1、2022 年 第 12 期 化学工程与装备 2022 年 12 月 Chemical Engineering&Equipment 189 二层机械手伺服驱动和控制系统的开发二层机械手伺服驱动和控制系统的开发 苏 玉（天津滨海概念人力资源有限公司，天津 300452）摘摘 要要：石油行业钻机二层机械手通常采用液压驱动控制，控制系统在极寒区域作业时，控制精度差，且作业过程中经常发生故障，不仅影响作业实效，还增加了维修成本，所以为良好解决这些问题，便研发出了一种新型的二层机械手伺服驱动以及控制系统，此驱动能够有效替代液压驱动控制系统。二层机械手伺服驱动以及控制系统利用的是 CoDeSys 平台，采用
2、的是多机构协同运动控制程序，在 PORTAL 软件平台的基础上创建了上位机操作装置，这样能实现对外部数据的关联，同时能实现对内部变量的处理。运用PROFINET 总线网络，能够实时和稳定传输所有的控制模块数据。在实际应用时，二层机械手的加减速操作和系统动作为线性关系，没有噪声污染。关键词：关键词：二层机械手；伺服驱动；控制系统；开发研究 以往石油行业钻机都是靠人工处理井架高位管柱，不过此种形式会给人员带来很大的危险，所以这种作业形式已经落后，如今已研发出许多技术代替人工作业，充分达到了自动化的运行模式。由此二层井架工作形式也采用了机械式为主，人工为辅，国外主要使用的是柱式排管机与桥式排管机结构
3、，此结构的体积非常大，紧适用空间大的钻机，通用性不高。对于陆地钻机，国外采用了 StandTransferVehicle（STV）二层管柱处理系统，不过此系统的价格非常高，无法在国内广泛使用，而且此钻机运用的是液压驱动，无法用于极寒地区。因此，为了使极寒地区二层机械手稳定、顺利地运行，同时具有通用性，就研发出了一种伺服驱动与控制系统，此系统利用 CoDeSys 平台研发了多机构协同运动的控制程序，同时也加入了 PORTAL 软件操作平台，在此基础上使用上位机操作装置，实现对于外部数据的连接，对于内部变量也能进行处理，此次升级对于钻井作业带来很大帮助。1 1 二层机械手的基本情况二层机械手的基本
4、情况 1.1 二层机械手的结构 二层机械手的构成主要包括：轨道、回转装置、滑车总成、推扶臂、扶持钳和电控系统，参见图 1。其回转、滑行、扶持臂伸缩和扶持钳开合都是防爆伺服电机驱动操控的。图图 1 1 二层台排管装置组成二层台排管装置组成 1.2 二层机械手的运行流程 通常二层机械手的运用包括两个方面，分别是：抓取管柱与排放管柱。对于抓取管柱来说，其运行流程为：首先，二层台机械手展开机械臂从指梁内抓取管柱，然后收缩机械臂回到原始状态，然后旋转 90方向使钻杆对准井口中心，滑车沿着导轨向井口方向移动，直到导轨的终端，靠近井口中心方向，机械臂将管柱交接给顶驱下方的吊卡，完成管柱交接。对于排放管柱来说
5、，其运行流程和抓取管柱正好相反，机械臂滑移到导轨尽头，靠近井口中心，从顶驱下部的液压吊卡接过管柱，此时机械臂要夹紧管柱上端，然后回缩机械臂并沿导轨方向后退至对应指梁格处，回转结构旋转 90 度方向，面向指梁，此时，再次展开机械臂，将管柱送入指梁卡钳内，完成管柱的排放。1.3 二层台机械手的主要参数 对于适应钻具的直径应保持在 60.0mm（2 3/8in）-254.0mm（10in）；对于回转角度应保持在-90-90；对于供电的电源参数应保持在 380V，30A；控制的精度应保持在2mm。1.4 二层台机械手的主要特点 二层台机械手具有很多的特点，主要有四个，分别为：第一，防爆伺服电机驱动非常
6、精确，运行十分稳定，不会受到外界因素的影响。第二，没有液压油，所以安全环保。第三，控制系统的软硬件能和钻机原电控系统无缝对接，并且兼容性非常高，可和其他设备数据良好互通。第四，采用的是模块化设计，不用单独配备液压站，可实现一体化运输。2 2 电控系统的原理电控系统的原理 电控系统构成主要包括：开关电源（SP）、运动控制元件（MC）、伺服驱动器（SMD1-SMD4）、伺服电机（M1-M4）和操作终端（OP）等等。供电的电源为 380V，30A，两端分别连的是开关电源与伺服驱动器的输入端。电源开关的输出端分别连的是操作终端、运动控制元件以及伺服驱动器的控制电源端。伺服驱动器的输出端连的是二层机械手
7、各动作机构DOI:10.19566/35-1285/tq.2022.12.132190 苏 玉：二层机械手伺服驱动和控制系统的开发 的驱动伺服电机。操作终端的作用是接收操作指令，并转化成总线模式发给运动控制元件，这样就能对各个机构动作良好控制。橙色线为信号反馈电缆；红色线为伺服电机的电源线；绿色线为通信总线。3 3 控制程序的开发控制程序的开发 按照运行流程可将二层台机械手的动作分成四个部分，分别为：推扶臂伸缩、滑车移动、旋转机构旋转和钳头开合。对于这些动作的控制可分为两种模式，分别为：手动控制模式和自动控制模式。对于手动控制模式来说，每个动作执行的速度和运行时间都是由操作人员控制的。对于自动
