電子防碰天車設(shè)計(jì)與改進(jìn)

馬燚松

（中石化西南石油工程有限公司重慶鉆井分公司，重慶400042）

電子防碰天車設(shè)計(jì)與改進(jìn)

馬燚松*

（中石化西南石油工程有限公司重慶鉆井分公司，重慶400042）

為了提高鉆機(jī)的安全保護(hù)性能，防止發(fā)生游吊系統(tǒng)與天車發(fā)生碰撞事故，設(shè)計(jì)了智能電子防碰天車裝置。該裝置由觸摸屏、西門子S7-300CPU、編碼器、電磁閥及相關(guān)電控箱組成。在鉆機(jī)絞車低速或者高速端導(dǎo)氣龍頭連接口處安裝高速編碼器，檢測(cè)絞車的旋轉(zhuǎn)速度和游車高度，通過對(duì)PLC和觸摸屏進(jìn)行編程、畫面組態(tài)及合理線路設(shè)計(jì)，控制電磁閥的通斷，以實(shí)現(xiàn)游車的上碰下軋緊急剎車保護(hù)和提前預(yù)警功能。試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果表明該裝置穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、安裝方便、功能可靠，能夠起到很好的上碰下砸保護(hù)剎車和提前預(yù)警功能。

電子防碰天車；編碼器；電磁閥；觸摸屏；PLC

為了保證人生和設(shè)備安全，防止發(fā)生游吊系統(tǒng)與天車發(fā)生碰撞，鉆機(jī)一般配置有3套防碰天車系統(tǒng)，即滾筒過卷防碰裝置、天車重錘防碰裝置和電子防碰裝置。滾筒過卷防碰裝置、天車重錘防碰裝置均為機(jī)械防碰裝置，只能起到上碰保護(hù)，沒有高度預(yù)警和下砸保護(hù)功能，各廠家的電子防碰裝置配置和功能有所區(qū)別。

目前，多數(shù)廠家的電子防碰天車裝置利用MC51單片機(jī)為中央處理單元，通過絞車滾筒當(dāng)前纏繩層數(shù)、直徑、當(dāng)前最外層纏繩圈數(shù)設(shè)定初始0位，利用編碼器計(jì)量滾筒的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)計(jì)算設(shè)置防碰高度，利用數(shù)碼顯示管顯示游車高度。在使用過程中故障率高，穩(wěn)定性、抗干擾能力差，同時(shí)設(shè)置的防碰高度、零點(diǎn)經(jīng)常跳變不能起到很好的保護(hù)作用。為了改進(jìn)電子防碰天車性能，提高其穩(wěn)定性和抗干擾能力，降低故障率，更好起到天車防碰作用，特對(duì)新型防碰天車裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。

1　結(jié)構(gòu)原理

1.1工作原理

電子防碰天車選用性能穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)，處理速度快的西門子S7-300PLC作為處理單元，配置高速計(jì)數(shù)單元，如圖1控制示意圖和圖2鉆機(jī)示意圖所示，在鉆機(jī)絞車低速或者高速端導(dǎo)氣龍頭連接口處安裝高速編碼器，檢測(cè)絞車的旋轉(zhuǎn)速度和游車高度，通過屏蔽電纜將編碼器連接到電子防碰天車控制箱。通過對(duì)PLC進(jìn)行編程，和畫面組態(tài)及合理線路設(shè)計(jì)，控制電磁閥的通斷，以實(shí)現(xiàn)游車的上碰下軋緊急剎車保護(hù)和提前預(yù)警功能。采用觸摸顯示屏，實(shí)時(shí)顯示游車高度、游車位置、離天車、轉(zhuǎn)盤距離、剎車狀態(tài)，可視化設(shè)置防碰天車的上碰下砸保護(hù)高度、設(shè)置預(yù)警高度及相關(guān)參數(shù)。

1.2結(jié)構(gòu)示意圖

1.3保護(hù)功能

當(dāng)游車達(dá)到設(shè)置的上或下保護(hù)預(yù)警位置時(shí)，電子防碰控制箱報(bào)警器響起，同時(shí)顯示屏上的報(bào)警指示燈閃爍，提醒操作者采取減速剎車；當(dāng)游車?yán)^續(xù)移動(dòng)到設(shè)置的上碰下砸保護(hù)點(diǎn)時(shí)，電子防碰控制箱控制電磁閥斷電，切斷經(jīng)過電磁閥（常開式，通電導(dǎo)通）到剎車放氣閥氣源，經(jīng)過剎車放氣閥到二位三通氣控閥（鉆機(jī)出廠設(shè)計(jì)為常開式）的控制氣斷開，切斷由主氣源經(jīng)過二位三通氣控閥到高低速控制閥和剎車氣源的氣源，以實(shí)現(xiàn)高低速離合器斷氣和盤剎（盤剎裝置出廠設(shè)計(jì)為斷氣剎車）斷氣剎車，從而實(shí)現(xiàn)游車的上碰下軋緊急剎車保護(hù)功能。

