智能防碰天车装置.docx
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智能防碰天车装置
学生姓名
学号
教学院系
电气信息学院
专业年级
自动化2007级
指导教师
职 称
单 位
电气信息学院
本科毕业设计（论文）
题目：
智能防碰天车装置
研究
研究研究
的实验研究
完成日期
2011
年
6
月
1
日
摘要
在工业控制领域，计算机自动监控系统得到了越来越广泛的应用。
针对天车装置给生产带来安全隐患（具体一点）的问题，目前的现状。
设计了基于可编程逻辑控制器（PLC）的智能防碰天车装置的系统。
具体方法、手段、实现的功能：
方案，用了哪些硬件，软件。
实现了什么功能。
在分析了智能防碰天车装置的工作环境、原理及流程，本文采用MCGS组态软件开发监控系统的人机界面，采用PLC实现MCGS与外界数据的通信，对外界系统的实时监控、报警等，避免了游动滑车碰撞天车等恶性事故的发生。
此次设计运用了三菱PLC和MCGS组态软件。
1.可编程逻辑控制器（PLC）软件编程设计：
为了实现系统的自动跳转使用了步进梯形图来进行编程，步进梯形图的优点是让用户每次只考虑一个状态，而不必考虑其他的状态，从而是编程更容易，而且还可以减少指令的程序步数，因此步进梯形图特别适用于时间和位移等顺序的控制过程，也能形象、直观的表示顺序控制。
采用标准三菱SC-09的RS232口的编程电缆与PLC编程口相连，将程序下载到PLC的CPU，即可进行相应的动作。
完成智能防碰天车的自动运行和控制。
2.MCGS组态软件的设计：
MCGS采用简单易学的类Basic脚本语言与丰富的MCGS
策略构件，能够开发出复杂的流程控制系统。
本系统采用MCGS组态软件设计监控画面，以确保可以对PLC的运行进行实时的监控。
结论和意义，评价。
本系统实现了智能防碰天车装置的自动控制和实时监测，满足了该装置的技术要求。
关键字：
石油井架、防碰装置的实验研究；监控系统；PLC；MCGS组态软件
Abstract
Intheindustrialcontrolarea,computerautomaticmonitoringsystemshavebeenappliedmoreandmore.AccordingtobringsecuritytoproductionPTMdevicehiddenproblems,wasdesignedbasedonprogrammablelogiccontroller（PLC）intelligencepreventtouchthesystem,PTMdevice。
OntheanalysisoftheintelligencepreventtouchPTMdeviceworkingenvironment,principleandprocessflow,thispaperadoptsMCGSsoftwaredevelopmenthuman-machineinterfaceofthemonitorsystem,adoptingPLCwithexternaldatacommunicationsMCGSofexternalsystemofreal-timemonitoring,alarm,avoidthepulleycollisionswamcraneaccidentofsuchmalignant.ThisdesignusingmitsubishiPLCandMCGSsoftware.
1.Theprogrammablelogiccontroller（PLC）softwareprogrammingdesign：
Inordertorealizethesystemautomaticjumpusedsteppingladderdiagramfor
programming,stepladderdiagramadvantageisletuserseachonlyconsiderastate,withoutregardtootherstate,whichismucheasiertoprogramin,butalsoreduceinstructionprogramat-batsandthereforesteppingladder-diagramespeciallysuitablefortimeanddisplacementtothecontrolprocessofsuchordercanimage,intuitivesayssequencecontrol.AdoptstandardmitsubishiSC-theRS232mouthprogramming01/09connectedwithPLCprogrammingmouthcableprogramdownloadtoPLC,theCPU,andthenthecorrespondingaction.Completeintelligencepreventtouchtheautomaticoperationandcontrolcrane.
2.MCGSsoftwaredesign:
TheclassbyMCGSeasywithabundantBasicscriptinglanguageTheMCGSstrategycomponents,couldeasilydevelopcomplexprocesscontrolsystem.ThesystemUSEStheMCGSsoftwaredesignmonitoringmenu,toensurethatcanrunofPLCreal-timemonitoring.
ThissystemrealizestheintelligencepreventtouchPTMdeviceofautomaticcontrolandreal-timemonitoring,meetthetechnicalrequirementsforthedevice.
