立柱式排管機回轉角度高精度測量與自動化控制研究

張 娜，金 玲，郭秀琴，鄭 健， 吳昌亮

(1.中國石油集團工程技術研究院有限公司，北京 100206； 2.北京康布爾石油技術發展有限公司，北京 100206)

管柱處理是鉆井施工的主要工作之一，其勞動強度大，安全系數低。國際鉆井承包商協會(IADC)的統計數據顯示，管柱處理過程中的鉆井事故占總事故數的80%[1]。提高管柱處理的自動化程度,改善其作業環境極為重要。近年來，隨著“標準化、專業化、機械化、信息化”的深入推進，自動化鉆井裝備廣泛地被應用于鉆井作業，取得了良好效益[2-3]。以立柱式排管機為代表的自動化管柱處理裝置的主要運動形式之一是回轉運動，但是由于沒有回轉角度的測量或回轉角度的測量精度低，主要依賴人工控制，自動化程度很低，嚴重制約了管柱自動化處理裝備作用的發揮，亟需對其回轉角度高精度測量與自動化控制技術進行研究。

1 立柱式排管機回轉運動原理

回轉運動是指設備在一個平面內繞其回轉中心線往復回轉的運動形式，是自動化管柱處理裝置的主要動作，且各裝置的回轉運動原理類似[4-5]。

立柱式排管機是海洋鉆機的重要設備，目前已逐步運用到陸地鉆機[6]。典型的立柱式排管機主要包括上部支撐總成、立柱體、伸縮抓管機械臂總成、伸縮扶管機械臂總成、回轉裝置總成、下部行走裝置總成等[7-10]，如圖1所示。

回轉裝置總成主要由液壓馬達、傳動裝置和回轉支承等組成，如圖2所示。液壓馬達的動力經傳動裝置的輸出小齒輪傳至固定在下部行走裝置上的外齒圈，實現繞其回轉中心線轉動。回轉支承裝置用來連接立柱式排管機的回轉部分與下部行走裝置總成，并提供回轉運動所要求的約束，以保證回轉部分具有確定的運動，同時承受來自回轉部分的各類載荷及傾覆力矩。

圖1 典型立柱式排管機結構示意

圖2 立柱式排管機回轉裝置示意

2 回轉角度高精度測量

絕對值式旋轉編碼器是一種可直接編碼的測量元件,它把被測轉角轉換成相應的代碼，指示絕對位置，沒有積累誤差,可實現高精度。絕對值式編碼器光碼盤上有許多道光通道刻線， 每道刻線依次以2線、4線、8線、16線……編排,在編碼器的每一個位置，通過讀取每道刻線的通、暗,獲得組從2的零次方到2的n-1次方的唯一的2進制編碼(格雷碼)，這就稱為n位絕對編碼器。如圖3所示。

本文選用丹麥SCANCON公司的16位高精度絕對值式編碼器，測量精度高達0.005 5°。絕對值式旋轉編碼器不受停電干擾的影響，其輸出真值如表1所示。絕對編碼器由機械位置決定的每個位置是唯一的,無需記憶和找參考點，而且不用一直計數,可按需讀取其位置,抗干擾特性、數據的可靠性顯著提高。高精度編碼器全部用不銹鋼制造，防護等級為IP67。

圖3 接觸式編碼盤

表1 絕對值式旋轉編碼器輸出真值表

3 回轉高精度控制系統設計

3.1 高精度控制原理

基于高精度測量傳感器、液壓擺線馬達、液壓伺服比例系統、PLC控制系統等建立了回轉角度高精度測量與控制系統，將采集的角度信號傳輸給控制器，按既定算法，控制比例伺服閥動作，完成精確的定位與控制?？刂圃砣鐖D4所示。

圖4 控制原理

為控制旋轉柱的精確定位，采用旋轉編碼器，位置校驗點，左右限位保護、比例閥閥芯位置監控桿等多傳感器融合的定位系統。該控制系統以16位SSI旋轉編碼器與校驗傳感器作為測量反饋部件，高頻響比例方向閥(上配閉環位置控制比例放大器)、PLC、運動控制器作為控制部件，觸摸屏為指令與參數輸入部件，液壓馬達作為執行部件，通過調整PID對速度和位置的調整，可在0～230°使控制精度達到±0.3°，動作時間9 s內。校驗傳感器作為物理定點，與反饋位進行比較校驗，在許可范圍內可直接切換到標定角度，消除部分系統的累積誤差與擾動誤差，超出范圍認為測量反饋部件誤差過大，提示進行排查。該方法為管柱移運裝置旋轉控制部分提供了一種操作簡單，定位精確，時效性強，控制靈活的新方法。

