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, 接箍車絲的關鍵環節, 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、電控系統等組成。現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點, 且由于本系統采用拉壓力傳感器, 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。控制器PLC根據位置開關, 檢測管體的位置, 根據控制工藝流程發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, 達到監控自動化, 系統硬件圖如圖3所示。
圖3 系統硬件圖 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效率, 有利于程序的調試和維護。
本系統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 系統程序流程圖 下載原圖
2.2 PID控制算法
在自動控制系統中, 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穩定性和響應特性的調節算法。本系統選用的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, 擰接速度較快 (鋼級N80, 管徑Φ185, 擰接時間在20～30 s) 等優點。扭矩測量精度達到0.1%, 控制精度達到±0.5%.該套系統在延安長慶油田某石油管材公司應用1年多來工作穩定可靠。
4 結束語
由于本系統采用了西門子新型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, 達到了穩定、精確的扭矩控制效果。該系統具有測量精度高、抗干擾能力強、可靠性好、控制精度高、控制速度快等特點。