摘 要：常規(guī)鉆井管柱自動(dòng)輸送系統(tǒng)由于在模塊間缺少邏輯控制，導(dǎo)致鉆井管柱輸送成功率較低，因此設(shè)計(jì)基于PLC技術(shù)的鉆井管柱自動(dòng)輸送系統(tǒng)。通過(guò)分析系統(tǒng)的基本功能需求，將PLC作為自動(dòng)輸送系統(tǒng)的控制核心，通過(guò)供電滑觸線、管柱朝向檢測(cè)模塊、管柱翻轉(zhuǎn)模塊、管柱提升模塊和PLC控制模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件部分，對(duì)模塊間進(jìn)行邏輯控制；在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)軟件部分，根據(jù)自動(dòng)輸送系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，對(duì)單根管柱與多層多列管柱的輸送路徑進(jìn)行規(guī)劃，結(jié)合系統(tǒng)硬件完成自動(dòng)輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在不同輸送速度下的總成功率都在98%以上。

關(guān)鍵詞：PLC技術(shù)；鉆井管柱；自動(dòng)輸送；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TD41文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號(hào)：1671-5276（2024）03-0172-05

Design of Automatic Transportation System for Drilling String Based on PLC Technology

Abstract：For the low success rate of drilling string transportation due to lack of logic control between modules in the conventional drilling string automatic transportation system， the automatic transportation system of drilling string based on PLC technology is designed. According to the analysis of the basic functional requirements of the system， the PLC is taken as the control core of the automatic conveying system to design the hardware of the system by the power supply sliding contact line， the pipe orientation detection module， the pipe column turnover module， the pipe column lifting module and the PLC control module， and the logic control between the modules is carried out. Based on the hardware design of the system， the software part is designed. According to the working characteristics of the automatic conveying system， the conveying path of single string and multi-layer multi row string is planned， and the automatic conveying system is designed with the system hardware. The experimental results show that the total success rate of the designed system is over 98% at different transportation speeds.

Keywords：PLC technology; drilling string; automatic conveying; system design

0 引言

在鉆井管柱輸送工程中，當(dāng)前大多采用人工定點(diǎn)輸送管柱的操作方式。該方式極大地限制了工作效率，同時(shí)存在輸送總成功率低的不足［1-2］。因此，迫切需要一套自動(dòng)化程度較高的輸送設(shè)備來(lái)解決以上問(wèn)題。目前常用的自動(dòng)輸送系統(tǒng)有：文獻(xiàn)［3］提出的自動(dòng)化鉆機(jī)管柱輸送控制系統(tǒng)，但該系統(tǒng)管柱輸送過(guò)程中的運(yùn)算量較大，流程煩瑣，因此系統(tǒng)性能還有待研究；文獻(xiàn)［4］提出的基于路徑規(guī)劃的大容量鉆桿自動(dòng)輸送系統(tǒng)，因該方法忽略了系統(tǒng)各參數(shù)變化的影響，故輸送效果較差。鑒于此，本文提出基于PLC技術(shù)的鉆井管柱自動(dòng)輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用PLC技術(shù)的可編程控制功能對(duì)系統(tǒng)的模塊部分進(jìn)行邏輯控制，綜合提高系統(tǒng)輸送的總成功率。