8、控制模式来说，先由操作人员选取位置，然后按照程序设计的流程开始运行，其会自动调整速度和完工停止。依据操作方式开发了两个控制程序，分别为：PORTAL、CoDeSys。3.1 PORTAL 控制程序 为了让伺服驱动和控制系统更好的用于常规钻机操作系统，PORTAL 软件平台建设了上位操控程序。对于上位操控程序的运行流程来说，在进入操作程序之前，会利用 PLC判断 MC 的通信情况，只有正常才能进到自检程序中。如果PLC 和 MC 存在异常时，系统可以实现自动诊断，快速定位故障发生的位置，并分析故障发生原因，同时可以在终端显示位置故障代码，给出解决措施，操作人员可以快速反应给出解决方案。自检完成后
9、，会再次显示手动和自动控制界面。当选择手动控制时，就会需要多个模拟的操作手柄，对应每个手柄一个执行指示，系统的运行速度和手柄的幅度成正比例关系。通常手柄会输出-10-10V 的电压信号到 PLC 上，PLC会把信号变为数字信号发到 MC 上，然后 MC 把从不同地址发来的信号进行汇总，再发给对应的驱动器 SMD，驱动器 SMD会依据信号输出相应的电压与电流值来驱动伺服电机动作。如果选择自动控制模式，则需要先选择取管柱或放管柱的目标位置，再执行相应的操作过程。当 MC 接到动作类型以后就会自动给 SMD 发指令，SMD 处理成总线模式以后，就会发给 MC，再由 MC 自动判断 SMD 需要执行的
10、任务。当一个动作执行完，另一个动作就会自动执行，直到全部执行完毕二层机械手才会停止 3.2 CoDeSys 控制程序 在 CoDeSys 控制程序当中，MC 的控制程序是通过CoDeSys 平台开发出来的。控制程序需要先检查 MC 和上位OP 的通信状况，如果通信不佳，MC 会向 SMD 发送禁止起动命令，当上位 OP 通信良好后，再对 MC 和 SMD 进行通信情况的检查，保证通信情况一直保持良好状态。系统可以通过SMD 知道电机的具体位置，然后把位置反馈给 OP，判断满不满足操作的指令条件。当 OP 发出操作指令时，内部数据会转成 MC 内部数据处理模式，接下来通过数据处理模块来判定指令的
11、类型。当使用手动模式时，则数据地址会直接发到伺服驱动器上，按照 OP 给出的地址和速度执行操作。当手动调整电机的速度发生变化时，此时需要 MC 来控制，同时需要在 CoDeSys 程序上添加此类需求。如果采用自动模式，则会把 OP 设置的目标位置和执行机构的位置作为方向坐标 值，再利用 MC 控制程序自动算出加减速度的时间以及运行距离，最后依据程序开始执行。如果传感器监测位置没有到达目标点，则继续执行动作，直到完成再停止。3.3 PORTAL 和 CoDeSys 平台的融合 为了稳定 OP 和 MC 上下文的数据互通性，引入了PROFINET 数据通信的协议，在此协议上进行优化，能够使传输更加
12、稳定，抗干扰性能更强。如果上下行带宽为100Mb/s，则电缆通信的有效传输距离应在 80m 以上。OP 和MC 应利用有线电缆相连，并于 PORTAL 软件配置 MC 的 GSD文件，同时固定每个数据的传输地址，这样是为了保证数据发送与接收唯一。4 4 二层台机械手伺服驱动和控制系统应用状况二层台机械手伺服驱动和控制系统应用状况 将二层台机械手伺服驱动和控制系统用于某钻井公司的钻井队中，经过应用可知，如果采用手动控制模式，不仅控制非常精确，操作非常稳定；使用自动模式时，对带载和空载都可以准确定位，并且装置可以按照控制程序进行稳定运行。在实际应用当中，二层台机械手控制系统动作响应时间在 1s 以
13、内，控制精度在2mm，当距离在 1m 的时候，噪声低于 65dB，没有噪声污染。液压驱动的噪声大概为 110dB，而且液压站和操作人员距离越近，噪声越严重。由此可见，伺服驱动和控制系统能够充分达到各种性能参数要求，并且一个循环周期在 43s 以内，工作效率显著强于液压驱动。伺服驱动和控制系统的优点非常多，主要包括：响应速度快、控制精确、噪声污染小、循环周期短、体积小等等，能够良好用于油田生产当中。5 5 总总 结结 通过上述内容可知，利用二层台机械手伺服驱动和控制系统有效解决了控制系统效率低、精度差等问题，而且还采用了双平台控制程序，利用 PORTAL 开发的显示程序，良好实现了二层台机械手的
14、手动与自动操作模式，利用 CoDeSys平台开发的伺服控制程序，能够良好监测伺服电机运行状态、自动调整速度。参考文献参考文献 1 王定亚,王耀华,于兴军.我国管柱自动化钻机技术研究及发展方向J.石油机械,2017,45(5):23-27.2 王定亚,张增年,王汝华,等.推扶式管柱自动化处理系统研究及发展建议J.石油机械,2018,46(9):1-6.3 魏培静,王定亚,肖磊,等.我国石油钻机控制技术现状与后续发展思考J.石油机械,2018,46(6):1-6.4 李洪波,王洪川,赵磊,等.伸缩臂式铁钻工的研制J.石油机械,2014,42(11):16-19.5 李进付,安庆宝,董怀荣.钻台自动化机械手装置的研制J.石油机械,2010,38(11):80-81.
