PLC控制系统在钻杆密封面台肩修磨机中的应用.pdf

2 0 1 0年第 3 8卷第4期 石 油机械 CHI NA P ET ROL EUM MACHI NERY 一63 一 应 用技术 P L C控 制 系统在钻杆密 封面 台肩修磨 机 中的应 用 王兆奎 丁庆新 赵宏林 张仕民 中国石油大学 北京机电工程学院 摘要 针对 目前使用的钻杆修磨装置不能实现控制定位 ，也没有对钻杆 的磨削深度进行精确 控制，只是凭借经验和观察对钻杆进行修磨，影响 了磨削工件 的质量和技术指标 ，而且还不能在 自动控制的检测 线上应用的问题 ，设计 了数控钻杆 密封面 台肩修磨机。该修磨机采用先进 的台达 数控技术，结合触摸屏，利用 P L C控制系统实现修磨机对钻杆面磨 削的精确控制。该控制系统 2 0 0 8年 1 2月在湛江钻杆检测线上应用表 明，性能稳定 ，运行 良好 ，能满足实际生产要求。 关键词P L C控制系统 人机界面 钻杆 密封面台肩 定位 修磨机 目前石油开采行业都大量使用钻杆 ，但对使用 过的钻杆密封 面的维修加工方 面没有进行 重点研 究 ，因此相应的磨削装置并没有被广泛应用 。目前 使用的钻杆修磨装置一般为车床 ，不能实现控制定 位 ，也没有对钻杆的磨削深度进行精确的控制 ，只 是凭借经验和观察对钻杆进行修磨 ，影响了磨削工 件的质量和技术指标 ，而且不能在 自动控制 的检测 线上应用 。为此 ，笔者设计 了数控钻杆密封面台肩 修磨机。该修磨机采用先进的台达数控技术，结合 触摸屏 ，利用可编程控 制器 P L C实现修磨 机对钻 杆面磨削的精确控制 ，其加工精度高 ，速度快 ，并 能满足几种孔径钻杆密封面的磨削 ，同时开发周期 短 ，使用方便简单 ，能够满足实际生产要求 。 1 修磨机控制系统原理与设计 如图 1 所示 ，可编程控制 器 P L C控制伺 服系 统把磨削装置沿导轨送至一定位置 ，通过定位监测 图 1 控制 系统 原理 图 装置测量精确位置后发信息给 P L C，经计算处理 ， 通过触摸屏显示并能精确设定参数 ，控制相对位置 基金项 目北京市机械设计及理论重点学科建设资助项 目。 和磨削深度。P L C通过 R S一4 8 5通讯控制变频器 ， 在触摸屏设定适当轴承转速值 ，由安装在主轴上的 砂轮对密封面进行精确磨削。 台肩修磨机控制系统构成如图 2所示 ，主要 由 P L C、触 摸式显 示操作 终端 触摸 屏 、变频 器 、 伺服控制器和各类传感器 、按钮及继电器组成。在 控制过程 中，要求 电气控制系统可靠性高 ，操作方 便 J ，能够 自动控制各执行模块。该控制系统 中， P L C可判断采集的传感器信号，控制变频器和伺服 控制器 ，通过连接 的电路执行控 制装置 的各 个模 块 。同时可以通过触摸屏形象 、直观地控制和显示 修磨机 的磨削深度和位置情况 ，并能实时设定相关 的参数 ，调整各控制模块的动作情况。 型堕 伺 服控 制系 统 传 感器 检 测装置 图 2控制 系统 构成 2 控制 系统硬 件 电路设计 2 ． 1 可编 程控 制 器 P L C是以微处理器为基础的一种通用工业 自动 控制装置 ] ，与控制 对象有更 强 的接 口能力 ，同 时它作 为现 代 工业 自动化 3大支 柱 P L C、R O B O T、C A D ／ C A M之一 _ 3 J ，具有体积小 、功能强 、 眦 控 制 系 统 二 二 H二 二 人 机 界 面 ． - 6 4．． 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 4期 程序设计简单 、维护方便 、可靠性高等优点。 该控制系统采用 台达 D V PE S ／ E X系列 P L C， 其体积小 ，指令丰 富，具有 极高 的性价 比，内建 R S一 2 3 2 C和 R S一 4 8 5Mo d b u s Ma s t e r ／ S l a v e ，容 易实现与变频器通讯控制 。内置 2通道 5 k Hz 高速 计数模块 ，1 0 k H z 脉 冲输 出，可方便 地控制伺服 电动机的位置 。在该控制系统中，P L C作为控制系 统核心 ，接受外部信号 如按 钮 以及传感 器信号 和触摸屏 发 出的控 制信 号 后 ，经 过程 序处 理 ， 再输 出信号控制驱动元件继电器的启停 ，从而激励 执行装置元件 。 2 ． 2 变频器和伺服控制器 在控制过程中，P L C通过 R S一 4 8 5通讯控制变 频器频率，改变装置 中电主轴 的转速 ，并通过 内置 脉冲输出来控制伺服控制器_ 4 J ，使其可以精确定位。 该系统变频器选用与台达 P L C匹配 的台达 M 系列 高功能 、低噪声／ 迷你型交流马达驱动器 ，具有 体积小 、低速力矩大 、性能完善、使用方便等特点。 它通过改变供电频率来控制电动机转速，进而达到 提升机械自动化程度与节约能源的 目的。 伺服控制器采用 日本安川伺服控制器 ，具有抑 制震动 ，高速高精度 、采用速度跟踪技术等特点， 同时也易于安装和使用。 