目前国内新建、改扩建的石油油管, 套管生产厂家越来越多, 接箍拧接机的需求也在不断扩大。接箍拧接机是石油生产中油管、套管生产或修复的重要设备, 接箍拧接过程是石油油管、套管生产过程中仅次于管体车丝, 接箍车丝的关键环节, 每只接箍的拧接过程都关系到整个油井的安全生产和经济效益, 接箍拧接过程是以拧紧扭矩为主要控制指标[1]。美国石油学会标准针对不同规格, 不同钢级的油管, 套管接箍拧接给出了严格的扭矩要求。因此先进、可靠、测控精度高是生产接箍拧接机行业内追求的目标和研究方向。
接箍拧接机由动力源液压泵站 (可电动) 、拧接主钳、背钳、机架、电控系统等组成。现有的接箍拧接机拧紧扭矩测试都是手动完成, 主要以拧紧压力换算成扭矩的方法进行测量扭矩, 控制则用手动换向阀操作, 或由按钮控制电磁阀动作, 基本上都是开环控制, 工作效率低, 扭矩测控间接, 精度低, 一致性、可靠性差。本文介绍一种直接在背钳上加装拉压力传感器测量扭矩的方法, 利用物理原理由力和力臂的乘积得出扭矩, 具有检测直接、反应速度快、精度高、可靠、一致性好等一系列优点, 且由于本系统采用拉压力传感器, 因此拧接过程可上扣或卸扣。
1 测量原理及硬件组成
接箍拧接过程为:启动动力源泵站, 油管或套管进入机架, 背钳夹紧油管或套管, 主钳拧接, 主钳夹住接箍旋转产生的扭矩力直接作用在背钳的拉压力传感器上。背钳上安装的拉压力传感器与油管或者套管的中心线处于平行位置, 管子的中心线到拉压力传感器的距离为力臂, 由主钳夹紧接箍旋转产生扭矩力垂直作用在拉压力传感器上, 扭矩力检测结构示意图如图1所示。
图1 扭矩检测结构示意图 下载原图
扭矩控制由西门子PLC的CPU224XP为核心控制器, 采用台达触摸屏DOP-B07S200为人机界面, 进行数字式设定和显示用PLC控制电动调节阀的开关度来精确控制拧接扭矩。
扭矩力由西门子称重模块SIWAREX MS检测出来送入PLC CPU中进行数字运算得出扭矩值, 拉压力传感器与称重模块SIWAREX MS的硬件接线图如图2所示。
SIWAREX MS是一种称重模块, 可与绝大部分各种品牌的应变片传感器连接, 具有高精度的特点。用SIWAREX MS软件调试, 简便、明了。
图2 拉压力传感器与称重模块SIWAREX MS的硬件接线图 下载原图
接箍拧接机扭矩值是由拉压力传感器和称重模块SIWAREX MS连接测量到的扭矩力值送到PLC的CPU224XP中, 经过运算后得到扭矩值。控制器PLC根据位置开关, 检测管体的位置, 根据控制工艺流程发出控制指令控制管体进出, 控制背钳夹紧, 主钳夹紧, 旋转开始拧接。PLC根据检测到的扭矩值与由触摸屏上设定的扭矩进行比较, 经过PID算法运算后输出控制电动调节阀开度大小来达到精确控制扭矩值的目的。同时PLC将检测到扭矩值及各种位置信号送到触摸屏上进行实时显示, 达到监控自动化, 系统硬件图如图3所示。
图3 系统硬件图 下载原图
2 软件设计与控制方法
2.1 程序设计
本系统程序采用模块化编程思想, 即根据控制功能分成不同的程序块, 而在主程序中根据所需条件来调用不同的子程序块。使用此方法能够提高主程序的开发效率, 有利于程序的调试和维护。
本系统中程序整体的结构图如图4所示, 流程图如图5所示。
图4 程序整体结构图 下载原图
图5 系统程序流程图 下载原图
2.2 PID控制算法
在自动控制系统中, PID控制算法是最经典、最常用、最成熟的控制手段。PID算法是提高整个系统稳定性和响应特性的调节算法。本系统选用的PLC为CPU224XP.PLC实现PID控制过程是先将PID参数输入存储器组成的回路表中, 经数据离散化处理后, 再用中断调用的方法对数据表进行PID控制。PID控制算法:
其中:Mn为在第n采样时刻PID回路输出的计算值;kc为PID回路增益;en为在第n次采样时刻的偏差值;en-1为在第n-1次采样时刻的偏差值;MX为积分项前值;kD为微分项的比例常数。
PLC根据扭矩设定值与当前测量的扭矩值的差值, 由PID计算后输出0～10 V DC来控制电动调节阀的开关, 从而达到精确控制扭矩的目的。
3 运行结果
与葫芦岛市某石油机械厂共同合作采用本测控系统的接箍拧接机, 现场实际拧接的效果具有接箍拧接过程平稳, 拧接速度较快 (钢级N80, 管径Φ185, 拧接时间在20～30 s) 等优点。扭矩测量精度达到0.1%, 控制精度达到±0.5%.该套系统在延安长庆油田某石油管材公司应用1年多来工作稳定可靠。
4 结束语
由于本系统采用了西门子新型PLC的CPU224XP为主机, 以称重模块SIWAREX MS测量扭矩值, 在软件设计中运用PID算法, 程序简单实用, 达到了稳定、精确的扭矩控制效果。该系统具有测量精度高、抗干扰能力强、可靠性好、控制精度高、控制速度快等特点。