液压转盘电控系统的分析与设计*

□ 李云鹏□ 宋 涛□ 樊勇利□ 王永鹏□ 周海磊□ 李博洋

1.宝鸡石油机械有限责任公司 陕西宝鸡721002

2.国家油气钻井装备工程技术研究中心 陕西宝鸡721002

随着石油钻井装备行业的快速发展，液压转盘已经得到越来越多的应用，尤其是在海洋钻井装备领域，已逐渐成为现代海洋平台深水钻机的标准配置。在海洋平台下隔水套管、悬持钻具、活动钻具时，要求转盘具有较大支撑能力和通孔直径、较高的扭矩和较低的转速［1］。在相同要求下，电控液压转盘相较于传统的转盘具有尺寸小、质量轻、集成度高、运行安全可靠等特点［2］。笔者主要对液压转盘的电控系统进行分析与研究，并列举了项目实际应用案例。

1 液压转盘概述

石油钻井装备领域的转盘主要是指能够通过一对正交锥齿轮副实现减速，使转台获得一定范围内的转速和扭矩输出的水平旋转装备。在钻井过程中，转盘的功能是传递扭矩，带动钻具旋转钻进［3］。电控液压转盘是指那些驱动力来源于液压系统，控制功能主要是由电控系统实现的一种转盘驱动装置。电控液压转盘从基本构成上可以划分为机械结构、液压系统和电控系统三大部分。这三大部分各自发挥着自身特有的作用，并通过功能整合形成完整的转盘系统。

1.1 机械结构

电控液压转盘的机械结构主要包括：上盖、底座、转台装置、输入轴总成、主补心装置、锁紧装置、锥齿轮副等零部件，为转盘提供了结构支撑与基本的机械运动单元。转盘外形如图1所示。

▲图1 转盘外形图

1.2 液压系统

液压系统主要包括：液压动力源、液压马达、控制阀组、液压管线、管线接头、压力表、液压介质油等，为转盘提供了液压循环通路与液压运动单元。

1.3 电控系统

电控系统主要包括硬件系统和软件系统两部分，为转盘提供了控制逻辑，实现载体与控制逻辑运行机制。具体内容如下。

（1）硬件系统。硬件系统主要包括：控制单元（如：PLC可编程序控制系统、比例放大器、继电器等）、执行单元（如：电磁阀、传感器等）、人机接口（如：工控机、物理开关等）［4］。

（2）软件系统。软件系统主要包括：执行层控制程序（如：PLC程序等［5-6］）、操作层控制程序（如：WinCC程序等［7-8］）。

2 液压转盘电控系统的输入与输出分析

通过对液压转盘电控系统的输入与输出进行分析，可以明确这一系统的人机操作类型与可测状态信息，还可以明确被控对象类型及其期望执行动作。

2.1 电控系统的输入分析

电控系统的输入即转盘控制单元的输入，可分为人机接口输入和传感器输入两部分。具体内容如下。

（1）人机接口输入。人机接口采用物理开关的输入方式，转盘正转、停止、反转操作，转盘扭矩释放、停止操作，液压马达选择操作，紧急停止操作，可定义为开关量输入。转盘速度设定，转盘扭矩设定操作，可定义为模拟量输入。

人机接口采用触摸屏的输入方式，输入信息最终将以通信协议的方式传输到电控系统控制单元中，可广义上定义为通信协议输入。

（2）传感器输入。转盘液压系统压力传感器4～20 mA电流输入可定义为模拟量输入。转盘液压系统压力继电器无源干接点输入可定义为开关量输入。转盘液压马达速度编码器输入可定义为通信协议输入。转盘转台旋转检测接近开关无源干接点输入可定义为开关量输入。

2.2 电控系统的输出分析

电控系统的输出主要指转盘控制单元的输出，主要是对转盘执行单元进行具体的动作控制。其中，对于转盘速度比例控制、转盘扭矩比例控制可定义为模拟量输出；对于转盘扭矩释放、液压马达选择可定义为开关量输出。

针对电控系统与其它第三方设备的通信，控制单元发出的通信内容也可定义为通信协议输出或硬线信号输出。

针对人机接口上配有的物理声光报警装置，控制单元的输出可定义为开关量输出。

3 液压转盘电控系统的硬件设计

在电控系统输入与输出已确定的情况下，根据系统控制运算需求及功能需要，对转盘控制单元、执行单元、人机接口进行设计，组建成完整的硬件系统。液压转盘电控系统硬件框架如图2所示。

3.1 控制单元的设计

控制单元的设计总的来说包括：PLC系统的设计、比例放大器的设计、继电器的设计、安全继电器的设计、安全栅的设计、电源模块的设计、断路器的设计，以及其它部分的设计。具体内容如下。

（1）PLC系统的设计。PLC系统配置一个CPU模块，主要进行数据处理和逻辑运算［9］：两组多通道输入输出模块，主要进行模拟量与数字量的输入输出处理；一个功能模块，主要进行具有通信协议的速度传感器输入处理；一个通信模块，主要负责转盘电控系统与司钻集成控制系统或其它第三方设备的通信。