采用閉環控制實現立柱的精準定位。該閉環控制系統由指令輸入模塊、比較模塊、校正裝置(PID控制器)、放大轉換模塊(高頻響伺服比例閥)、反饋檢測模塊(高精度數字量旋轉編碼器)、執行元件(低速大轉矩雙向定量馬達)以及控制對象(立柱)等組成。在要求時間內，立柱旋轉大角度時，馬達運行速度曲線為加速―勻速(高速)―減速―低速―停止(制動器抱剎)；當立柱旋轉小角度時，馬達運行速度曲線為加速―勻速(低速)―停止(制動器抱剎)。

本系統的控制核心為運動控制器、PLC。系統接受到預設的目標位，通過程序算法，可得到比例閥輸出的參考值，數模轉換后，由運動控制器經過PID運算后輸出電信號到高頻響比例閥的運動放大器上，驅動高頻響比例閥放大器輸出PWM脈沖信號，控制高頻響比例閥閥芯動作。旋轉編碼器實時反饋旋轉柱的測量值到運動控制器，運動控制器再根據反饋值按算法調整其輸出信號。旋轉柱上設置了初始位傳感器，此位置即作為裝置的原點位，也作為標定位置校驗。每次PLC接受到此傳感器的信號，都與旋轉編碼器測得的位置進行對比校驗，如果兩者的差值在±0.3°，則認為系統運行狀態正常；如果兩者差值超出范圍，則認為系統有異常，提示異常狀態與排查方式，裝置立即停止動作。

3.2 高精度控制系統設計

3.2.1 回轉機構液壓原理

回轉機構原液壓原理如圖5所示。

1—油箱；2—液位液溫計；3—空氣濾清器；4—放油閥(常閉)；5—溫度傳感器；6—恒壓變量泵；7—電機；8—連軸器；9—軟管；10—回油過濾器；11—空氣冷卻器；12—卸荷閥；13—安全閥；14—高壓油過濾器；15—壓力表；16—單向閥；17—液控單向閥；18—比例伺服閥；19—兩位四通電磁閥；20—梭閥；21—測壓接頭；22—補油單向閥；23—常閉式制動器；24—雙向定量馬達；25—旋轉編碼器。

立柱式排管機通常帶載回轉，轉動慣性大?；剞D制動時，轉臺慣性動能會導致系統油路壓力沖擊，最終以熱能形式散失造成能量浪費并使油溫升高，致使系統性能下降。參考其他工程設備中的能量回收系統[11-12]，利用蓄能器和泵/馬達二次元件組成回轉制動能量再利用系統，為避免這部分能量影響主回路，將用于立柱式排管機散熱系統，加入回轉制動能量回收及再利用系統的液壓原理如圖6所示。同原系統相比，回轉制動過程更加平穩，制動精度可靠，并可節能20%左右。

1—油箱；2—液位液溫計；3—空氣濾清器；4—放油閥(常閉)；5—溫度傳感器；6—恒壓變量泵；7—電機；8—連軸器；9—軟管；10—回油過濾器；11—空氣冷卻器；12—卸荷閥；13—安全閥；14—高壓油過濾器；15—壓力表；16/20—單向閥；17—液控單向閥；18—比例伺服閥；19—二位四通電磁方向閥；21—蓄能器；22—二位三通液控換向閥；23—雙向定量馬達；24—測壓接頭；25/28—溢流閥；26—二位二通電磁換向閥；27/29—順序閥；30—定量泵；31—單向定量馬達(散熱馬達)；32—旋轉編碼器；33—常閉式制動器；34—梭閥；35—壓力繼電器。

