目前國內新建、改擴建的石油油管, 套管生產廠家越來越多, 接箍擰接機的需求也在不斷擴大。接箍擰接機是石油生產中油管、套管生產或修復的重要設備, 接箍擰接過程是石油油管、套管生產過程中僅次于管體車絲, 接箍車絲的關鍵環(huán)節(jié), 每只接箍的擰接過程都關系到整個油井的安全生產和經濟效益, 接箍擰接過程是以擰緊扭矩為主要控制指標[1]。美國石油學會標準針對不同規(guī)格, 不同鋼級的油管, 套管接箍擰接給出了嚴格的扭矩要求。因此先進、可靠、測控精度高是生產接箍擰接機行業(yè)內追求的目標和研究方向。
接箍擰接機由動力源液壓泵站 (可電動) 、擰接主鉗、背鉗、機架、電控系統(tǒng)等組成?，F有的接箍擰接機擰緊扭矩測試都是手動完成, 主要以擰緊壓力換算成扭矩的方法進行測量扭矩, 控制則用手動換向閥操作, 或由按鈕控制電磁閥動作, 基本上都是開環(huán)控制, 工作效率低, 扭矩測控間接, 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, 具有檢測直接、反應速度快、精度高、可靠、一致性好等一系列優(yōu)點, 且由于本系統(tǒng)采用拉壓力傳感器, 因此擰接過程可上扣或卸扣。
1 測量原理及硬件組成
接箍擰接過程為:啟動動力源泵站, 油管或套管進入機架, 背鉗夾緊油管或套管, 主鉗擰接, 主鉗夾住接箍旋轉產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產生扭矩力垂直作用在拉壓力傳感器上, 扭矩力檢測結構示意圖如圖1所示。
圖1 扭矩檢測結構示意圖 下載原圖
扭矩控制由西門子PLC的CPU224XP為核心控制器, 采用臺達觸摸屏DOP-B07S200為人機界面, 進行數字式設定和顯示用PLC控制電動調節(jié)閥的開關度來精確控制擰接扭矩。
扭矩力由西門子稱重模塊SIWAREX MS檢測出來送入PLC CPU中進行數字運算得出扭矩值, 拉壓力傳感器與稱重模塊SIWAREX MS的硬件接線圖如圖2所示。
SIWAREX MS是一種稱重模塊, 可與絕大部分各種品牌的應變片傳感器連接, 具有高精度的特點。用SIWAREX MS軟件調試, 簡便、明了。
圖2 拉壓力傳感器與稱重模塊SIWAREX MS的硬件接線圖 下載原圖
接箍擰接機扭矩值是由拉壓力傳感器和稱重模塊SIWAREX MS連接測量到的扭矩力值送到PLC的CPU224XP中, 經過運算后得到扭矩值?？刂破鱌LC根據位置開關, 檢測管體的位置, 根據控制工藝流程發(fā)出控制指令控制管體進出, 控制背鉗夾緊, 主鉗夾緊, 旋轉開始擰接。PLC根據檢測到的扭矩值與由觸摸屏上設定的扭矩進行比較, 經過PID算法運算后輸出控制電動調節(jié)閥開度大小來達到精確控制扭矩值的目的。同時PLC將檢測到扭矩值及各種位置信號送到觸摸屏上進行實時顯示, 達到監(jiān)控自動化, 系統(tǒng)硬件圖如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)硬件圖 下載原圖
2 軟件設計與控制方法
2.1 程序設計
本系統(tǒng)程序采用模塊化編程思想, 即根據控制功能分成不同的程序塊, 而在主程序中根據所需條件來調用不同的子程序塊。使用此方法能夠提高主程序的開發(fā)效率, 有利于程序的調試和維護。
本系統(tǒng)中程序整體的結構圖如圖4所示, 流程圖如圖5所示。
圖4 程序整體結構圖 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
在自動控制系統(tǒng)中, PID控制算法是最經典、最常用、最成熟的控制手段。PID算法是提高整個系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應特性的調節(jié)算法。本系統(tǒng)選用的PLC為CPU224XP.PLC實現PID控制過程是先將PID參數輸入存儲器組成的回路表中, 經數據離散化處理后, 再用中斷調用的方法對數據表進行PID控制。PID控制算法:
其中:Mn為在第n采樣時刻PID回路輸出的計算值;kc為PID回路增益;en為在第n次采樣時刻的偏差值;en-1為在第n-1次采樣時刻的偏差值;MX為積分項前值;kD為微分項的比例常數。
PLC根據扭矩設定值與當前測量的扭矩值的差值, 由PID計算后輸出0～10 V DC來控制電動調節(jié)閥的開關, 從而達到精確控制扭矩的目的。
3 運行結果
與葫蘆島市某石油機械廠共同合作采用本測控系統(tǒng)的接箍擰接機, 現場實際擰接的效果具有接箍擰接過程平穩(wěn), 擰接速度較快 (鋼級N80, 管徑Φ185, 擰接時間在20～30 s) 等優(yōu)點。扭矩測量精度達到0.1%, 控制精度達到±0.5%.該套系統(tǒng)在延安長慶油田某石油管材公司應用1年多來工作穩(wěn)定可靠。
4 結束語
由于本系統(tǒng)采用了西門子新型PLC的CPU224XP為主機, 以稱重模塊SIWAREX MS測量扭矩值, 在軟件設計中運用PID算法, 程序簡單實用, 達到了穩(wěn)定、精確的扭矩控制效果。該系統(tǒng)具有測量精度高、抗干擾能力強、可靠性好、控制精度高、控制速度快等特點。