2　參數(shù)選型

2.1絞車參數(shù)計(jì)算

參考70LDB鉆機(jī)6正2倒檔絞車參數(shù)，絞車6檔轉(zhuǎn)速最高為448r/min，鉤速為1.91m/s。計(jì)算絞車頻率f：

f=n/t（t：s；f：Hz；n：r/s）

f=448/60=7.47（Hz）

圖1　控制示意圖

圖2　鉆機(jī)示意圖

為了提高檢測(cè)精度，選用1024增量編碼器檢測(cè)滾筒的轉(zhuǎn)速和游車高度，則編碼器的最大檢測(cè)頻率：

fe=1024×f=1024×7.47=7649.28（Hz）≈7.7（kHz）。

2.2PLC及編碼器選型

在滿足功能要求及保證可靠、維護(hù)方便的前提下，根據(jù)經(jīng)濟(jì)適用、性能穩(wěn)定、性能價(jià)格比最佳的原則。PLC選用帶集成數(shù)字量輸入和輸出的緊湊型CPU312C。CPU312C主要參數(shù)：10點(diǎn)輸入，6點(diǎn)輸出，最大計(jì)數(shù)頻率10kHz，溫度0℃～60℃。編碼器選用高分辨率增量式旋轉(zhuǎn)光電編碼器。

2.3畫面設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求和操作簡(jiǎn)單的原則，設(shè)計(jì)3個(gè)畫面：初始畫面、參數(shù)設(shè)置畫面、運(yùn)行畫面。當(dāng)系統(tǒng)上電后進(jìn)入初始畫面，在該畫面顯示通訊狀態(tài)和設(shè)備相關(guān)信息，同時(shí)在該畫面設(shè)置進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置畫面和運(yùn)行畫面控件，點(diǎn)擊相關(guān)控件進(jìn)入對(duì)應(yīng)畫面。在參數(shù)設(shè)置畫面內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)上防碰高度、報(bào)警高度、下保護(hù)高度、下報(bào)警位置、參數(shù)校驗(yàn)等相關(guān)初始參數(shù)設(shè)置控件，對(duì)系統(tǒng)初始參數(shù)和保護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)在該畫面設(shè)置進(jìn)入初始畫面和運(yùn)行畫面控件，點(diǎn)擊相關(guān)控件進(jìn)入對(duì)應(yīng)畫面。運(yùn)行畫面內(nèi)設(shè)置實(shí)時(shí)高度顯示框、剎車狀態(tài)、報(bào)警燈及游車狀態(tài)動(dòng)畫，實(shí)時(shí)顯示游車位置和剎車、報(bào)警狀態(tài)。達(dá)到對(duì)游車位置的實(shí)時(shí)顯示和及時(shí)報(bào)警提醒功能。

圖3　程序流程圖

2.4程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后進(jìn)入主程序，如圖3程序流程圖所示，程序?qū)τ?jì)數(shù)脈沖進(jìn)行計(jì)算處理，便于在相關(guān)子程序中調(diào)用，通過條件分別調(diào)用初始化、參數(shù)設(shè)置、剎車、報(bào)警子程序。

初始化子程序完成計(jì)數(shù)脈沖清零，計(jì)數(shù)器置零，PLC輸入、輸出點(diǎn)復(fù)位；參數(shù)設(shè)置子程序完成游車高度置零、高度校驗(yàn)、上碰高度設(shè)置、下保護(hù)高度設(shè)置、上報(bào)警位置設(shè)置、下報(bào)警位置設(shè)置；主程序中通過游車的實(shí)時(shí)高度與報(bào)警高度設(shè)置值進(jìn)行比較調(diào)用報(bào)警子程序，通過PLC輸出控制中間繼電器，導(dǎo)通聲光報(bào)警器；主程序中通過游車的實(shí)時(shí)高度與上碰高度、下保護(hù)高度設(shè)置值進(jìn)行比較調(diào)用報(bào)剎車程序，通過PLC輸出控制中間繼電器，使圖1中的電磁閥失電，切斷經(jīng)過電磁閥（常開式，通電導(dǎo)通）到剎車放氣閥氣源，從而實(shí)現(xiàn)游車的上碰下軋緊急剎車保護(hù)功能。

3　運(yùn)行試驗(yàn)

通過調(diào)試，裝置運(yùn)行正常，由于系統(tǒng)受鋼絲繩的受力伸長(zhǎng)量的影響，在重載和輕載情況下上碰高度、下保護(hù)高度、報(bào)警點(diǎn)略有變化，在空載和最大鉤載200t情況下最大誤差為4cm，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。模擬斷電重起，CPU能夠從上次斷電點(diǎn)進(jìn)行高度檢測(cè)，不需要從設(shè)置零點(diǎn)和高度防碰點(diǎn)。在使用過程中只需要設(shè)置一次零點(diǎn)時(shí)和防碰點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)保存，無需經(jīng)常設(shè)置，只需偶爾校對(duì)零點(diǎn)即可。通過現(xiàn)場(chǎng)2個(gè)月的連續(xù)運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行正常，報(bào)警、剎車正常及時(shí)，運(yùn)行可靠，未出現(xiàn)故障和零點(diǎn)跳變現(xiàn)象。

4　結(jié)論

綜合調(diào)試情況和其他類似設(shè)備的使用情況分析，隨著PLC運(yùn)用技術(shù)的成熟，利用目前性能穩(wěn)定的PLC和編碼器設(shè)計(jì)防碰天車系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、抗干擾能力強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，安裝方便。

TE2

B

1004-5716（2016）09-0071-03

2015-10-05

2015-10-22

馬燚松（1982-），男（土家族），重慶人，工程師，現(xiàn)從事石油鉆井現(xiàn)場(chǎng)鉆井設(shè)備管理、配套、維修工作。