3.2.2 立柱正轉-停止過程

如圖5所示，根據立柱需要旋轉的角度，給控制系統輸入目標電信號指令，與馬達同軸的旋轉編碼器25為檢測反饋元件。YV1、YV2得電(12～20 mA)；二位四通電磁閥切換至左位，液控單向閥導通，比例伺服閥閥芯移動，閥口全開(P-A導通，B-T導通)。液壓油經單向閥、液控單向閥、比例伺服閥、進入雙向定量馬達，驅動馬達加速并高速旋轉(當旋轉角度較小時，閥口關小，低速旋轉接近目標)，馬達帶動立柱正轉。旋轉編碼器實時監測實際旋轉角度，與目標值指令作比較，當小于目標值，比例伺服閥繼續右位工作(P-A導通，B-T導通)，馬達繼續正轉，當實際檢測值接近目標值時，控制電流減小，閥口減小，馬達慢速旋轉，根據比較模塊得出的誤差調整閥口開度及方向，直至實際測量值等于目標值，比例伺服閥閥芯停止運動，停在中位，壓力卸荷，梭閥兩腔壓力接近于零，常閉式制動器在彈簧力作用下，抱剎馬達旋轉軸，馬達停轉，立柱停止旋轉，在常閉式制動器作用下，可長時間停機，無擺動。

3.2.3 立柱反轉-停止過程

如圖5所示，同立柱正轉控制方式，比例伺服閥小電流控制，閥芯反向移動，具體如下：

根據立柱需要旋轉的角度，給控制系統輸入目標電信號指令，與馬達同軸的旋轉編碼器為檢測反饋元件。YV1、YV2得電(4～12 mA)；兩位四通電磁閥切換至左位，液控單向閥導通，比例伺服閥閥芯移動，閥口全開(P-B導通，A-T導通)。液壓油經單向閥、液控單向閥、比例伺服閥、進入雙向定量馬達，驅動馬達加速并高速旋轉(當旋轉轉角度較小時，閥口關小，低速旋轉接近目標)，馬達帶動立柱反轉，旋轉編碼器實時監測實際旋轉角度，與目標值指令作比較，當小于目標值，比例伺服閥繼續左位工作(P-B導通，A-T導通)，馬達繼續反轉。當實際檢測值接近目標值時，控制電流減小，閥口減小，馬達慢速旋轉，根據比較模塊得出的誤差調整閥口開度及方向，直至實際測量值等于目標值，比例伺服閥閥芯停止運動，停在中位，壓力卸荷，梭閥兩腔壓力接近零，常閉式制動器在彈簧力作用下，抱剎馬達旋轉軸，馬達停轉，立柱停止旋轉，在常閉式制動器作用下，可長時間停機，無擺動。

3.2.4 馬達制動能量回收過程

如圖6所示，當在無精密定位需求，需快速旋轉停止工況時，YV1、YV2得電，兩位四通電磁閥切換至左位，液控單向閥導通，比例伺服閥閥口全開，液壓油經單向閥、液控單向閥、比例伺服閥、二位三通液控換向閥左位進入雙向定量馬達，馬達快速旋轉，旋轉編碼器檢測到達指定位置時，控制比例伺服閥、兩位四通電磁閥失電，比例伺服閥失電保護位使系統瞬間失壓，液控單向閥瞬間關閉，馬達供油被瞬間切斷，由于慣性，馬達回油腔壓力瞬間升高，馬達減速制動，在常閉式制動器作用下，馬達快速停止，單向閥起到補油作用。在此過程中，二位三通液控換向閥的閥芯克服設定的彈簧力，移動換向，當馬達正轉時，二位三通液控換向閥切換至右位，當馬達反轉時，二位三通液控換向閥切換至左位，馬達回油腔高壓油經二位三通液控換向閥進入蓄能器，進行蓄能充液。當多次制動能量回收，蓄能器壓力達到設定值時，順序閥油路導通，定量泵卸荷，壓力繼電器發信號，二位二通電磁換向閥得電，切換至下位，蓄能器代替定量泵向單向定量馬達(散熱馬達供油，散熱馬達旋轉，用于立柱式排管機散熱系統。

4 結論

1) 以立柱式排管機為代表的自動化管柱處理裝置的主要運動形式之一是回轉運動。由于沒有回轉角度的測量或回轉角度的測量精度低，自動化程度低，嚴重制約了其作用的發揮。

2) 采用絕對值式高精度旋轉編碼器，可顯著提高立柱式排管機回轉角度的測量精度。基于高精度測量傳感器、液壓擺線馬達、液壓伺服比例系統、PLC控制系統等設計回轉角度高精度測量與控制系統，可對立柱式排管機的回轉角度進行高精度測量與控制。

3) 加入回轉制動能量回收及再利用系統后，能量的利用效率顯著提高，使用成本下降。

4) 回轉角度高精度測量與控制技術提高了立柱式排管機的自動化程度、作業安全性和作業效率?？蓪ζ渌苤幚硌b備的回轉角度高精度測量與控制設計提供參考。