目前國(guó)內(nèi)新建、改擴(kuò)建的石油油管, 套管生產(chǎn)廠家越來(lái)越多, 接箍擰接機(jī)的需求也在不斷擴(kuò)大。接箍擰接機(jī)是石油生產(chǎn)中油管、套管生產(chǎn)或修復(fù)的重要設(shè)備, 接箍擰接過(guò)程是石油油管、套管生產(chǎn)過(guò)程中僅次于管體車(chē)絲, 接箍車(chē)絲的關(guān)鍵環(huán)節(jié), 每只接箍的擰接過(guò)程都關(guān)系到整個(gè)油井的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益, 接箍擰接過(guò)程是以擰緊扭矩為主要控制指標(biāo)[1]。美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)不同規(guī)格, 不同鋼級(jí)的油管, 套管接箍擰接給出了嚴(yán)格的扭矩要求。因此先進(jìn)、可靠、測(cè)控精度高是生產(chǎn)接箍擰接機(jī)行業(yè)內(nèi)追求的目標(biāo)和研究方向。
接箍擰接機(jī)由動(dòng)力源液壓泵站 (可電動(dòng)) 、擰接主鉗、背鉗、機(jī)架、電控系統(tǒng)等組成。現(xiàn)有的接箍擰接機(jī)擰緊扭矩測(cè)試都是手動(dòng)完成, 主要以擰緊壓力換算成扭矩的方法進(jìn)行測(cè)量扭矩, 控制則用手動(dòng)換向閥操作, 或由按鈕控制電磁閥動(dòng)作, 基本上都是開(kāi)環(huán)控制, 工作效率低, 扭矩測(cè)控間接, 精度低, 一致性、可靠性差。本文介紹一種直接在背鉗上加裝拉壓力傳感器測(cè)量扭矩的方法, 利用物理原理由力和力臂的乘積得出扭矩, 具有檢測(cè)直接、反應(yīng)速度快、精度高、可靠、一致性好等一系列優(yōu)點(diǎn), 且由于本系統(tǒng)采用拉壓力傳感器, 因此擰接過(guò)程可上扣或卸扣。
1 測(cè)量原理及硬件組成
接箍擰接過(guò)程為:啟動(dòng)動(dòng)力源泵站, 油管或套管進(jìn)入機(jī)架, 背鉗夾緊油管或套管, 主鉗擰接, 主鉗夾住接箍旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭矩力直接作用在背鉗的拉壓力傳感器上。背鉗上安裝的拉壓力傳感器與油管或者套管的中心線處于平行位置, 管子的中心線到拉壓力傳感器的距離為力臂, 由主鉗夾緊接箍旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生扭矩力垂直作用在拉壓力傳感器上, 扭矩力檢測(cè)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
圖1 扭矩檢測(cè)結(jié)構(gòu)示意圖 下載原圖
扭矩控制由西門(mén)子PLC的CPU224XP為核心控制器, 采用臺(tái)達(dá)觸摸屏DOP-B07S200為人機(jī)界面, 進(jìn)行數(shù)字式設(shè)定和顯示用PLC控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)關(guān)度來(lái)精確控制擰接扭矩。
扭矩力由西門(mén)子稱(chēng)重模塊SIWAREX MS檢測(cè)出來(lái)送入PLC CPU中進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算得出扭矩值, 拉壓力傳感器與稱(chēng)重模塊SIWAREX MS的硬件接線圖如圖2所示。
SIWAREX MS是一種稱(chēng)重模塊, 可與絕大部分各種品牌的應(yīng)變片傳感器連接, 具有高精度的特點(diǎn)。用SIWAREX MS軟件調(diào)試, 簡(jiǎn)便、明了。
圖2 拉壓力傳感器與稱(chēng)重模塊SIWAREX MS的硬件接線圖 下載原圖
