地面连续油管作业设备概念设计

马尚多

摘要：近年来，线圈管(CT)由于其快速施工、短循环和压力运行的优点，在油气井井下作业技术领域(如射孔、钓鱼、疏浚等)得到了广泛的应用。线圈管经常需要反转，因为它的寿命要求或施工技术要求，即线圈管管在具有不同功能的滚筒之间切换。以螺旋管为例，从运输鼓到工作鼓。螺旋管通过工作鼓的限制孔，供应给鼓内的收集器。同时调整线圈管接头的方向，使其与收集器接头完全对齐，从而实现成功的接头。

关键词：连续油管；作业设备；概念设计

引言

在油田作业中，管程所占比例非常大，既费时又费力。因此，改进管程机械自动化具有重要意义。目前，自动管材传动装置主要包括动力裙边传动装置、平行连接变速箱、吊杆旋转传动装置、井架操纵装置垂直传动装置和传动装置。为了开发新的贯通式机械化系统，为贯通式机械化设备提供实验研究平台，并使测试人员能够研究和改进贯通式技术和机械化设备的控制方法和性能，一套基于PLC控制的多频段管状平地机和移动机器人被设计为实验装置，1m长的模拟管可以自动夹持、移动和放置。

1对接装置的设计思路

管道的螺旋连接不能与鼓内部的收集器连接完全对齐，因为两个接头的轴在空间中不是共面的，也不是共线的。因此，有必要设计非固定的坞站设备。调整装置时，两个连接的轴首先在同一个平面上，为了实现成功的对接，连接的轴变得共线。为了解决共面性的问题，即连接角度的问题，以确保它们之间关节的倾角一致。因此，为了连接万能轴上的球接头，在对接装置上设计了密封机制，使球接头在360°上自由旋转，解决了非共面性问题。调整球接头的旋转角度会使两个接头的轴共面并相互平行。解决共线问题，即两个关节轴之间的距离问题。因为轴在同一个平面上相互平行，所以只要球接头可以在平面上平行移动并调整轴之间的距离，两个轴的轴就可以成为共线。因此，线性伸缩密封机构设计在对接装置上，使球接头的轴可以在平面上沿直线自由移动。

2任务需求分析

石油和天然气部门的工作，特别是油井的工作，主要涉及管道工程，包括管道合并、运送和重置、接管、集中、居中和紧固螺钉。相应地，需要开发功能模块，如系统底盘、管道布局系统、机械抓放管臂、油井操作触发装置和螺杆装置等。栋从而形成完整的机器人系统。工作效率，包括工作时间和工作节奏，是系统活力的关键因素。结构优化和轻量化设计有助于系统小型化，提高环境适应性和快速部署能力。机械手臂是整个工作过程中最慢的环节。机械手臂的轨迹规划和动态控制改善了机械手臂的运动速度和整体工作节奏。油井作业复杂，有许多不确定因素。通过视觉、激光和力识别等传感器检测工件和工作信息，并结合信息动态调整控制策略，可以提高系统灵活性，减少人工干预工作，提高生产安全性。

3地面连续油管作业设备概念设计

3.1硬件选型

控制大象PLC硬件框架包括用于控制圆柱操纵器、气液增压气缸、双力系列气缸等的各电磁阀，以及用于在两端建立圆形枢轴相对角度位置的伺服电机。因此，选择PLC时应考虑高速脉冲输出功能。S7200 SmartCPU盘柜集成了高达100kHz的三种高速脉冲输出，支持PWM/PTO输出模式和多种驱动模式，并可自由设置包膜。具备易于使用的向导设置功能，可快速实现电机速度控制、定位和其他功能。考虑到I/o点的数量，选择了PLC型号S7200SmartST40。带有Profinet以太网接口的PLC输入包括每个气缸的磁开关、自动电源监控开关和启动后自动返回零的伺服电动机基点开关。为了方便用户交互，选择昆仑山TPC 7062k触摸屏，通过以太网连接到ST40，可以显示操作状态、报警信息和压力机的手动控制。为了方便一名工人照看多台压力机，还安装了三种颜色的灯光，材料不足时红灯闪烁，提醒工人及时供应材料的必要性。

