一种石油钻机自动猫道遥控器控制系统

丁亮

摘 要随着人力成本的不断增加，钻井自动化已成为钻机发展的迫切需求，自动猫道逐渐成为钻井设备的必需设备。常规自动猫道操作需要在本体上操作，钻台面上有人指挥，配合司钻操作顶驱。为此，本文设计了一套自动猫道的控制方法，將遥控器的交互信号传入猫道控制的PLC。这样猫道控制人员可以在钻台面上操作，由于钻台面可以同时观察到钻台面的设备操作和猫道本体的情况，猫道操作人员可以根据钻台面司钻的操作配合猫道的操作，保证钻具顺利快速的安装和卸载。遥控器由发送器和接收器组成，接收器接收到的信号转换成CAN信号，本设计采用CAN/PROFIBUS协议转换器将CAN信号接入PLC的PROFIBUS通讯系统，和PLC交换信息。本设计保证了钻具操作的可靠性和流畅性，节省了人力，为钻机的自动化和智能化提供了新颖的控制方式。

【关键词】自动猫道 遥控器 PLC 自动化

石油钻井智能化、自动化、信息化是钻井的发展方向，自动猫道也是钻井自动化的重要组成部分。当前市场上使用的自动猫道，多数是进口自动猫道，由国内自主研发的猫道仍占很少的一部分，并且多数未经过现场测试使用。关于自动猫道的遥控器，因为其具有防爆要求，目前国内研发的猫道很多都是采用进口的遥控器，比如CAVOTEC、HBC等，国外进口遥控器价格高昂，没有针对性，面板功能太多且操作繁琐。这些都会影响猫道操作的流畅可靠，操作员不得不花时间熟悉遥控器，无形中增加了猫道的操作失误率。本项目采用国内公司生产的遥控器，根据猫道的操作要求定制，能满足猫道操作的特殊要求，提供了一种方便可靠，携带方便、不易误操作的猫道遥控器系统，能满足钻台面操作猫道的需求。目前已经在井队测试使用，提高了钻井效率，达到了理想的效果。

1 无线遥控工作原理

无线遥控开关时由发射器、接收器和执行机构组成。发射器主要包括编码电路和发射电路。编码电路由操纵器（操纵开关或电位计）控制，操纵者通过操纵器，使编码电路产生需要的控制指令，这些控制指令时具有某些特征的、相互间易于区分的电信号。但是编码电路产生的指令信号都是频率较低的电信号，无法直接传送到遥控目标上去，还要将指令信号送到发射电路，使它载在高频信号（载波）上，才能由发射天线发送出去。指令信号载到载波上去的过程叫调制，调制作用由发射电路的调制器完成。发射电路的主要作用是产生载波，并由调制器将指令信号调制在载波上，经天线降已调载波发送出去。

接收器由接受电路及译码电路组成。接受电路又包括高频部分和解调器部分。由接收天线送来的微弱信号经接收高频部分的选择和放大后，送到调制解调器，解调器的作用是从载波上“卸下”指令信号。由于“卸”下来的各种指令信号时混杂在一起的，需要译码电路分类鉴别，送到相应的执行放大电路。执行放大电路将指令信号放大到具有一定的功率，用以驱动执行机构。执行机构将电能转变为机械动作等，从而实现对被控目标的控制。

2 猫道遥控器系统的通讯结构和原理

如图1所示，猫道遥控器由接收器和发射器（通常叫遥控器）组成，遥控器将猫道的操作信号编码成无线信号发送出去，接收器接到无线信号并解析成数字信号，通过CAN协议向外传输给协议转换模块，协议转换模块将CAN协议转换为PROFIBUS-DP协议，协议转换模块作为西门子S7300PLC的一个从站，通过对从站协议转换模块的访问得到具体的遥控器操作信号，然后根据信号组成向猫道发出控制指令，控制猫道液压阀的动作，完成对猫道控制系统的操作。

3 遥控器CAN协议编码说明

猫道接收器采用CAN2.0通讯协议，下面是猫道接收器的编码说明：

3.1 接收板功能说明；

（1）接收板通过无线接收模块接收遥控器发射器的各个开关量状态和模拟量数据；

（2）接收板通过无线发射模块发送规定的数据给遥控器发射器；

3.2 CAN2.0通讯协议

（1）符合CAN 规范2.0B，ISO 11898-1；波特率为250K；

（2）数据功能定义：ID号：180+ID，默认ID=0x08。

3.3 CAN2.0数据功能定义

如表1、表2所示。

4 PLC编程部分

本猫道控制系统采用西门子S7-300控制系统，采用PROFIBUS-DP通讯网络。协议转换模块作为西门子PLC的PROFIBUS通讯体系中的一个从站（需安装GSD文件），在STEP7中进行硬件组态，分配从站地址，通过队从站地址的数据访问获得遥控器的操作信号。具体实现方法如下：

4.1 接收和发送数据

PLC在接收到协议转换模块发送过来的信号后，需要根据CAN地址进行解析。PLC编程采用梯形图编程，在编程中可采用西门子STEP的模块SFC14和SFC15来读写遥控器从站的数据，注意调用SFC14和SFC15的数据块地址要和需要存储的数据块地址一致。SFC14用作读取状态字，即读取遥控器发来的状态信号，SFC15用作控制字，即将当前猫道系统的监测信号发送给遥控器用作显示，比如点亮当前液压站的压力正常指示灯等。在实际编程中，最好将信号的状态字和控制字放在一个DB块中，便于猫道编程的寻址调用。

4.2 解析数据并存储

猫道遥控器发送给PLC的数据是不断循环连续的，如果要提取具体的对应信号状态，需要根据地址分别存贮将提取的数据到相应的数据块地址中，做好相应的标识，以便于进行后期猫道程序的编程。根据CAN2.0协议，每组数据的地址位和数据位都是固定的，只要找出得到的数据流中对应地址的对应数据，分别进行存贮就可以。因为数据发送过程是不断循环的，所以通过判断地址的方法就可以取到相应地址对应的数据信号，进而得到猫道遥控器的当前操作信号。这个地址就是CAN协议编码的地址，做出相应的16进制到10进制转换后，在PLC中需要进行梯形图地址判断后存贮对应的数据到相应的数据块，如图2所示：

取到当前遥控器的数据状态后，就可以监测到当前遥控器的操作状态，从而根据遥控器的操作状态进行相应的PLC编程，PLC经过程序操作对相应的执行机构进行指令输出，从而达到对猫道的控制。

5 结论

（1）本遥控器系统采用无线电遥控控制原理，无线电控制控制距离经测试，在有障碍物的情况下，可以达到50米，无障碍物情况下可以达到100米，可以满足钻台面控制猫道操作的要求。

（2）经测试，在钻台面控制猫道操作，可以有效的和司钻进行配合动作，提高钻具上送和卸载效率，保证工作安全。

（3）遥控器和PLC的传输速度响应比较快，能够满足控制需求，保证钻杆操作的连续性。

（4）现场反馈和改进：经现场使用反馈，遥控器在操作人员操作期间去钻台面司钻房和司钻交流时，因为司钻房是个金属房体，对遥控器有屏蔽信号，所以接收器接收不到信号会停油泵电机。为此，我们经过改进在遥控器短暂丢失信号后停止猫道操作但是不停电机，只是在长时间丢失遥控器信号时停止主油泵电机。

目前猫道系统已经在伊拉克现场投入生产使用，我们将根据客户反映需求跟踪改进，达到客户理想的效果，为钻台自动化做出贡献。

作者单位

上海中曼石油装备有限公司 上海市 201413endprint