接箍擰接機(jī)扭矩值是由拉壓力傳感器和稱(chēng)重模塊SIWAREX MS連接測(cè)量到的扭矩力值送到PLC的CPU224XP中, 經(jīng)過(guò)運(yùn)算后得到扭矩值。控制器PLC根據(jù)位置開(kāi)關(guān), 檢測(cè)管體的位置, 根據(jù)控制工藝流程發(fā)出控制指令控制管體進(jìn)出, 控制背鉗夾緊, 主鉗夾緊, 旋轉(zhuǎn)開(kāi)始擰接。PLC根據(jù)檢測(cè)到的扭矩值與由觸摸屏上設(shè)定的扭矩進(jìn)行比較, 經(jīng)過(guò)PID算法運(yùn)算后輸出控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度大小來(lái)達(dá)到精確控制扭矩值的目的。同時(shí)PLC將檢測(cè)到扭矩值及各種位置信號(hào)送到觸摸屏上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示, 達(dá)到監(jiān)控自動(dòng)化, 系統(tǒng)硬件圖如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)硬件圖 下載原圖
2 軟件設(shè)計(jì)與控制方法
2.1 程序設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)程序采用模塊化編程思想, 即根據(jù)控制功能分成不同的程序塊, 而在主程序中根據(jù)所需條件來(lái)調(diào)用不同的子程序塊。使用此方法能夠提高主程序的開(kāi)發(fā)效率, 有利于程序的調(diào)試和維護(hù)。
本系統(tǒng)中程序整體的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示, 流程圖如圖5所示。
圖4 程序整體結(jié)構(gòu)圖 下載原圖
圖5 系統(tǒng)程序流程圖 下載原圖
2.2 PID控制算法
在自動(dòng)控制系統(tǒng)中, PID控制算法是最經(jīng)典、最常用、最成熟的控制手段。PID算法是提高整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應(yīng)特性的調(diào)節(jié)算法。本系統(tǒng)選用的PLC為CPU224XP.PLC實(shí)現(xiàn)PID控制過(guò)程是先將PID參數(shù)輸入存儲(chǔ)器組成的回路表中, 經(jīng)數(shù)據(jù)離散化處理后, 再用中斷調(diào)用的方法對(duì)數(shù)據(jù)表進(jìn)行PID控制。PID控制算法:
其中:Mn為在第n采樣時(shí)刻PID回路輸出的計(jì)算值;kc為PID回路增益;en為在第n次采樣時(shí)刻的偏差值;en-1為在第n-1次采樣時(shí)刻的偏差值;MX為積分項(xiàng)前值;kD為微分項(xiàng)的比例常數(shù)。
PLC根據(jù)扭矩設(shè)定值與當(dāng)前測(cè)量的扭矩值的差值, 由PID計(jì)算后輸出0～10 V DC來(lái)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)關(guān), 從而達(dá)到精確控制扭矩的目的。
3 運(yùn)行結(jié)果
與葫蘆島市某石油機(jī)械廠共同合作采用本測(cè)控系統(tǒng)的接箍擰接機(jī), 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際擰接的效果具有接箍擰接過(guò)程平穩(wěn), 擰接速度較快 (鋼級(jí)N80, 管徑Φ185, 擰接時(shí)間在20～30 s) 等優(yōu)點(diǎn)。扭矩測(cè)量精度達(dá)到0.1%, 控制精度達(dá)到±0.5%.該套系統(tǒng)在延安長(zhǎng)慶油田某石油管材公司應(yīng)用1年多來(lái)工作穩(wěn)定可靠。
4 結(jié)束語(yǔ)
由于本系統(tǒng)采用了西門(mén)子新型PLC的CPU224XP為主機(jī), 以稱(chēng)重模塊SIWAREX MS測(cè)量扭矩值, 在軟件設(shè)計(jì)中運(yùn)用PID算法, 程序簡(jiǎn)單實(shí)用, 達(dá)到了穩(wěn)定、精確的扭矩控制效果。該系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性好、控制精度高、控制速度快等特點(diǎn)。