立柱式排管机回转角度高精度测量与自动化控制研究

张 娜，金 玲，郭秀琴，郑 健， 吴昌亮

(1.中国石油集团工程技术研究院有限公司，北京 100206； 2.北京康布尔石油技术发展有限公司，北京 100206)

管柱处理是钻井施工的主要工作之一，其劳动强度大，安全系数低。国际钻井承包商协会(IADC)的统计数据显示，管柱处理过程中的钻井事故占总事故数的80%[1]。提高管柱处理的自动化程度,改善其作业环境极为重要。近年来，随着“标准化、专业化、机械化、信息化”的深入推进，自动化钻井装备广泛地被应用于钻井作业，取得了良好效益[2-3]。以立柱式排管机为代表的自动化管柱处理装置的主要运动形式之一是回转运动，但是由于没有回转角度的测量或回转角度的测量精度低，主要依赖人工控制，自动化程度很低，严重制约了管柱自动化处理装备作用的发挥，亟需对其回转角度高精度测量与自动化控制技术进行研究。

1 立柱式排管机回转运动原理

回转运动是指设备在一个平面内绕其回转中心线往复回转的运动形式，是自动化管柱处理装置的主要动作，且各装置的回转运动原理类似[4-5]。

立柱式排管机是海洋钻机的重要设备，目前已逐步运用到陆地钻机[6]。典型的立柱式排管机主要包括上部支撑总成、立柱体、伸缩抓管机械臂总成、伸缩扶管机械臂总成、回转装置总成、下部行走装置总成等[7-10]，如图1所示。

回转装置总成主要由液压马达、传动装置和回转支承等组成，如图2所示。液压马达的动力经传动装置的输出小齿轮传至固定在下部行走装置上的外齿圈，实现绕其回转中心线转动。回转支承装置用来连接立柱式排管机的回转部分与下部行走装置总成，并提供回转运动所要求的约束，以保证回转部分具有确定的运动，同时承受来自回转部分的各类载荷及倾覆力矩。

图1 典型立柱式排管机结构示意

图2 立柱式排管机回转装置示意

2 回转角度高精度测量

绝对值式旋转编码器是一种可直接编码的测量元件,它把被测转角转换成相应的代码，指示绝对位置，没有积累误差,可实现高精度。绝对值式编码器光码盘上有许多道光通道刻线， 每道刻线依次以2线、4线、8线、16线……编排,在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗,获得组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码(格雷码)，这就称为n位绝对编码器。如图3所示。

本文选用丹麦SCANCON公司的16位高精度绝对值式编码器，测量精度高达0.005 5°。绝对值式旋转编码器不受停电干扰的影响，其输出真值如表1所示。绝对编码器由机械位置决定的每个位置是唯一的,无需记忆和找参考点，而且不用一直计数,可按需读取其位置,抗干扰特性、数据的可靠性显著提高。高精度编码器全部用不锈钢制造，防护等级为IP67。

图3 接触式编码盘

表1 绝对值式旋转编码器输出真值表

3 回转高精度控制系统设计

3.1 高精度控制原理

基于高精度测量传感器、液压摆线马达、液压伺服比例系统、PLC控制系统等建立了回转角度高精度测量与控制系统，将采集的角度信号传输给控制器，按既定算法，控制比例伺服阀动作，完成精确的定位与控制。控制原理如图4所示。

图4 控制原理

为控制旋转柱的精确定位，采用旋转编码器，位置校验点，左右限位保护、比例阀阀芯位置监控杆等多传感器融合的定位系统。该控制系统以16位SSI旋转编码器与校验传感器作为测量反馈部件，高频响比例方向阀(上配闭环位置控制比例放大器)、PLC、运动控制器作为控制部件，触摸屏为指令与参数输入部件，液压马达作为执行部件，通过调整PID对速度和位置的调整，可在0～230°使控制精度达到±0.3°，动作时间9 s内。校验传感器作为物理定点，与反馈位进行比较校验，在许可范围内可直接切换到标定角度，消除部分系统的累积误差与扰动误差，超出范围认为测量反馈部件误差过大，提示进行排查。该方法为管柱移运装置旋转控制部分提供了一种操作简单，定位精确，时效性强，控制灵活的新方法。