2 ． 3 人机 界面 触摸屏人机界面是操作人员和机器设备之间双 向沟通的桥梁 ，用户可方便 、直观地观察设备主要 部件各项数据动态和各项参数的故障报警。该控制 系统采用了台达触摸屏 系列 D O PA 7 5 C S T D，2 5 6 色 S T N彩色显示 ，人性化 的使用界面 ，高速 的硬 体结构 。它的接 口通 过 R S 4 8 5和 P L C进行 通讯 ， 直接读取 P L C数据 ，并能给 P L C发 出指令 J 。它 具有简单易用 、功能强大 、稳定性好等优点。 3 控制 系统软件设计 3 ． 1 P L C控制 软件设 计 P L C软件采用梯形图语言编写，为提高抗干扰 能力 ，软件设 计采取数字滤 波 J 、故 障 自检等措 施 ，保证控制操作的正确性及可靠性 。程序设计采 用功能化 、模块化结构 ，便于维护和扩展 。整个系 统过程控制软件包括过程数据与开关量信号的输入 输出、连续控制调节、顺序控制、报警控制、人机 接 口控制等功能。 该控制系统运行 时，先选择设置好的控制参数 并确认无误后按启动按钮 ，运行系统即进入 自动控 制状态。P L C接 收触 摸屏控制信号 如磨 削深度 设置 、电主轴 转速设 置和伺服移 动距离设 置等 和传感器 限位检 测传感 器 以及按 钮信号后 ， 激励相应 的继 电器 ，继而控制设备装置部件 。设备 自动完成 t 次处理过程 ，系统参数 自动保持。在非 正常条件下 ，程序启动报警设置，切断电源，保障 生产安全 。具体软件设计流程如图3所示。 运 行PLC P Lc初始 化 ，＼ 墼堕 蠹 牵哩 图 3软 件 设 计 流 程 3 ． 2 触摸屏组态软件设计 P L C通过 R S 4 8 5传 输线实现实 时通讯 ，点击 触摸屏向 P L C发 出各种控制信号 ，P L C接到触 摸 屏发 出的指令信号后执行运算与控制任务。操作人 员可以通过触摸屏 向 P L C发 出各 种控制命令 ，还 可同时将 P L C的各 种实时数 据采集 回来 ，在用户 界面上形象直观地表示出来 ，实现对控制过程的监 控。在 该 控 制 系 统 中 结 合 触 摸 屏 组 态 软 件 S c r e e n E d i t o r 1 ． 0 5 ． 7 8 ，编写相应程序 ，具体运行界 面如 图 4和图 5所 示 。 图 4开机 运 行 界 面 图 5监控 和设置界 面 下转第 8 1页 2 0 1 0年 第3 8卷 第4期 兰 凯等国外轻质高强度钻杆研究与应用 合金钻 杆生产线 ，加快 国产化步伐 ；U D一1 6 5高 强度钢钻杆是国外公司的最新研究成果 ，其技术指 标 的先进性值得期待 ，国内应加强跟踪研究 ，以满 足西部钻井需求 。 参考文献 J e l l i s o n M J ，C h a n d l e r R B，P a y n e M L，e t a 1 ． Uh r a d e e p d r i l l i n g p u s h e s d r i l l s t r i n g t e c h n o l o g y i n n o v a t i o n s [ J ]． S P E D r i l l i n g＆ C o m p l e t i o n ，2 0 0 8 ，2 3 2 1 9 02 0 0 ． L e s i l e J C，Wi l l i a ms o n S，L o n g R，e t a1． C o mp o s i t e d r i l l p i p e f o r e x t e n d e d r e a c h a n d d e e p wa t e r a p p l i c a t i o - n s[C]．O f f s h o r e T e c h n o l o gy C o n f e r e n c e， H o u s t o n， Te xa s ．OTC 一1 42 66一MS ． 20 0 2． S mi t h J E．C h a n d l e r R B．Bo s t e r P L T i t a n i u m d r i l l p i p e for u l t r a d e e p a n d d e e p d i r e c t i o n a l d ri l l i n g [ R]． S P E 6 7 7 2 2 ，2 0 0 1 ． Ma c d o n ald K A ，B j u n e J V ． F a i l u r e a n a l y s i s o f d ri l l s t r i n g s[ J ]． E n g i n e e r i n g F a i l u r e A n al y s i s ，2 0 0 7 ，1 4 8 l 6 411 6 6 6 ． G e l f g a t M Y， B a s o v i c h V S， T i k h o n o v V S ． Dr