Keyword:
intelligencepreventtouchPTMdevice;Monitoringsystems;PLC;
MCGSsoftware;Stepladderdiagra
1绪论
1.1设计背景
防碰天车装置是石油、天然气、盐业、地矿等钻探作业中预防天车顶撞事故安全
的保障系统。
石油钻井施工作业中,由于防碰天车失效造成的游车碰天车和大绳断绳事故时有发生,如何提高天车防碰系统的可靠性一直是油田和钻机制造厂关注的焦点。
目前，各种防碰天车装置在石油钻井和修井作业中广泛使用,大大提高了施工作业的效率和安全性，减轻了工人的劳动强度，减少或避免了作业中的顶天车等事故的发生。
但由于国家和石油行业目前并没有关于防碰天车装置方面的标准或规范，因此各个生产厂商的产品各不相同，在应用中存在的问题也各不一样；同时由于发展的不平衡，各种形式的防碰天车系统（装置）均有井队应用[1]。
随着微电子技术、传感技术、自动化控制的迅猛发展，这些技术已经完全用于天车防碰系统中，出现了新一代的数显防碰装置，在钻井过程中，它能对钻机游动滑车的上升或下放过程实行直观的高度显示，并对顶撞天车事故实施随钻监测、报警、自动控制。
近年来PLC在工业自动控制领域应用愈来愈广，它们在控制性能、开发周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势，是其它工控产品难以比拟的。
此课题的控制设计能有效减少设备的连接线路和故障率高带来的维修所造成的损失。
采用PLC控制能够明显降低成本和企业管理成本，具有普遍的技术及经济意义。
1.2设计目的和意义
目前,钻机的防碰装置通常有重锤式、过卷阀式和电子式3种方式。
重锤式和过卷阀式属机械防碰装置,若安装得当,系统工作正常,能起到有效的安全防碰作用,但该系统为被动防碰装置,没有提前报警的功能,其紧急刹车是突发性的,对设备冲击很大。
电子式防碰装置除了具备机械防碰装置的防碰功能外,还具有控制精度高、提前报警及安装容易的特点。
但是常规电子式钻机天车防碰系统的提前报警高度是固定的,报警位置设置过高时司钻反应不及时、设置过低时又干扰司钻的正常操作,从而使得该系统同样成为被动防碰系统。
另外,上述防碰装置还存在刹车系统性能测试不方便的缺陷[2]。
1.3设计内容
主要设计内容有：
1.智能防碰天车装置的工作过程分析；
设计的研究对象是天车，所以首先对智能防碰天车装置的工作过程进行系统的分析，确定各个环节的检测和控制参数。
2.确定天车系统的控制方案
按智能防碰天车装置在石油、钻采行业中所处的地位以及自身特点，设计相应的控制方案，以确保天车系统安全、平稳运行。
3.以PLC为核心的软件设计
以PLC作为主控器，对现场天车上升的高度实施监控，对采集到的数据进行快传和数据共享，实现对高度的控制。
4.采用MCGS软件进行监控界面编辑
智能防碰天车装置监控程序采用MCGS设计，来完成数据报警、数据记录、数据查询、信息提示、安全防护等功能。
5.搭建天车模拟实验平台完成模拟实验
智能防碰天车装置的模拟实验平台采用实验井架、传感器和直流电机来完成，对天车运行进行简单、及时的控制，完成模拟实验。
2．智能防碰天车装置的总体设计
2.1智能防碰天车装置的结构
防碰天车装置简单讲就是能够对上升过程中的游车（大钩）进行“高度限位”检测并且能够自动紧急停（刹）车，避免游车与井架上的天车相碰撞的一种安全保护装置。
如图2.1所示[3]。
图2.1天车结构图
由电机带动滚筒转动来完成游车大钩的提升和下放，当游车大钩上升到提醒司钻高度h时，会发出声光报警提醒司钻控制游车大钩的上升速度，表示快到位了应该减速，摘离合器，以限制其上（冲）提的速度（惯性）。
当游车大钩继续上冲到达防碰高度H时，电气动执行机构将快速动作，实现自动紧急（停）刹车。
所以防碰天车系统的安全性是十分重要的，该装置具有自动监测、运算处理、智能化提醒司钻、自动刹车控制等功能，防止顶天车等事故的发生。
天车中钻机的提醒司钻高度h和防碰高度H是可调的，根据现场需要，所要求的高度不同，目前石油行业中常用的钻机有大庆130，这是一款使用时间较长，安全性能较高的天车，它有三组高度可调，此外还有宏华钻机、钻20B等，本设计采用实验室提供的模拟井架。
井架的具体数据如表2.1所示。
表2.1钻机H和h值
钻机型号
提醒司钻高度h（m）
防碰高度H（m）
大庆130
70
93四×五
95
113五×六
110
132六×七
宏华钻机
90
116
钻20B
105
125
实验天车
1.32
1.68
提出整个系统的设计要求。
2.2系统总方案设计
2.2.1控制方案设计
方案一：
基于单片机实现的防碰天车系统
单片机主要应用于工业测控，其典型应用系统包括单片机系统，用于测控目的的前向传感器输入通道、后项伺服控制输出通道以及基本的人机对话通道。
是自动地进行运算和控制，把实现计算和控制的步骤一步步地用命令的形式，即一条条指令预先存入到存贮器中，单片机在CPU的控制下，将指令一条条地取出来，并加以翻译和执行，得到所需信息。
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