论文部分内容阅读
[摘 要]顶部驱动钻井装置是当今钻井装备中技术含量较高、结构复杂的机电液一体化的设备，已成为现代钻机的重要配置，是21世纪钻井三大技术装备之一。顶驱自身配备了专门上扣、卸扣的背钳装置和锁紧系统，其锁紧检测装置上的接近开关能够检测出锁紧油缸的动作。本文以北石顶驱为例，介绍接近开关在顶驱装置上的应用，同时再理论结合实际说明如何安装及检修接近开关。
[关键词]锁紧销 顶驱 接近开关
中图分类号：TE922 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）37-0355-01
一、前言
接近开关应用在顶驱锁紧系统中，然而并不是所有型号的顶驱都有锁紧系统，例如：北石顶驱背钳装置分为环形背钳和侧挂式背钳，在较早之前采用的都是环形背钳，之后的新型号研发中采用侧挂式背钳，他们的区别是环形背钳不用锁紧系统，而侧挂背钳需要安装锁紧系统。侧挂式背钳在夹紧钻杆的同时，主轴要进行上卸扣，背钳的挂臂又与旋转头相连，为了防止主轴在做上卸扣动作的同时带动旋转头旋转，需要在旋转头上安装锁紧装置，当锁销插入旋转头，旋转头即无法随主轴旋转。环形背钳是直接连在内套上的，不与旋转头相连，所以不需要旋转头锁紧系统。
环形背钳 侧挂式背钳
二、接近开关优点
接近开关在顶驱中的作用是检测旋转头锁紧系统的状态，相当于一个传感器，当锁紧油缸锁紧后接近开关检测到信号。接近开关实际是一个没有与被测物体接触的一个传感器，是种开关型传感器（即无触点开关），当物体接近开关的感应面到动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作。接近开关按种类分为电感式接近开关、电容式接近开关和霍尔开关，北石顶驱现在在用的是电感式接近开关，型号是欧姆龙E2E-X3D1-N-Z，工作电压12-24V，这种开关的优点：1.反应速度快 2. 非接触检测，避免了对传感器自身和目标物的损坏；3. 在各种环境中能够稳定检测。电感式接近开关由三部分组成：震荡器，开关电器和放大输出电路，振荡器产生一个交变磁场，当目标物接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致震荡衰弱，以致停震，振荡器震荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式检测目的。
由上述接近开关的原理我们可以得知：当接近开关与被测金属之间的距离小于等于接近开关的最大探测距离时，接近开关接通，输出高电平；反之则关断，输出低电平。
三、接近开关的原理与应用
北石顶驱使用接近开关来确认旋转头是否被锁紧销可靠锁紧，接近开关与锁紧销的相对位置见下图。
从图示可知，锁紧销为上部细、下部粗的圆柱体，当锁紧销处于松开位时，锁紧销较粗的部分正对接近开关，此时两者之间距离小于接近开关的最大探测距离，因此接近开关接通，输出高电平；当锁紧销处于锁紧位时，锁紧销较细的部分正对接近开关，此时两者之间距离大于接近开关的最大探测距离，因此接近开关关断，输出低电平。接近开关的状态通过控制电缆送到PLC柜内的DI模块，CPU只要读取外设的状态，就可以准确的知道接近开关的状态。由上述分析我们可以得知：正常情况下，锁紧销的锁紧状态与DI点的状态存在逻辑取反的关系，即锁紧销处于松开时DI状态为“1”， 锁紧销处于锁紧时DI状态为“0”。而在非正常情况下，例如接近开关损坏，或接近开关与锁紧销相对位置发生变化，两者之间状态可能不遵循上述关系。
当两个接近开关采用并联方式接入同一个DI点时，我们可以用下表来描述系统检测到的锁紧销状态。随着顶驱系统的升级换代，也有部分系统中两个接近开关分别接入两个不同的DI点，或者系统中只有一个接近开关接入DI点，我们都可以用下面的方法一一分析，准确的找到故障点并排除。
序号 锁紧销实际状态 接近开关1状态 接近开关2状态 DI点I14.6状态 系统检测状态M59.4 状态是否正常
1 松开位 接通 接通 1 松开 正常
2 松开位 接通 关断 1 松开 正常
3 松开位 关断 接通 1 松开 正常
