一种修井排管机械手全自动控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及钻修机自动化排管设备技术领域，尤其涉及一种修井排管机械手全自动控制系统及其控制方法。

背景技术

传统修井机二层台在起下管柱作业时都是人工作业，高空作业存在较大安全隐患，同时，上下二层台很不方便，人员完全在户外作业，环境恶劣，作业强度大，为了改善这种情况目前修井机逐步配备了自动化二层台排管机械手，但其自动化程度有限，需要人工近距离辅助操作。

发明内容

针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种修井排管机械手全自动控制系统及其控制方法，其解决了现有技术中存在的二层台排管机械手自动化程度不高的问题。

根据本发明的实施例，一种修井排管机械手全自动控制系统，包括依次数据连接的上位机、作为控制单元的主控制箱、作为检测单元的I/O控制箱和作为驱动单元的伺服控制箱；主控制箱内的主控制器通过AI输入模块和DI输入模块分别与外部的主控制手柄和控制面板上的控制旋钮连接；I/O控制箱包括远程站点，远程站点与主控制器数据连接，远程站点DI信号连接有机械手动作检测用定位传感器，I/O控制箱控制连接有实现机械手夹持的钳指电钢；伺服控制箱上连接有用于控制机械手旋转、平移和伸缩的驱动器组；I/O控制箱和伺服控制箱各控制连接有一组指梁锁。

优选的，与所述主控制器连接的旋转控制按钮包括用于控制指梁开启或关闭的指梁旋钮、控制钳指开启或关闭的钳指按钮、控制系统自动起钻或下钻的起下钻旋钮、系统启动按钮和故障复位按钮。

优选的，所述上位机与所述主控制箱通过EtherCat总线通讯连接，用于定位数据、动画数据、流程显示数据以及安全提示数据的交换；所述主控制箱与远程站点通过EtherCat总线通讯连接，用于远程数据的交换；所述钳指电钢和一组指梁锁与I/O控制箱通过Modbus-Rtu总线连接，用于实现钳指电钢和一组指梁锁的开启或关闭；所述伺服控制箱与I/O控制箱通过EtherCat总线和Modbus-Rtu总线连接，所述驱动器组与伺服控制箱通过EtherCat总线数据连接，所述伺服控制箱通过Modbus-Rtu总线与另一组所述指梁锁组连接。

优选的，所述定位传感器包括旋转定位传感器、小车定位传感器、伸缩定位传感器和钳头定位传感器； 旋转定位传感器用于检测机械手竖直转动是否达到设定的用于抓取管柱或放置管柱的角度，小车定位传感器用于检测小车是否移动至指梁口或井口，伸缩定位传感器用于检测机械手是否完全伸出或缩回，钳头定位传感器用于检测钳头是否达到夹持管柱的状态； 所述驱动组器组包括伺服驱动器一、伺服驱动器二和伺服驱动器三； 伺服驱动器一包括旋转电机和旋转电机编码器，伺服驱动器二包括小车电机和小车电机编码器，伺服驱动器三包括伸缩电机和伸缩电机编码器。

一种修井排管机械手全自动控制系统的控制方法，包括两种运行模式，分别为下钻自动运行和起钻自动运行，分别包括如下步骤，下钻自动运行包括： 步骤一：复位、通过旋转定位传感器、小车定位传感器、伸缩定位传感器和钳头定位传感器对机械手的角度、小车的位置、机械臂的伸出状态和钳头的握持状态进行检测，并根据检测结构，通过旋转电机、小车电机、伸缩电机和钳指电钢分别驱动机械手转动至复位角度、小车带动机械手移动至指梁口位置、机械臂完全缩回以及机械臂钳头打开； 步骤二：操作者选择下钻自动运行，点击上位机或转动控制面板上的起下钻旋钮，系统自动判断需要抓取的管柱位置，规划路径； 步骤三：首先，在指梁口位置的机械手的机械臂伸出，通过伸缩定位传感器判断机械臂伸出位置达到后，通过钳指电钢控制钳口关闭，同时控制管柱相应的指粱锁打开，系统判断钳头上夹持有管柱后，再通过伸缩电机控制机械臂收缩，管柱移出指梁后，进行指粱锁的关闭，之后，小车电机控制小车移动至靠近井口的一端，再通过旋转电机控制机械手旋转至井口位置，机械臂伸出至井口位置，待操作者确认管柱交接完成后，再点击自动运行，便可进行下一下钻取管柱作业周期运行； 起钻自动运行包括： 步骤一：复位、通过旋转定位传感器、小车定位传感器、伸缩定位传感器和钳头定位传感器分别对机械手的角度、小车的位置、机械臂的伸出状态和钳头的握持状态进行检测，并根据检测结构，通过旋转电机、小车电机、伸缩电机和钳指电钢分别驱动机械手转动至复位角度、小车带动机械手移动至井口位置、机械臂完全缩回以及机械臂钳头打开； 步骤二：操作者选择起钻自动运行，点击上位机或转动控制面板上的起下钻旋钮，系统自动判断需要排放的管柱位置，并规划路线； 步骤三：首先，在井口位置的机械手的机械臂伸出，通过伸缩定位传感器判断机械臂伸出位置达到后，通过钳指电钢控制钳口关闭，对井口位置的管柱进行夹持，在操作者确认管柱分离后，再通过伸缩电机控制机械臂收缩，小车电机驱动小车移动至指梁口位置，旋转电机驱动机械手转动，对应的指梁锁打开，机械臂伸出作业，再控制指梁锁关闭，之后进行机械臂的缩回作业，小车再次移动至井口位置，机械手转动至朝向井口位置的方向，待操作者确认井口位置的管柱已分离后，再点击起钻自动运行，便可进行下一起钻管柱作业周期运行。