1 鉆井管柱自動(dòng)輸送系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為確保地面鉆桿自動(dòng)輸送系統(tǒng)研制成功，在系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足自動(dòng)化程度高、可靠性和時(shí)效性強(qiáng)的要求。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要包括機(jī)械和輸送兩部分，管柱自動(dòng)輸送系統(tǒng)的機(jī)械部分主要包括管柱庫(kù)、管柱裝拆、管柱排放和管柱舉升裝置四部分。管柱排放裝置用于將已經(jīng)接好的管柱按順序排放，方便取用；管柱舉升裝置可將管柱從地面水平狀態(tài)舉升至與鉆井平臺(tái)垂直的相應(yīng)位置，方便鉆臺(tái)管柱處理裝置的操作［5］。以上各個(gè)裝置采取液壓傳動(dòng)方式，監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)對(duì)各個(gè)裝置液壓系統(tǒng)的控制，使各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照預(yù)設(shè)程序執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作；系統(tǒng)對(duì)不同位置傳感器采集數(shù)據(jù)判斷與分析，完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以便在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)切換為手動(dòng)控制模式或停機(jī)檢查，避免造成安全事故［6］。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)是管柱輸送過(guò)程的自動(dòng)化能否達(dá)到井場(chǎng)要求的主要因素之一。系統(tǒng)硬件部分主要包括系統(tǒng)供電滑觸線、管柱朝向檢測(cè)模塊、管柱翻轉(zhuǎn)模塊、管柱提升模塊、PLC控制模塊，能夠有效實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制與狀態(tài)監(jiān)視，節(jié)省人力和時(shí)間成本，提高井場(chǎng)設(shè)備自動(dòng)化水平和安全系數(shù)。

2.1 系統(tǒng)供電滑觸線

本系統(tǒng)在輸送過(guò)程中的供電方式為三相供電，選用型號(hào)為DHG-4-10的銅排滑觸線。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的便攜性以及考慮到用電的安全性，在滑觸線外圍設(shè)置兩臺(tái)三相交流變壓器。該變壓器可實(shí)現(xiàn)將380 V轉(zhuǎn)換為240 V的交流電［7］。滑觸線在240 V的交流電下為系統(tǒng)供電，同時(shí)，變壓器又將240 V交流電升壓至380 V，為PLC控制提供電能。供電滑觸線的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

導(dǎo)電刷作為滑觸線的輔件，安裝用于系統(tǒng)輸送車(chē)運(yùn)行的不銹鋼矩形軌道上方，從滑觸線處獲取到240V交流電后，通過(guò)鋁絞線將電能輸送到取電車(chē)的電源上，而電源插座將電能提供給系統(tǒng)的機(jī)械部分、管柱檢測(cè)、翻轉(zhuǎn)以及提升機(jī)構(gòu)。為了保證電能輸送的流暢性，需要增大導(dǎo)電刷與滑觸線的過(guò)流面積。所以，導(dǎo)電刷的選型為銅基石墨的雙聯(lián)導(dǎo)電刷，其過(guò)流面積為50cm2，過(guò)流能力高達(dá)500A。由于供電滑觸線為銅基石墨壓鑄制成，所以具有極強(qiáng)的潤(rùn)滑性，可提高導(dǎo)電刷的耐磨性和延長(zhǎng)使用壽命。導(dǎo)電刷與其底座之間使用了彈簧，保證了其與線軌之間始終存有一定壓力，同時(shí)能夠自由伸縮，避免出現(xiàn)導(dǎo)電刷在返回管柱排放裝置時(shí)由于受力不均勻而產(chǎn)生斷裂的現(xiàn)象。

2.2 管柱朝向檢測(cè)模塊

朝向檢測(cè)的目的是檢測(cè)出管柱的朝向。根據(jù)兩個(gè)水平設(shè)置磁性傳感器感應(yīng)的信號(hào)判斷平躺放置的管柱是大端朝向鉆井還是小端朝向鉆井，實(shí)現(xiàn)對(duì)平躺狀態(tài)的管柱朝向檢測(cè)［8］。管柱的大小頭朝向檢測(cè)程序流程如圖1所示。預(yù)先規(guī)定大頭鉆井的朝向狀態(tài)為正，將檢測(cè)結(jié)果記錄在事先設(shè)計(jì)好的專用數(shù)據(jù)區(qū)域中。當(dāng)朝向?yàn)榉磿r(shí)，則需要對(duì)翻轉(zhuǎn)模塊發(fā)出指令，對(duì)管柱執(zhí)行翻轉(zhuǎn)動(dòng)作并再一次檢測(cè)管柱朝向。若正常，則進(jìn)行下一步操作。