（2）比例放大器的设计。系统配置两个双通道比例放大器，主要是将PLC系统发出的控制指令信号转换为比例电磁阀所需的驱动电能信号，最终保证该电磁阀动作精度达到设计要求。

（3）继电器的设计。系统配置五个继电器，主要是将电磁阀与PLC系统进行隔离，以及比例放大器使能控制。

（4）安全继电器的设计。系统配置一个安全继电器，当系统有紧急停止触发的情况时，可将输出设备的动力或驱动设备的使能安全可靠地隔离，最终保证运动设备的紧急停止。

▲图2 液压转盘电控系统硬件框架图

（5）安全栅的设计。系统配置两个安全栅，其主要功能是将传感器的输入信号进行隔离，保证现场本安设备的防爆要求，以及PLC系统的输入安全。

（6）电源模块的设计。系统配置两个电源模块，主要是保证控制单元所需电源的电制匹配与电能稳定。

（7）断路器的设计。系统配置一个断路器，主要是为控制单元提供短路和过载保护，以及进行电源的正常分断。

（8）其它部分的设计。系统配置合适数量的接线端子、电缆、格兰头、插接件、符合所需防爆及防护要求的电气箱柜，以及其它保证系统完整性的电气安装附件。

3.2 执行单元的设计

执行单元的设计包括：电磁阀的设计、传感器的设计、以及其它部分的设计。具体内容如下。

（1）电磁阀的设计。系统配置一个转盘正转速度控制比例电磁阀、一个转盘反转速度控制比例电磁阀、一个转盘扭矩设定比例电磁阀，并配置一个转盘扭矩释放开关电磁阀、一个液压马达选择开关电磁阀。

（2）传感器的设计。系统配置一个液压马达工作压力传感器、一个转盘速度传感器。鉴于转盘转速较低，因此传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可，不必选得过高［10］。

（3）其它部分的设计内容同控制单元该部分设计内容一致。

3.3 人机接口的设计

人机接口设计包括：工控机的设计、物理开关或装置的设计、及其它部分的设计。具体内容如下。

（1）工控机的设计。系统配置一台工控机，主要进行人机接口程序的存储与操作层逻辑运算处理，其中触摸屏式或显示屏式的一体化工控机，也可以设计成人机接口的操作终端或显示终端。

（2）物理开关或装置的设计。系统配置一个集成了转盘正转、停止、反转选择开关，转盘扭矩释放、停止选择开关，液压马达选择开关，急停按钮，转盘速度设定电位器，转盘扭矩设定电位器，物理声光报警装置的操作盒。该操作盒可以配合显示屏式一体机使用。

（3）其它部分的设计内容同控制单元该部分设计内容一致。

4 液压转盘电控系统的软件设计

在电控系统硬件已确定的情况下，根据系统控制运算需求及功能需要，对转盘执行层控制程序及操作层控制程序进行编译，组建完整的软件系统。液压转盘电控系统软件框架如图3所示。

4.1 执行层控制程序的设计

执行层控制程序设计包括：输入处理、功能处理、输出处理三部分。具体内容如下。

（1）输入处理。系统处理来自CPU外部的输入数据，包括模拟量输入、数字量输入、通信协议数据输入，并将处理好的数据存放到规划好的数据模块中。

（2）功能处理。系统级功能处理包括操作模式处理（本地应急操作、司钻操作）、运行模式处理（初始化处理、未启动控制输出清零处理、正常运行处理、急停处理），手动、自动、测试模式处理（手动及自动模式处理具有详细的控制功能和保护功能，测试模式处理无具体控制功能和保护功能）。

部件级处理，指具体的内部变量与外部变量或外部变量之间的逻辑运算，最终能实现被控对象的速度闭环控制、扭矩闭环控制等功能。

（3）输出处理。系统将经过功能处理的数据存放到规划好的数据模块中，包括：模拟量输出、数字量输出、通信协议数据输出。

4.2 操作层控制程序的设计

在电控系统人机接口硬件已确定的情况下，操作层控制程序的运行环境就可以确定下来。操作层控制程序设计包括：登录画面设计、子画面设计两部分。具体内容如下。

（1）登录画面设计。登录画面具体可包括：用户账户、清屏、语言选择、单位切换功能。

（2）子画面设计。子画面包括系统画面（如：网络拓扑、变量列表、操作记录）、报警画面（如：当前报警、历史报警）、转盘操作及状态画面（如：转盘正转、反转、停止，转盘速度设定，转盘扭矩设定，转盘扭矩释放，转盘马达选择，液压系统压力，转盘速度，紧急停止等）、数据画面（如：用户管理、诊断列表）等内容。

5 结束语

目前在海洋钻井装备领域，液压转盘已经得到了广泛应用。2015年，由宝石机械自主设计制造的该类型液压转盘，已经得到了实际应用检验。到目前为止，该设备始终保持平稳运行记录，现场反馈良好，受到用户好评。笔者通过对液压转盘电控系统输入与输出进行分析，明确了该电控系统的人机操作类型与可测状态信息，以及被控对象类型及其期望执行动作，实现了对该电控系统的硬件与软件的设计，最终提出一种功能相对完善、配置相对合理的液压转盘电控系统的设计方案。