采用闭环控制实现立柱的精准定位。该闭环控制系统由指令输入模块、比较模块、校正装置(PID控制器)、放大转换模块(高频响伺服比例阀)、反馈检测模块(高精度数字量旋转编码器)、执行元件(低速大转矩双向定量马达)以及控制对象(立柱)等组成。在要求时间内，立柱旋转大角度时，马达运行速度曲线为加速―匀速(高速)―减速―低速―停止(制动器抱刹)；当立柱旋转小角度时，马达运行速度曲线为加速―匀速(低速)―停止(制动器抱刹)。

本系统的控制核心为运动控制器、PLC。系统接受到预设的目标位，通过程序算法，可得到比例阀输出的参考值，数模转换后，由运动控制器经过PID运算后输出电信号到高频响比例阀的运动放大器上，驱动高频响比例阀放大器输出PWM脉冲信号，控制高频响比例阀阀芯动作。旋转编码器实时反馈旋转柱的测量值到运动控制器，运动控制器再根据反馈值按算法调整其输出信号。旋转柱上设置了初始位传感器，此位置即作为装置的原点位，也作为标定位置校验。每次PLC接受到此传感器的信号，都与旋转编码器测得的位置进行对比校验，如果两者的差值在±0.3°，则认为系统运行状态正常；如果两者差值超出范围，则认为系统有异常，提示异常状态与排查方式，装置立即停止动作。

3.2 高精度控制系统设计

3.2.1 回转机构液压原理

回转机构原液压原理如图5所示。

1—油箱；2—液位液温计；3—空气滤清器；4—放油阀(常闭)；5—温度传感器；6—恒压变量泵；7—电机；8—连轴器；9—软管；10—回油过滤器；11—空气冷却器；12—卸荷阀；13—安全阀；14—高压油过滤器；15—压力表；16—单向阀；17—液控单向阀；18—比例伺服阀；19—两位四通电磁阀；20—梭阀；21—测压接头；22—补油单向阀；23—常闭式制动器；24—双向定量马达；25—旋转编码器。

立柱式排管机通常带载回转，转动惯性大。回转制动时，转台惯性动能会导致系统油路压力冲击，最终以热能形式散失造成能量浪费并使油温升高，致使系统性能下降。参考其他工程设备中的能量回收系统[11-12]，利用蓄能器和泵/马达二次元件组成回转制动能量再利用系统，为避免这部分能量影响主回路，将用于立柱式排管机散热系统，加入回转制动能量回收及再利用系统的液压原理如图6所示。同原系统相比，回转制动过程更加平稳，制动精度可靠，并可节能20%左右。

1—油箱；2—液位液温计；3—空气滤清器；4—放油阀(常闭)；5—温度传感器；6—恒压变量泵；7—电机；8—连轴器；9—软管；10—回油过滤器；11—空气冷却器；12—卸荷阀；13—安全阀；14—高压油过滤器；15—压力表；16/20—单向阀；17—液控单向阀；18—比例伺服阀；19—二位四通电磁方向阀；21—蓄能器；22—二位三通液控换向阀；23—双向定量马达；24—测压接头；25/28—溢流阀；26—二位二通电磁换向阀；27/29—顺序阀；30—定量泵；31—单向定量马达(散热马达)；32—旋转编码器；33—常闭式制动器；34—梭阀；35—压力继电器。

