)貓道系統(tǒng)控制邏輯設(shè)計(jì)

自動(dòng)貓道控制系統(tǒng)采用本地/遙控兩種工作模式。

本地模式下有“手動(dòng)/自動(dòng)”兩種選擇：

a. 選擇“手動(dòng)”。工況選擇，根據(jù)實(shí)際作業(yè)需求來選擇相應(yīng)的工況；“左右排”選擇，選擇動(dòng)力貓道是從左管排架還是右管排架開始作業(yè)；按照相應(yīng)的工藝流程逐個(gè)操作控制開關(guān)來完成整個(gè)作業(yè)工藝。

b. 選擇“自動(dòng)”。工況選擇，根據(jù)實(shí)際作業(yè)需求來選擇相應(yīng)的工況；“左右排”選擇，選擇動(dòng)力貓道是從左管排架還是右管排架開始作業(yè)；操作“下一步”瞬動(dòng)開關(guān)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)會(huì)按照PLC預(yù)先編制好的作業(yè)工序來逐步完成整個(gè)作業(yè)工藝，每一步完成后有相應(yīng)的指示燈顯示。

c. “自動(dòng)”模式下選擇“記憶”模式。分別按照“左排”“右排”自動(dòng)流程工藝，操作每一步對(duì)應(yīng)開關(guān)，將整個(gè)流程走完；“自動(dòng)”模式下將選擇開關(guān)從“記憶”模式切換到“釋放”模式，程序?qū)⒆詣?dòng)記錄在“記憶”模式下各步驟所需時(shí)間，自動(dòng)流程將按照此記憶時(shí)間來執(zhí)行。

自動(dòng)模式的整個(gè)工作流程如圖3所示。

a. 鉆桿上行

b. 鉆桿下行

遙控模式時(shí)，在遠(yuǎn)程無線遙控器操作面板上按照相應(yīng)的工藝流程逐個(gè)操作控制開關(guān)來完成整個(gè)作業(yè)工藝。

為了方便監(jiān)控自動(dòng)貓道系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)、故障狀態(tài)并記錄，選用北爾觸摸屏作為自動(dòng)貓道人機(jī)界面，人機(jī)界面共設(shè)計(jì)5個(gè)畫面：主界面、參數(shù)設(shè)置面、時(shí)間設(shè)置、故障記錄界面和狀態(tài)監(jiān)控界面(圖4)。

圖4 自動(dòng)貓道的運(yùn)行監(jiān)控界面

5 結(jié)束語

經(jīng)過廠內(nèi)型式試驗(yàn)和油田工業(yè)試驗(yàn)，自動(dòng)貓道能夠較好地完成管柱上送下移工作，滿足了油田現(xiàn)場(chǎng)降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、減少作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)、提高工作效率的需求?；赥TC 60高速控制器的自動(dòng)貓道控制系統(tǒng)，能夠按照自動(dòng)貓道所要求的工藝過程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)貓道機(jī)械裝置各個(gè)動(dòng)作環(huán)節(jié)的手動(dòng)與自動(dòng)模式邏輯控制功能，自動(dòng)記憶功能使自動(dòng)貓道可以適應(yīng)不同高度井口平臺(tái)，保證了自動(dòng)貓道裝置的適應(yīng)性，用戶可以方便地將該設(shè)備在不同的井口平臺(tái)上使用。目前，該設(shè)備已在大慶油田現(xiàn)場(chǎng)使用十余套，效果良好，但需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋對(duì)其做進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

[1] 趙淑蘭，李文彪，聶永晉，等.動(dòng)力貓道技術(shù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39(2)：13～15.

TH165+.2

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1000-3932(2016)02-0203-03

2015-06-15(修改稿)