i l l s t r i n g w i t h a l u m i n u m a l l o y p i p e s d e s i g n a n d p r a c t i c e s[ R]． S P E 7 9 8 7 3，2 0 0 3 ． [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] Gu e l f g a t M ， Ba s o v i c h D ，Bu y a n o v s k i i I ， e t a 1 ． Al u mi n u m v s ． S t e e l P r e v e n t i n g d r i l l s t rin g b u c k l i n g wh e n d ri l l i n g h o ri z o n t a l l y[J]．O i l G a s E u r a s i a， 2 0 0 7 63 23 8 ． 鄢泰宁，薛维 ，兰凯 ．高可靠性铝合金钻杆及 其在超深井和水平井 中的应用 [ C]．第五届亚洲 太平洋地区地质资源与地质工程国际研讨会论文 集 ，2 0 0 8 ． J e l l i s o n M． L i g h twe i g h t ．u l t r ah i g hs t r e n g t h d r i l l p i p e ma y me e t d e ma n d s o f E RD， c r i t i c a l d e e p d ri l l i n g [ J ]． D r i l l i n g C o n t r a c t o r ，2 0 0 9 3 ／ 4 5 3 5 6 ． El l i o t t L， B u c h o u d V， Kr e p p T ． Hi g h s t r e n g t h，t h i n wa l l ， all s t e e l d r i l l p i p e ma y p r o v i d e s o l u t i o n for u l t r a e x t e n d e d～r e a e h w e l l s[ J ]． D r i l l i n g C o n t r a c t o r ， 2 0 0 9 3 ／ 44 25 2 ． 第一作者简介兰凯 ，生于 1 9 8 2 年 ，2 0 0 8年毕业于 中国地质大学 武汉 ，获博士学位 ，现从事复杂井钻井 技术 与控压钻井 的研究 开发 工作 。地址 4 5 7 0 0 1 河南省濮 阳 市。 电 话 0 3 9 34 8 9 0 3 0 7 。 E ma i l l a n k a i l O 1 2 t om ．con 。 收稿 日期 2 0 0 9 0 9 0 3 本文编辑赵连禄 上接第 6 4页 该控制系统于 2 0 0 8年 1 2月在湛江钻杆检测线 上投入生产以来 ，性能稳定 ，运行 良好 ，各项指标 达到了设计要求 ，能满足实际生产要求 。 [ 2 ] 4 结 论 1 建 立 了以 P L C为控 制核心 的控制 系统 ， 对变频器和伺服系统进行控制 ，实现了对钻杆密封 面磨削的精确定位 。 2 减少 了磨 削误差 ，提高 了磨削质 量 ，能 快捷方便地设置磨削精度 。 3 应用人机界 面 触摸屏 进行 现场监控 和显示 ，并能直观显示被控对象的状态 。 4 该 系统 性 能 稳定 ，精 度 高 ，操 作 方 便 ， 开发周期短 ，大大节约了成本。 参考文献 [ 1 ] 黄建龙，于霞 ，秦建华，等 ．轴承检测及分选系 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 统中的 P L C控制 [ J ]．甘肃科学报，2 0 0 5 1 888 9． 吕 黎 ． P L C和触摸屏在等离子处理机控制系统 中 的应用 [ J ]．机械工程与 自动化 ，2 0 0 9 3 1 4 0 ． 付家才 ．工业控制实践技术 [ M]．北京 机械工 业 出版社 ，2 0 0 3 ． 朱妙奇 ．基于 P L C控制的变频器和伺服控制器试验 装置 [ J ]．电气应用，2 0 0 9 ，2 8 1 1 6 87 0 ． 陈洪伟 ，徐新民．西门子 P L C在直流电源系统中的 应用 [ J ]．电源技术与应用，2 0 0 6 1 3 7 3 7 4 ． 刘喜梅，周春香 ． P L C控制系统在工业应用中的抗 干扰分析 [ J ]．测控技 术，2 0 0 9 ，2 8 2 9 6 9 8． 第一作者简介王兆奎，生于 1 9 8 1年 ，硕士研究生， 主要研究方向为机电系统控制及其自动化。地址 1 0 2 2 4 9 北京市昌平区。E ma i l w l v l _ 0 9 1 3 s o h u ． C O B。 收稿 日期 2 0 0 9 0 9 2 2 本文编辑赵连禄 ] j] J 1』1 J 1 j 1 2 3 4 5 I二