3.2.2 立柱正转-停止过程

如图5所示，根据立柱需要旋转的角度，给控制系统输入目标电信号指令，与马达同轴的旋转编码器25为检测反馈元件。YV1、YV2得电(12～20 mA)；二位四通电磁阀切换至左位，液控单向阀导通，比例伺服阀阀芯移动，阀口全开(P-A导通，B-T导通)。液压油经单向阀、液控单向阀、比例伺服阀、进入双向定量马达，驱动马达加速并高速旋转(当旋转角度较小时，阀口关小，低速旋转接近目标)，马达带动立柱正转。旋转编码器实时监测实际旋转角度，与目标值指令作比较，当小于目标值，比例伺服阀继续右位工作(P-A导通，B-T导通)，马达继续正转，当实际检测值接近目标值时，控制电流减小，阀口减小，马达慢速旋转，根据比较模块得出的误差调整阀口开度及方向，直至实际测量值等于目标值，比例伺服阀阀芯停止运动，停在中位，压力卸荷，梭阀两腔压力接近于零，常闭式制动器在弹簧力作用下，抱刹马达旋转轴，马达停转，立柱停止旋转，在常闭式制动器作用下，可长时间停机，无摆动。

3.2.3 立柱反转-停止过程

如图5所示，同立柱正转控制方式，比例伺服阀小电流控制，阀芯反向移动，具体如下：

根据立柱需要旋转的角度，给控制系统输入目标电信号指令，与马达同轴的旋转编码器为检测反馈元件。YV1、YV2得电(4～12 mA)；两位四通电磁阀切换至左位，液控单向阀导通，比例伺服阀阀芯移动，阀口全开(P-B导通，A-T导通)。液压油经单向阀、液控单向阀、比例伺服阀、进入双向定量马达，驱动马达加速并高速旋转(当旋转转角度较小时，阀口关小，低速旋转接近目标)，马达带动立柱反转，旋转编码器实时监测实际旋转角度，与目标值指令作比较，当小于目标值，比例伺服阀继续左位工作(P-B导通，A-T导通)，马达继续反转。当实际检测值接近目标值时，控制电流减小，阀口减小，马达慢速旋转，根据比较模块得出的误差调整阀口开度及方向，直至实际测量值等于目标值，比例伺服阀阀芯停止运动，停在中位，压力卸荷，梭阀两腔压力接近零，常闭式制动器在弹簧力作用下，抱刹马达旋转轴，马达停转，立柱停止旋转，在常闭式制动器作用下，可长时间停机，无摆动。

3.2.4 马达制动能量回收过程

如图6所示，当在无精密定位需求，需快速旋转停止工况时，YV1、YV2得电，两位四通电磁阀切换至左位，液控单向阀导通，比例伺服阀阀口全开，液压油经单向阀、液控单向阀、比例伺服阀、二位三通液控换向阀左位进入双向定量马达，马达快速旋转，旋转编码器检测到达指定位置时，控制比例伺服阀、两位四通电磁阀失电，比例伺服阀失电保护位使系统瞬间失压，液控单向阀瞬间关闭，马达供油被瞬间切断，由于惯性，马达回油腔压力瞬间升高，马达减速制动，在常闭式制动器作用下，马达快速停止，单向阀起到补油作用。在此过程中，二位三通液控换向阀的阀芯克服设定的弹簧力，移动换向，当马达正转时，二位三通液控换向阀切换至右位，当马达反转时，二位三通液控换向阀切换至左位，马达回油腔高压油经二位三通液控换向阀进入蓄能器，进行蓄能充液。当多次制动能量回收，蓄能器压力达到设定值时，顺序阀油路导通，定量泵卸荷，压力继电器发信号，二位二通电磁换向阀得电，切换至下位，蓄能器代替定量泵向单向定量马达(散热马达供油，散热马达旋转，用于立柱式排管机散热系统。

4 结论

1) 以立柱式排管机为代表的自动化管柱处理装置的主要运动形式之一是回转运动。由于没有回转角度的测量或回转角度的测量精度低，自动化程度低，严重制约了其作用的发挥。

2) 采用绝对值式高精度旋转编码器，可显著提高立柱式排管机回转角度的测量精度。基于高精度测量传感器、液压摆线马达、液压伺服比例系统、PLC控制系统等设计回转角度高精度测量与控制系统，可对立柱式排管机的回转角度进行高精度测量与控制。

3) 加入回转制动能量回收及再利用系统后，能量的利用效率显著提高，使用成本下降。

4) 回转角度高精度测量与控制技术提高了立柱式排管机的自动化程度、作业安全性和作业效率。可对其他管柱处理装备的回转角度高精度测量与控制设计提供参考。