4 松开位 关断 关断 0 锁紧 不正常
5 锁紧位 关断 关断 0 锁紧 正常
6 锁紧位 关断 接通 1 松开 不正常
7 锁紧位 接通 关断 1 松开 不正常
8 锁紧位 接通 接通 1 松开 不正常
从上表可以看到，有四种状态是处于不正常状态，下面分别对这四种异常状态做分析。
状态4：锁紧销松开而两个接近开关都关断，这种情况有以下几种可能原因：
1. 接近开关的固定位置发生变化，超出了接近开关的最大探测距离。
2. 接近开关的24V供电电源中断，或者接近开关到DI模块之间的电缆中断。
3. 接近开关对应的DI点损坏。
4. 两个接近开关的正负极均反接。
状态6、7、8：锁紧销锁紧而接近开关有通有断，这种情况有以下几种可能原因：
1. 处于接通状态的接近开关其感应端面上沾染上铁屑等金属粉末。
2. 接近开关的24V供电电源与DI点之间的电缆短路。
3. 接近开关对应的DI点损坏。
需要注意的是，在第6、7两种状态中，只要其中一个接近开关处于接通状态，系统就会认为锁紧销处于松开状态。
在顶驱系统中，顶驱要想实现上卸扣操作，需要首先将旋转头锁住，然后才能动作背钳，锁紧销动作是靠液压系统实现的，通过司钻台操作旋转头锁紧旋钮，锁紧油缸动作，接近开关检测到油缸的动作后，方可实现背钳的上卸扣操作。有时我们在现场会遇到操作旋转头锁紧的时候，锁紧检测指示灯显示没有锁紧，上卸扣操作也无法执行。出现这样的问题不在少数，遇到这样的问题分析有很多种原因，首先应该确认下倾斜油缸是否在浮动的位置；如果在浮動状态下没有动作，可以先尝试在上位机WINCC监控画面中将“锁紧销检测”复选框取消，如果此时锁紧销能够正常锁紧，则可以确定故障在接近开关处，接近开关触头距锁紧油缸的大致量程范围是1.5mm-2mm之间是最准确的，距离太近油缸动作时容易切坏接近开关，距离太远容易超出测量范围；如果接近开关正常，则需要检查锁紧销电磁阀的电路和液路。可以手动操作锁紧销电磁阀换向并测量油路液压，观察锁紧油缸是否可以动作，以此来判断是哪一部分的问题。
四、结束语
随着顶驱装置的不断升级换代，在实际使用过程中遇到的锁紧装置及其检测机构可能会略有差异，但只要我们掌握其结构和原理，遇到问题时冷静分析，就可以快速方便的定位故障，为迅速恢复顶驱使用赢得时间。
[关键词]锁紧销 顶驱 接近开关
中图分类号：TE922 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）37-0355-01
一、前言
接近开关应用在顶驱锁紧系统中，然而并不是所有型号的顶驱都有锁紧系统，例如：北石顶驱背钳装置分为环形背钳和侧挂式背钳，在较早之前采用的都是环形背钳，之后的新型号研发中采用侧挂式背钳，他们的区别是环形背钳不用锁紧系统，而侧挂背钳需要安装锁紧系统。侧挂式背钳在夹紧钻杆的同时，主轴要进行上卸扣，背钳的挂臂又与旋转头相连，为了防止主轴在做上卸扣动作的同时带动旋转头旋转，需要在旋转头上安装锁紧装置，当锁销插入旋转头，旋转头即无法随主轴旋转。环形背钳是直接连在内套上的，不与旋转头相连，所以不需要旋转头锁紧系统。
环形背钳 侧挂式背钳
二、接近开关优点
接近开关在顶驱中的作用是检测旋转头锁紧系统的状态，相当于一个传感器，当锁紧油缸锁紧后接近开关检测到信号。接近开关实际是一个没有与被测物体接触的一个传感器，是种开关型传感器（即无触点开关），当物体接近开关的感应面到动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作。接近开关按种类分为电感式接近开关、电容式接近开关和霍尔开关，北石顶驱现在在用的是电感式接近开关，型号是欧姆龙E2E-X3D1-N-Z，工作电压12-24V，这种开关的优点：1.反应速度快 2. 非接触检测，避免了对传感器自身和目标物的损坏；3. 在各种环境中能够稳定检测。电感式接近开关由三部分组成：震荡器，开关电器和放大输出电路，振荡器产生一个交变磁场，当目标物接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致震荡衰弱，以致停震，振荡器震荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式检测目的。