3.2软件系统设计

校准装置的软件设计主要包括三个部分:AD7195负载信号的接收、SPI接口的数据传输和单片机STM32的SPI端口数据的接收。系统程序流如图4所示。传感器由5伏直流电压激发，灵敏度为2.0Mv/v。传感器发出0mv至10mv的电压信号。AD7195的硬件配置和AD转换结果的获取是通过读取和写入特定寄存器来完成的。AD7195启动器完成配置CON寄存器的配置，将PGA增益设置为128(39.06Mv通道范围)，并选择直流激励、双极操作模式，启用输入缓冲器，并启用数字滤波器斩波。通道配置主要完成通道启用、外部校准模式、参考电压和全寄存器的配置。STM SPI通信程序主要完成SPI模式选择、GPIO和时钟激活、闪存寄存器标识符获取、寄存器读写操作等。栋负载检测采用连续转换模式，并且负载采集过程以圆形方式进行。转换完成状态寄存器中的RDY位变为低电平，读取转换结果后，RDY位变为高电平。

3.3油管抓取移运机器人的控制系统

根据上述机器人，电子管将相应地工作，包括PLC、开关电源、继电器、横移开关和其他控制系统的设计。由于工业计算机用作系统的顶层计算机，因此在设计过程中选择了Siemens S7-200CPU226作为子计算机。系统可以通过每个信号发送器将信息发送到输入模块，然后将处理的信息发送到工业计算机，实现输入信息数据的及时处理。工业控制计算机的监控程序包括PLC号的输出，输出信号由系统的相应模块处理，最终实现整个控制设备的信息采集和控制。控制程序主要是根据现场捕捉管道工作的详细要求设计的。机器人的实际运行状态由配置软件实时监控，该软件可以收集和显示捕捉泵运动的各种参数，并携带机器人管子。该系统还可以进行自动管道噬菌体工作和机器人管道捕获和运输系统校正工作。

3.4控制系统

根据管抓和搬运机器人的工作流程，设计了控制系统，包括工业计算机、PLC、开关电源、电磁阀、继电器、位移传感器、旅行开关、伺服电机驱动器和红外信号接收器。作为父计算机，工业控制计算机选择Siemens S7-200CPU226和扩展模块作为子计算机。通过位移传感器、基本运输机构的位置信号、折叠提升机构的位置信号、底盘旋转机构的位置信号和角度信号、操纵器旋转机构的角度信号和装置的操纵器摆动机构的角度信号，可以输入到可编程控制器PLC的模拟输入模块中。通过通信发送到工业计算机后，实现系统状态的显示以及相关数据信息的存储和处理。工业控制计算机的配置监控程序，结合PLC的控制程序，通过PLC的数字或模拟数量输出相关的控制命令，并控制执行器，使其按照必要的指令工作，从而实现整个设备的数据采集和控制。控制程序是根据管抓取和搬运机器人的工作流程设计和编译的。系统的实时监测是利用state-god三维配置软件进行的，在配置界面中可以设置和显示如下参数:基座输送机构的位移、折叠提升机构的位移、底盘旋转机构的位移和旋转角度、操纵器旋转机构的旋转角度和操纵器摆动机构的旋转角度。该系统还可以通过一个按钮实现自动夹紧、运输和对齐。

结束语

本技术论文设计并实现了移动和智能井口机器人系统。实际试验表明，该系统能自动实现管池、卸料、抓取、右、定心和下料作业，提高了工作效率，降低了工人劳动强度，具有良好的应用潜力。

参考文献

[1]尹永晶，杨汉立．石油修井机[M]．北京：石油工业出版社，2020：1-15.

[2]颜家福.车载修井机管柱自动提升系统关键技术设计研究[D].东营：中国石油大学（华东），2020：1-5.

[3]李勇.车载修井机管柱排放机器人装置设计与研究[D].西安：西安石油大学，2020：1-5.

[4]常玉连，田美，高胜，等.车载式修井机井口对中装置设计与分析[J].石油矿场机械，2020，41（3）：28-30.

[5]任福深，王威，刘晔，等.石油管柱上卸扣装置技术现状[J].石油机械，2020，40（5）：15-19.