关于二层机械手伺服驱动和控制系统开发研究

（天津滨海概念人力资源有限公司,天津　300452）

摘 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：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，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、顺利的运行，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，再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  二层机械手的基本情况

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，参见图一。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。

图一 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，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  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各动作机构的驱动伺服电机。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  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，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  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 总结

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

[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.

作者简介：苏玉（1990-），女（蒙古族），丹东凤城，大学本科，机械工程师，主要从事海上平台设备设施设计研发设计工作。

　　来源：化学工程与装备 - 官方网站 - 创刊于1972   2022年第12期   在线投稿  >>