基于SIMATIC T-CPU垂直排管機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

田德寶，張鵬飛，張強(qiáng)，何慶，羅磊，王議（寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002）

基于SIMATIC T-CPU垂直排管機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

田德寶，張鵬飛，張強(qiáng)，何慶，羅磊，王議（寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002）

根據(jù)海洋鉆井平臺(tái)自動(dòng)排放工藝特點(diǎn)，以垂直排管機(jī)為研究對(duì)象，采用以西門子公司SIMATIC T-CPU為核心的控制器，通過西門子公司的分布式I/O PROFIBUS-DP總線接口模塊IM174和液壓伺服系統(tǒng)搭建了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，運(yùn)用SIMATIC T-CPU強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制功能，借助SIMATIC Tehnology進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，這種方案簡(jiǎn)單易行，可以實(shí)現(xiàn)垂直排管機(jī)控制功能。

垂直排管機(jī)；SIMATIC T-CPU；IM174模塊；SIMATIC Tehnology Abstract: According to the automatic discharge process characteristics of the offshore drilling platform, taking the vertical Pipe handing as the research object, we used the SIMATIC T-CPU as the core controller, and the Siemens distributed I/ O PROFIBUS-DP bus interface module IM174 and the hydraulic servo system as the motion control system. In addition, we used the SIMATIC T-CPU strong motion control functions with the SIMATIC technology for motion control. The practical test demonstrated that the scheme is simple and easy to implement, and can achieve the control function of the vertical Pipe handing.

海洋鉆井平臺(tái)作業(yè)自動(dòng)化操作的關(guān)鍵是各類管件（包括鉆桿、鉆鋌等）的自動(dòng)排放，鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)鉆桿從甲板排放架到井口、到指梁之間往復(fù)自動(dòng)化排放，垂直排管機(jī)是鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。主要用于在井口與指梁之間往返移送鉆桿立根操作，可與動(dòng)力輔助鼠洞、鐵鉆工和貓道配合完成離線單根接立根操作。其特點(diǎn)是具有危險(xiǎn)性；是一個(gè)重復(fù)性高而勞動(dòng)強(qiáng)度大的過程，要多人合作共同完成。在海上鉆井作業(yè)中，常遇到風(fēng)浪，工作環(huán)境惡劣，安全問題更為突出。同時(shí)，海上鉆井成本高，加快鉆井速度，縮短鉆井周期顯得尤為重要[1]。

作為一種典型的電液控制系統(tǒng)，其控制對(duì)象多，控制難度較大，并且對(duì)同步控制要求較高。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，本文介紹一種基于SIEMENS SIMATIC T-CPU運(yùn)動(dòng)控制的垂直排管機(jī)電氣控制系統(tǒng)，充分利用其同步控制功能，控制線路簡(jiǎn)單，安全可靠，系統(tǒng)智能化程度較高，在很大程度上提高了鉆井作業(yè)生產(chǎn)率。

1 系統(tǒng)概述

鉆桿排放系統(tǒng)由垂直排管機(jī)、指梁組成，垂直排管機(jī)的主要功能是完成鉆桿運(yùn)送排放工作，指梁則是完成立根的存放。

垂直排管機(jī)由主臂、立柱、尾臂、吊卡、提升絞車、上部小車、下部小車及上、下小車軌道組成。垂直排管機(jī)為立柱結(jié)構(gòu)，在立柱頂部和底部的軌道上各有1個(gè)直線行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使其沿軌道水平移動(dòng)，立柱底部的下驅(qū)動(dòng)裝置可以使立柱回轉(zhuǎn)297°。主臂安裝在立柱導(dǎo)軌上，通過安裝在立柱底部的絞車提升驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可沿立柱上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)鉆桿提升或下放，通過變幅機(jī)構(gòu)可以改變作業(yè)范圍，尾臂安裝在立柱底部，相對(duì)立柱無垂直運(yùn)動(dòng)，通過以上的直線行走運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及變幅運(yùn)動(dòng)的組合，垂直排管機(jī)作業(yè)范圍可以覆蓋井口、鼠洞及指梁位置[2]。

鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)中，通過電液轉(zhuǎn)換元件把控制系統(tǒng)進(jìn)行功率放大，對(duì)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行方向、位置和速度控制。為實(shí)現(xiàn)垂直排管機(jī)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置與速度的伺服控制，需要多個(gè)位移傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，由于在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上安裝傳感器不方便，傳感器設(shè)計(jì)安裝在液壓馬達(dá)軸或液壓缸上。

2 硬件選型及設(shè)計(jì)

2.1 總體思路

垂直排管機(jī)工作在1區(qū)場(chǎng)合，在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的硬件時(shí)，必須考慮防爆問題，采用防爆或隔爆的電氣元器件，防止發(fā)生爆炸時(shí)危及控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，將垂直排管機(jī)控制系統(tǒng)分為若干個(gè)模塊，電源模塊、PLC模塊、信號(hào)隔離模塊、信號(hào)放大模塊及執(zhí)行元件。在控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)過程中，可采用隔離安全柵將控制電路與本質(zhì)安全電路隔開，將控制電路及所有的接線端子均放在隔爆箱內(nèi)。

2.2 控制任務(wù)分析

根據(jù)對(duì)垂直排管機(jī)結(jié)構(gòu)和功能的描述可知，它有八個(gè)液壓軸——主臂、尾臂、絞車、旋轉(zhuǎn)立柱、上部小車、下部小車、主臂傾斜頭和尾臂傾斜頭。主臂末端裝有夾頭用來夾持管子，尾臂末端裝有導(dǎo)向頭用于扶持管子，尾臂跟隨主臂同步伸縮來運(yùn)送管子；絞車提升和下降主臂；旋轉(zhuǎn)立柱旋轉(zhuǎn)使兩臂指向目標(biāo)；小車用來指梁內(nèi)固定方向上移動(dòng)排管機(jī)，以適應(yīng)不同指梁行目標(biāo)；液壓軸通過比例閥來控制。

各個(gè)軸之間互相配合完成垂直排管機(jī)的所有動(dòng)作。在實(shí)際工作過程中，上部驅(qū)動(dòng)裝置和下部驅(qū)動(dòng)裝置保持同步運(yùn)行；主臂與挺桿在夾持管子時(shí)也要保持同步，并保持兩臂伸出長(zhǎng)度相同以保持管子豎直；兩臂傾斜頭在沒夾持管子時(shí)與兩臂同步運(yùn)行，以保持兩臂夾頭水平。各液壓軸的位移需要精準(zhǔn)的控制，并且特定軸之間的運(yùn)動(dòng)需要耦合。

垂直排管機(jī)系統(tǒng)的執(zhí)行元件有兩種：液壓馬達(dá)和液壓缸。其中，上部小車驅(qū)動(dòng)裝置和下部小車驅(qū)動(dòng)裝置是采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的，其余的執(zhí)行機(jī)構(gòu)均是采用液壓缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。在液壓系統(tǒng)中，液壓馬達(dá)需要通過調(diào)節(jié)液壓閥的開度來調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的方向和轉(zhuǎn)速，需要采用比例閥驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)，使閥的開度能夠隨輸入電壓的變化而發(fā)生變化。某些液壓缸需要通過調(diào)節(jié)比例閥的開度來調(diào)節(jié)液壓缸的伸縮速度，需要采用比例閥驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)，使閥的開度能夠隨輸入電壓的變化而發(fā)生變化。

2.3 控制器選型

根據(jù)對(duì)控制系統(tǒng)任務(wù)的分析，控制器考慮選擇SIEMENS S7 CPU317T-2DP，它采用SIMOTION Kernel軟件內(nèi)核，通過集成在STEP7環(huán)境下的工藝軟件包來配置和編程。集成的運(yùn)動(dòng)控制功能可以輕松地實(shí)現(xiàn)軸動(dòng)作控制，通過凸輪盤以插值表或多項(xiàng)式的方式實(shí)現(xiàn)軸之間的同步耦合。通過PROFIBUS-DP(Drive)總線接口，采用先進(jìn)的等時(shí)同步PROFIBUS DP模式，連接控制多種伺服驅(qū)動(dòng)器、變頻器，組成分布式的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，DP總線的通訊實(shí)時(shí)性好。組態(tài)軟件采用WinCC，功能強(qiáng)大，畫面豐富，使用方便，完全可以實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的控制功能[3][4]。