优选的，在所述步骤一中，系统判断机械手的位置状态，当位置状态不在允许自动操作的位置时，人工通过主控制手柄将机械手移动至启动自动操作允许的位置。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、二层台排管机械手的起钻作业和下钻作业实现一键全流程自动化作业，中间过程无需人员再参与操作和判断，提高了排管作业效率和操作效率。

2、全自动系统运行采用了多种程序保护措施，包括定位传感器的位置检测、电机编码器的速度检测、运行时间检测等方式判断，可智能提示当前运行状态及操作方法。

3、全自动运行过程中可以实现全流程的暂停和继续运行，不会影响系统的继续定位和流程作业，作业更加灵活方便。

附图说明

图1为本发明实施例的硬件连接图。

图2为本发明实施例的控制方法图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案进一步说明。

如图1-2所示。本发明提出一种修井排管机械手全自动控制系统，上位机、操作面板、主控制箱、AI输入模块、DI输入模块、I/O控制箱、伺服控制箱、远程站点、钳指电钢、1#-12#指梁锁、旋转定位传感器、小车定位传感器、伸缩定位传感器、钳头定位传感器、伺服驱动器1、伺服驱动器2、伺服驱动器3、13#-24#指梁锁、旋转电机、旋转电机编码器、小车电机、小车电机编码器、伸缩电机、伸缩电机编码器。上位机通过EtherCat总线实现与主控制箱通讯，主要进行定位数据、动画数据、流程显示数据以及安全提示数据的交换。操作面板主要有主动控制手柄通过AI输入模块与主控制箱连接，操作面板的指梁旋钮、钳指旋钮、起下钻旋钮、系统启动、故障复位通过DI输入模块与主控制箱连接。I/O控制箱内的远程站与主控制箱通过EtherCat总线连接，实现远程数据的交换。旋转定位传感器、小车定位传感器、伸缩定位传感器、钳头定位传感器通过DI输入模块与远程站点连接。钳指电钢和1#-12#指梁锁通过Modbus-Rru总线实现与I/O控制箱的连接。伺服控制箱通过EtherCat总线和Modbus-Rtu总线实现与I/O控制箱的连接，伺服驱动器一、伺服驱动器二和伺服驱动器三通过EtherCat总线与伺服驱动箱连接。伺服驱动器一连接旋转电机和旋转电机编码器，伺服驱动器二连接小车电机和小车电机编码器，伺服驱动器三连接伸缩电机和伸缩电机编码器。13#-24#指梁锁通过Modbus-Rtu总线实现与伺服驱动箱的连接

在这些硬件连接的基础上，住控制器基于修井作业排管的工艺流程，设置起钻自动和下钻自动运行的两种控制方法，按照步骤逻辑执行顺序和联锁保护实现对各执行机构的控制执行，最终实现二层台排管机械手的全自动流程作业。

二层台排管机械手所有动作可通过操作面板按键或者上位机按钮“一键”顺序执行，可实现起/下钻作业的管柱自动抓取和排放，能够利用由定位传感器组成的定位系统实现管柱自动定位和运行路径规划，通过严密的修井起下钻工艺顺序逻辑实现动作可靠稳定运行。所有动作执行均可全程监测，对位置、速度等执行数据进行严格比较限制，利用执行时间以及执行机构状态实时进行动作提示，保证了整个流程可在互锁提示保护下，安全自动运行