由上述接近开关的原理我们可以得知：当接近开关与被测金属之间的距离小于等于接近开关的最大探测距离时，接近开关接通，输出高电平；反之则关断，输出低电平。
三、接近开关的原理与应用
北石顶驱使用接近开关来确认旋转头是否被锁紧销可靠锁紧，接近开关与锁紧销的相对位置见下图。
从图示可知，锁紧销为上部细、下部粗的圆柱体，当锁紧销处于松开位时，锁紧销较粗的部分正对接近开关，此时两者之间距离小于接近开关的最大探测距离，因此接近开关接通，输出高电平；当锁紧销处于锁紧位时，锁紧销较细的部分正对接近开关，此时两者之间距离大于接近开关的最大探测距离，因此接近开关关断，输出低电平。接近开关的状态通过控制电缆送到PLC柜内的DI模块，CPU只要读取外设的状态，就可以准确的知道接近开关的状态。由上述分析我们可以得知：正常情况下，锁紧销的锁紧状态与DI点的状态存在逻辑取反的关系，即锁紧销处于松开时DI状态为“1”， 锁紧销处于锁紧时DI状态为“0”。而在非正常情况下，例如接近开关损坏，或接近开关与锁紧销相对位置发生变化，两者之间状态可能不遵循上述关系。
当两个接近开关采用并联方式接入同一个DI点时，我们可以用下表来描述系统检测到的锁紧销状态。随着顶驱系统的升级换代，也有部分系统中两个接近开关分别接入两个不同的DI点，或者系统中只有一个接近开关接入DI点，我们都可以用下面的方法一一分析，准确的找到故障点并排除。
序号 锁紧销实际状态 接近开关1状态 接近开关2状态 DI点I14.6状态 系统检测状态M59.4 状态是否正常
1 松开位 接通 接通 1 松开 正常
2 松开位 接通 关断 1 松开 正常
3 松开位 关断 接通 1 松开 正常
4 松开位 关断 关断 0 锁紧 不正常
5 锁紧位 关断 关断 0 锁紧 正常
6 锁紧位 关断 接通 1 松开 不正常
7 锁紧位 接通 关断 1 松开 不正常
8 锁紧位 接通 接通 1 松开 不正常
从上表可以看到，有四种状态是处于不正常状态，下面分别对这四种异常状态做分析。
状态4：锁紧销松开而两个接近开关都关断，这种情况有以下几种可能原因：
1. 接近开关的固定位置发生变化，超出了接近开关的最大探测距离。
2. 接近开关的24V供电电源中断，或者接近开关到DI模块之间的电缆中断。
3. 接近开关对应的DI点损坏。
4. 两个接近开关的正负极均反接。
状态6、7、8：锁紧销锁紧而接近开关有通有断，这种情况有以下几种可能原因：
1. 处于接通状态的接近开关其感应端面上沾染上铁屑等金属粉末。
2. 接近开关的24V供电电源与DI点之间的电缆短路。
3. 接近开关对应的DI点损坏。
需要注意的是，在第6、7两种状态中，只要其中一个接近开关处于接通状态，系统就会认为锁紧销处于松开状态。
在顶驱系统中，顶驱要想实现上卸扣操作，需要首先将旋转头锁住，然后才能动作背钳，锁紧销动作是靠液压系统实现的，通过司钻台操作旋转头锁紧旋钮，锁紧油缸动作，接近开关检测到油缸的动作后，方可实现背钳的上卸扣操作。有时我们在现场会遇到操作旋转头锁紧的时候，锁紧检测指示灯显示没有锁紧，上卸扣操作也无法执行。出现这样的问题不在少数，遇到这样的问题分析有很多种原因，首先应该确认下倾斜油缸是否在浮动的位置；如果在浮動状态下没有动作，可以先尝试在上位机WINCC监控画面中将“锁紧销检测”复选框取消，如果此时锁紧销能够正常锁紧，则可以确定故障在接近开关处，接近开关触头距锁紧油缸的大致量程范围是1.5mm-2mm之间是最准确的，距离太近油缸动作时容易切坏接近开关，距离太远容易超出测量范围；如果接近开关正常，则需要检查锁紧销电磁阀的电路和液路。可以手动操作锁紧销电磁阀换向并测量油路液压，观察锁紧油缸是否可以动作，以此来判断是哪一部分的问题。
四、结束语
随着顶驱装置的不断升级换代，在实际使用过程中遇到的锁紧装置及其检测机构可能会略有差异，但只要我们掌握其结构和原理，遇到问题时冷静分析，就可以快速方便的定位故障，为迅速恢复顶驱使用赢得时间。