2.3 管柱翻轉(zhuǎn)模塊

翻轉(zhuǎn)程序的目的是對(duì)管柱進(jìn)行選擇性翻轉(zhuǎn)。首先讀取管柱的朝向狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果，對(duì)比預(yù)先設(shè)置好的朝向，當(dāng)朝向相反時(shí)，管柱則需要翻轉(zhuǎn)。翻轉(zhuǎn)時(shí)，握持氣缸、翻轉(zhuǎn)氣缸和提升氣缸這3個(gè)氣缸按照順序協(xié)調(diào)動(dòng)作，翻轉(zhuǎn)程序流程如圖2所示。管柱翻轉(zhuǎn)模塊是下一道工序，用于識(shí)別提升管柱的位置狀態(tài)并進(jìn)行修正操作，確保所有管柱位置狀態(tài)均與預(yù)先設(shè)置的狀態(tài)一致。當(dāng)接收到來(lái)自管柱檢測(cè)模塊的翻轉(zhuǎn)命令時(shí)，PLC將會(huì)讀取此時(shí)的管柱位置狀態(tài)信息，核實(shí)與預(yù)先設(shè)置的狀態(tài)是否一致，若一致，則不執(zhí)行翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，并垂直握持管柱，緩慢下放，之后立即啟動(dòng)自動(dòng)輸送車(chē)；若不一致，則進(jìn)行翻轉(zhuǎn)操作。翻轉(zhuǎn)過(guò)程為：同時(shí)伸縮握持氣缸和提升氣缸，當(dāng)管柱被提升至一定高度直到與自動(dòng)輸送小車(chē)完全脫離后，伸縮翻轉(zhuǎn)氣缸，將管柱翻轉(zhuǎn)180°，之后所有氣缸同時(shí)伸縮，將翻轉(zhuǎn)到位的管柱放置于自動(dòng)輸送小車(chē)上，接著松開(kāi)管柱，這樣完成整個(gè)管柱翻轉(zhuǎn)動(dòng)作。

2.4 管柱提升模塊

提升程序的任務(wù)是通過(guò)定位光電傳感器，將管柱從1.4m的自動(dòng)收集輸送帶上提升到1.8m的主傳輸輸送帶上，提升程序流程如圖3所示。當(dāng)管柱經(jīng)過(guò)翻轉(zhuǎn)校正位置狀態(tài)，到達(dá)提升模塊后，該模塊的末端配有光電傳感器，傳感器被觸發(fā)后，輸送小車(chē)將自動(dòng)停止輸送。管柱提升模塊包括兩套氣缸，分別用于提升和將提升上來(lái)的管柱推入到主傳輸傳送帶上。

2.5 PLC控制模塊

將PLC作為自動(dòng)輸送系統(tǒng)的控制核心，利用其可編程控制功能，負(fù)責(zé)接收并處理系統(tǒng)硬件傳輸?shù)男盘?hào)數(shù)據(jù)以及各模塊間的邏輯控制。對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理后，傳輸給模塊單元并輸出能夠控制驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)，進(jìn)而達(dá)到自動(dòng)輸送的目的。

根據(jù)系統(tǒng)的需要，在滿足系統(tǒng)要求的前提下，選用性價(jià)比較高的CPM1A- 30CDR- A型號(hào)PLC，該型號(hào)PLC的輸入端子為18個(gè)，輸出端子為12個(gè)，其端子數(shù)量滿足系統(tǒng)要求且無(wú)大量端子剩余。PLC的I/O分配表如表2所示。

表2中輸入地址的輸入端子為系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕的信號(hào)輸入端子，輸出地址是自動(dòng)輸送機(jī)系統(tǒng)主回路接觸器線圈輸出端子。輸入部分為系統(tǒng)啟動(dòng)、系統(tǒng)停止、系統(tǒng)故障顯示、電路復(fù)位以及保護(hù)限位開(kāi)關(guān)、解除輸入信號(hào)等。輸出和輸入部分與軟件部分均采用RS232通信。