与所述主控制器连接的旋转控制按钮包括用于控制指梁开启或关闭的指梁旋钮、控制机械手夹持管柱用钳头的钳指开启或关闭的钳指按钮、控制系统自动起钻或下钻的起下钻旋钮、系统启动按钮和故障复位按钮。

旋转定位传感器用于检测机械手竖直转动是否达到设定的用于抓取管柱或放置管柱的角度，小车定位传感器用于检测小车是否移动至指梁口或井口，伸缩定位传感器用于检测机械手是否完全伸出或缩回，钳头定位传感器用于检测钳头是否达到夹持管柱的状态； 所述驱动组器组包括伺服驱动器一、伺服驱动器二和伺服驱动器三； 伺服驱动器一包括旋转电机和旋转电机编码器，伺服驱动器二包括小车电机和小车电机编码器，伺服驱动器三包括伸缩电机和伸缩电机编码器。

系统具备了一键启动/停止功能，实现了作业过程中的随时启动、随时停止，井口位一键交接的选择。特别是在修井机集成控制系统配套操作中，操作者可按下一键自动运行，二层台排管机械手全自动系统将根据程序设置自动判断当前管排区容量状态，自动定位目标管柱，按照最优路径执行管柱的全自动排放任务。整个执行过程操作者可进行其它操作和作业，不用分心进行二层台操作，排管动作执行完一个循环周期后，将停在等待位，操作者可一键再执行下一根管柱的作业。在全自动执行过程中，操作者可根据当前状态，随时一键暂停和继续运行设备，排管机械手会继续剩下的流程作业。

一种修井排管机械手全自动控制系统的控制方法，包括两种运行模式，分别为下钻自动运行和起钻自动运行，分别包括如下步骤，下钻自动运行包括： 步骤一：复位、通过旋转定位传感器、小车定位传感器、伸缩定位传感器和钳头定位传感器对机械手的角度、小车的位置、机械臂的伸出状态和钳头的握持状态进行检测，并根据检测结构，通过旋转电机、小车电机、伸缩电机和钳指电钢分别驱动机械手转动至复位角度、小车带动机械手移动至指梁口位置、机械臂完全缩回以及机械臂钳头打开； 步骤二：操作者选择下钻自动运行，点击上位机或转动控制面板上的起下钻旋钮，系统自动判断需要抓取的管柱位置，规划路径； 步骤三：首先，在指梁口位置的机械手的机械臂伸出，通过伸缩定位传感器判断机械臂伸出位置达到后，通过钳指电钢控制钳口关闭，同时控制管柱相应的指粱锁打开，系统判断钳头上夹持有管柱后，再通过伸缩电机控制机械臂收缩，管柱移出指梁后，进行指粱锁的关闭，之后，小车电机控制小车移动至靠近井口的一端，再通过旋转电机控制机械手旋转至井口位置，机械臂伸出至井口位置，待操作者确认管柱交接完成后，再点击自动运行，便可进行下一下钻取管柱作业周期运行； 起钻自动运行包括： 步骤一：复位、通过旋转定位传感器、小车定位传感器、伸缩定位传感器和钳头定位传感器分别对机械手的角度、小车的位置、机械臂的伸出状态和钳头的握持状态进行检测，并根据检测结构，通过旋转电机、小车电机、伸缩电机和钳指电钢分别驱动机械手转动至复位角度、小车带动机械手移动至井口位置、机械臂完全缩回以及机械臂钳头打开； 步骤二：操作者选择起钻自动运行，点击上位机或转动控制面板上的起下钻旋钮，系统自动判断需要排放的管柱位置，并规划路线； 步骤三：首先，在井口位置的机械手的机械臂伸出，通过伸缩定位传感器判断机械臂伸出位置达到后，通过钳指电钢控制钳口关闭，对井口位置的管柱进行夹持，在操作者确认管柱分离后，再通过伸缩电机控制机械臂收缩，小车电机驱动小车移动至指梁口位置，旋转电机驱动机械手转动，对应的指梁锁打开，机械臂伸出作业，再控制指梁锁关闭，之后进行机械臂的缩回作业，小车再次移动至井口位置，机械手转动至朝向井口位置的方向，待操作者确认井口位置的管柱已分离后，再点击起钻自动运行，便可进行下一起钻管柱作业周期运行。

在所述步骤一中，系统判断机械手的位置状态，当位置状态不在允许自动操作的位置时，人工通过主控制手柄将机械手移动至启动自动操作允许的位置。