模擬量驅(qū)動(dòng)接口模塊采用西門子分布式I/O PROFIBUS模塊IM174，最多支持4個(gè)軸[5]。編碼器直接連接到IM174的X3、X4、X5、X6接口，通過通訊接口X1傳遞給CPU。X2是模擬量輸出端口，用于控制比例閥。控制系統(tǒng)主要設(shè)備清單如表1所示，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

表1 控制系統(tǒng)主要設(shè)備清單

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3 軟件實(shí)現(xiàn)

T-CPU的所有參數(shù)設(shè)置都可以在STEP7軟件中集中完成，包

括硬件參數(shù)和軟件參數(shù)，硬件參數(shù)設(shè)置是在STEP7軟件的硬件組態(tài)中完成，而軟件參數(shù)的設(shè)置主要是在安裝了技術(shù)功能軟件包的STEP7中的S7 T-Config中實(shí)現(xiàn)，它既可以單獨(dú)運(yùn)行，也可以集成在STEP7中統(tǒng)一調(diào)用，使用非常方便[6]。

和常規(guī)的S7-300CPU 一樣，T-CPU的編程是在STEP7的OB，F(xiàn)B中實(shí)現(xiàn)的。調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制模塊是在左側(cè)窗口欄“Labraries”的下拉菜單“S7-Tech”的“S7-Tech V4.1”中實(shí)現(xiàn)的。在這里可以調(diào)用單軸的供電模塊（MC_power）、復(fù)位模塊（MC_Reset）、回零模式（MC_Home）、停車模式（MC_ Halt）、絕對(duì)運(yùn)動(dòng)（MC_MoveAbsolute）、相對(duì)運(yùn)動(dòng)（MC_ MoveRelative）、附加運(yùn)動(dòng)（MC_MoveAdditve）、速度控制運(yùn)動(dòng)（MC_MoveVelocity）,根據(jù)實(shí)際情況，可以使用不同運(yùn)動(dòng)控制方式來實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)。手動(dòng)模式程序流程圖如圖2所示，垂直排管機(jī)人機(jī)界面如圖3所示。

圖2 手動(dòng)模式程序流程圖

圖3 垂直排管機(jī)人機(jī)界面

4 結(jié)束語

本文根據(jù)垂直排管機(jī)工藝特點(diǎn)設(shè)計(jì)了基于液壓軸的控制系統(tǒng)，構(gòu)建了以西門子T-CPU及IM174接口模塊為基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)控制方案，實(shí)現(xiàn)了垂直排管管柱自動(dòng)排放功能。該系統(tǒng)的成功應(yīng)用，為后續(xù)的鉆柱自動(dòng)化智能裝備帶來了新思路。

[1] 劉文慶, 崔學(xué)政, 張富強(qiáng). 鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)的發(fā)展及典型結(jié)構(gòu)[J]. 石油礦場(chǎng)機(jī)械, 2007, 36(11): 74 - 77.

[2] 何鴻. 鉆井平臺(tái)鉆桿自動(dòng)化排放系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)[J]. 石油礦場(chǎng)機(jī)械, 2012, 41(9): 82 - 84.

[3] 西門子中國工業(yè)自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán). SIMATIC T - CPU功能說明及使用[DB/OL]. http://www2.ad.siemens.com.cn/download/html/2547.aspx.

[4] 西門子中國工業(yè)自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán). T - CPU用戶指導(dǎo)手冊(cè)[DB/OL]. http://www.ad.siemens.com.cn/products/as/somatic/download/T_CPU.pdf.

[5] 西門子中國工業(yè)自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán). 分布式I/O PROFIBUS模塊IM174手冊(cè) [DB/OL]. http://support.automation.siemens.com /CN/llisapi.dll?func=cslib.c sinfo&lang=zh&siteid=cseus&objid=23910075

[6] 龔慧斌, 鄭姍姍, 聞娟. 一種基于SIMATICT T - CPU的運(yùn)動(dòng)控制伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 伺服及PLC控制系統(tǒng), 2010, (1): 33 - 35.

Application of Vertical Pipe Handing Control System Based on SIMATIC T-CPU

Vertical pipe handing；SIMATIC T-CPU；IM174 module；SIMATIC Technology

B

1003-0492(2016)09-0076-03

TP271+.4

田德寶（1983-），男，河南南陽人，工程師，碩士，現(xiàn)主要從事石油裝備設(shè)計(jì)及配套工作。