實(shí)現(xiàn)鉆桿輸送系統(tǒng)的自動(dòng)化，需要將各位置的限位開(kāi)關(guān)、現(xiàn)場(chǎng)控制器、工作站以及軟件程序結(jié)合起來(lái)進(jìn)行綜合考慮。通過(guò)對(duì)管柱朝向檢測(cè)模塊、翻轉(zhuǎn)模塊、提升模塊、PLC控制模塊以及供電滑觸線的設(shè)計(jì)，完成自動(dòng)輸送系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于上述系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件部分，根據(jù)自動(dòng)輸送系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，對(duì)單根管柱與多層多列管柱的輸送路徑進(jìn)行規(guī)劃，具體流程如下。

3.1 單根管柱輸送路徑規(guī)劃

根據(jù)自動(dòng)輸送系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，對(duì)于單根管柱的輸送路徑，其路徑起始點(diǎn)為初始放置位置，終點(diǎn)為提升模塊的輸送終點(diǎn)。因此，分別定義3個(gè)坐標(biāo)系，即基準(zhǔn)坐標(biāo)系O、起始坐標(biāo)系S和終點(diǎn)坐標(biāo)系E。3個(gè)坐標(biāo)系的原點(diǎn)均為管柱的質(zhì)心，且鉆井方向?yàn)?x，向上提升方向?yàn)?y，垂直質(zhì)心方向?yàn)?z。

以基準(zhǔn)坐標(biāo)系為第一坐標(biāo)系，即管柱在起始坐標(biāo)系和終點(diǎn)坐標(biāo)系上的位移量均是相對(duì)于基準(zhǔn)坐標(biāo)系而言的，故起始坐標(biāo)系與終點(diǎn)坐標(biāo)系在x、y、z軸上的位移分量是不相同的。因此，需將管柱的起始坐標(biāo)系和終點(diǎn)坐標(biāo)系沿基準(zhǔn)坐標(biāo)系的3個(gè)坐標(biāo)軸分別進(jìn)行平移。平移的路徑向量為

r=（xEO，yEO，zEO）－（xSO，ySO，zSO）（1）

式中：（xEO，yEO，zEO）表示管柱在終點(diǎn)坐標(biāo)系中沿x，y，z軸的位移量；（xSO，xSO，xSO）表示管柱在起點(diǎn)坐標(biāo)系中沿x，y，z軸的位移量。則得到管柱在直角坐標(biāo)系中3個(gè)方向的位移，管柱在直角坐標(biāo)系中的輸送路徑為沿x、y、z分別平移rx、ry、rz的長(zhǎng)度，通過(guò)3個(gè)方向位移，規(guī)劃管柱的輸送路徑，其表達(dá)式為

3.2 多層多列管柱輸送路徑規(guī)劃

式中p、q分別表示管柱的列數(shù)和行數(shù)，且1≤p≤n，1≤q≤m。

根據(jù)上述規(guī)劃的單根管柱輸送路徑和多層多列管柱輸送路徑，完成鉆井管柱自動(dòng)輸送，最后結(jié)合系統(tǒng)硬件完成自動(dòng)輸送系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

鉆井管柱自動(dòng)輸送系統(tǒng)能夠自動(dòng)將輸送車(chē)上的管柱取出并投入到鉆井中，大大提高了工作效率。為測(cè)試本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工作效果，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能試驗(yàn)。

4.1 測(cè)試準(zhǔn)備

整個(gè)系統(tǒng)輸送線主要分為5段設(shè)計(jì)，各模塊均依靠變頻器進(jìn)行調(diào)速，實(shí)現(xiàn)各模塊順利、有序地進(jìn)行。輸送線路示意圖如圖4所示。

輸送線1為自動(dòng)收集模塊，其速度為V1，速度較慢；輸送線2、3分別為主傳輸1#、2#，其速度為V2、V3，速度較快；輸送線4為檢測(cè)模塊路徑，其速度為V4；輸送線5為提升模塊路徑，其速度為V5。自動(dòng)收集模塊輸送線速度V1較慢，主傳輸皮帶輸送比較長(zhǎng)，分為兩段，其任務(wù)是將收集好的鉆井管柱快速地輸送到下一道工序，且為了拉開(kāi)管柱之間的距離，后一段輸送速度要大于前一段，即V2＜V3；管柱檢測(cè)模塊的任務(wù)是將主傳輸輸送來(lái)的管柱進(jìn)行朝向檢測(cè)，然后再進(jìn)行提升。同樣，為了拉開(kāi)管柱之間的距離，檢測(cè)模塊的輸送速度要大于提升模塊的速度，即V4gt;V5。管柱輸送過(guò)程中的動(dòng)作參數(shù)如表3所示。

將表3中沿相同坐標(biāo)系移動(dòng)的參數(shù)值與管柱起點(diǎn)坐標(biāo)相加，其中，正向取“+”，負(fù)向取“-”，實(shí)現(xiàn)輸送路徑的起點(diǎn)與終點(diǎn)的重合，消除了路徑偏差對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

4.2 測(cè)試說(shuō)明

試驗(yàn)分為A區(qū)和B區(qū)兩個(gè)區(qū)域，在兩個(gè)區(qū)域中各隨機(jī)選取5根供鉆井管柱進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)行管柱高通量輸送系統(tǒng)聯(lián)機(jī)自動(dòng)運(yùn)行輸送試驗(yàn)。A區(qū)選取的行號(hào)為9、14、65、80和111；B區(qū)選取的行號(hào)為18、24、51、100和138。試驗(yàn)時(shí)，觀察鉆井管柱的提升和放置過(guò)程、管柱移動(dòng)過(guò)程和各機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)對(duì)每根管柱送檢時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)。試驗(yàn)開(kāi)始后，系統(tǒng)依次從管柱排放裝置中提取管柱并輸送到指定位置。

4.3 系統(tǒng)輸送效果實(shí)驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)的鉆井管柱自動(dòng)輸送系統(tǒng)的工作過(guò)程主要分為管柱抓取、管柱握持和管柱投入三部分，只有這三個(gè)環(huán)節(jié)全部完成才算成功。因此，在本試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，由專人分別統(tǒng)計(jì)抓取、握持及投入作業(yè)成功時(shí)的管柱個(gè)數(shù)，對(duì)其結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并得出相應(yīng)的抓取成功率、握持成功率及投入成功率。

由于系統(tǒng)的作業(yè)成功率與輸送速度有關(guān)，因此，實(shí)驗(yàn)中分別在3根/min、6根/min和9根/min這3個(gè)輸送速度下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，并統(tǒng)計(jì)輸送成功率。得到的各過(guò)程成功率統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)圖5可知，本文系統(tǒng)的管柱抓取、管柱握持與管柱投入的成功率均達(dá)到了95%以上，成功率較高，具有實(shí)用性。

4.4 輸送成功率對(duì)比試驗(yàn)分析

為更加直觀地體現(xiàn)出設(shè)計(jì)的系統(tǒng)整體性能的優(yōu)越性，分別采用文獻(xiàn)［3］設(shè)計(jì)的自動(dòng)化鉆機(jī)管柱輸送控制系統(tǒng)（系統(tǒng)1）和文獻(xiàn)［4］設(shè)計(jì)的基于路徑規(guī)劃的大容量鉆桿自動(dòng)輸送系統(tǒng)（系統(tǒng)2）與本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行整機(jī)輸送成功率試驗(yàn)，并對(duì)比分析結(jié)果，如圖6所示。

由圖6可以看出，本文系統(tǒng)的總成功率最高，這是由于本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用PLC技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的精細(xì)控制，不同輸送速度下的總成功率都在98%以上，明顯優(yōu)于其他兩種系統(tǒng)，可滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用性能穩(wěn)定、可靠性高的PLC技術(shù)設(shè)計(jì)了鉆井管柱自動(dòng)輸送系統(tǒng)。系統(tǒng)以PLC作為控制中心，實(shí)現(xiàn)硬件的輸入控制和軟件模塊的邏輯控制。經(jīng)系統(tǒng)測(cè)試，本輸送系統(tǒng)運(yùn)行良好，有效提高了系統(tǒng)自動(dòng)輸送鉆井管柱的總成功率。

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