付廣萌

·設(shè)計計算·

立根自動排放系統(tǒng)軌跡分析及優(yōu)化算法設(shè)計

付廣萌

（勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營257917）①

在存取鉆井立根過程中需要鉆臺設(shè)備與二層臺設(shè)備的各個機械臂、馬達配合完成。分析其運動軌跡，有些立根盒能否存放依賴于其他立根盒位置的存取情況。分析了鉆井立根排放系統(tǒng)的空間運動軌跡；以運行路徑最短為目標，設(shè)計了一套優(yōu)化存取立根的算法，實現(xiàn)了立根自動優(yōu)化排放，并進行了初步驗證。

立根；自動排放；軌跡分析；優(yōu)化算法

鉆井立根自動排放系統(tǒng)是適應(yīng)鉆井自動化發(fā)展趨勢的高技術(shù)裝備，主要用于鉆井立根的二層臺排放、輔助起下鉆等［1-2］。該系統(tǒng)在國已應(yīng)用多年，早期主要服務(wù)于海洋鉆井平臺，近年開始應(yīng)用于陸地鉆機。

目前在陸地鉆機應(yīng)用較多的主要是美國NOV（國民油井瓦克）公司和Weatherford（威特福）公司的產(chǎn)品［3］。國內(nèi)廠家主要針對鉆柱自動化處理中某個單元設(shè)備開展結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)研究；鉆井立根自動排放控制系統(tǒng)以單機自控為主，路徑多由操作人員制定，沒有自動優(yōu)化功能，排放效率低下［4］。

1　鉆臺立根排放系統(tǒng)運動軌跡分析

鉆井立根在存取過程中需要鉆臺設(shè)備與二層臺設(shè)備的各個機械臂、馬達配合完成。從運動軌跡的角度來看，有些立根盒能否存放需要依賴于其他立根盒位置的存取情況，即運動軌跡上有重疊的部分。因此分析鉆井立根排放系統(tǒng)的空間運動軌跡，以運行路徑最短為目標研究一套優(yōu)化存儲、抓取鉆柱的算法，實現(xiàn)自動優(yōu)化排放，是保證設(shè)備高效安全運行的關(guān)鍵。

鉆臺立根排放裝置主要有2部分構(gòu)成，一部分是位于二層臺的立根排放裝置，包括機械手、手抓、擺動缸、推動缸等裝置；另一部分是位于鉆臺上的鉆臺排放裝置，包括運動小車、機械手、擺動缸等裝置。兩部分裝置配合工作，完成從立根盒取立根或存立根。

以鉆桿存放到如圖1所示的E位置為例，二層臺機械手運動過程為從圖1的A位置開始，手爪處于張開狀態(tài)，待吊卡提起立根升高到適當高度后裝置獲得啟動信號，推動液壓缸伸出使手爪水平伸出至井架中心位置，手爪中心與立根中心對齊，手爪液壓缸伸出使手爪抱住鉆桿。此時，二層臺裝置保持不動，由鉆臺排放裝置動作操作鉆桿，在鉆臺排放裝置作業(yè)過程中，二層臺排放裝置擺動缸、推動液壓缸浮動，馬達、手爪液壓缸鎖緊。

圖1　二層臺設(shè)備運動軌跡

如圖2所示，鉆臺立根排放裝置機械運動過程為從A位置擺動至B，而后伸至O，抓住立根，回退至B，而后擺動到準備位置E，由E推動到F位置停止。

圖2　鉆臺設(shè)備運動軌跡

如圖1所示，待鉆臺立根排放裝置動作到位使立根底部對齊立根盒適當位置后，擺動缸、推動液壓缸鎖緊，推動液壓缸收縮沿路徑5運動至B，而后擺動缸沿路徑6運動至C，此后液壓馬達沿路徑7運動至D，推動液壓缸伸出使手爪夾持立根沿路徑8運動至E，開立根后沿上述路徑8、7、6反向動作回到A位置，完成一個循環(huán)過程。其他位置存立根路徑和動作流程以此類推。

2　存取路徑優(yōu)化控制算法設(shè)計

2．1 優(yōu)化算法的設(shè)計思路

首先根據(jù)立根存取運動軌跡的分析，確定出立根盒存放時左右兩邊各位置的優(yōu)先級，并根據(jù)設(shè)備的空間坐標確定各立根存取點的運行參數(shù)，即，圖1 ～2中A、B、C、D、E、F的空間位置信息。

優(yōu)化算法以立根排放總體效率最高為優(yōu)化目標，對立根盒動態(tài)存儲狀況進行路徑計算，確定存立根或者取立根的最佳位置，并且根據(jù)交叉存取的操作方式進行立根的自動化存取。計算過程考慮立根盒故障、檢修的退出和修復(fù)后的加入功能。控制算法功能框圖如圖3所示。

圖3　排管優(yōu)化算法框圖

2．2 優(yōu)化算法的編程實現(xiàn)

通過程序?qū)崿F(xiàn)路徑優(yōu)化算法的編程思路，首先建立起一個關(guān)系表格，表格中存放的是每一個存取位置所對應(yīng)的設(shè)備參數(shù)；其次確定存放的位置的順序優(yōu)先級，優(yōu)先級遵守先進后出的堆棧模式。啟動存放后根據(jù)優(yōu)先級調(diào)取設(shè)備參數(shù)按照固定的動作過程進行存取操作。另外，建立一個表格記錄已經(jīng)存放立根的位置，并在計算機上顯示，可提示下一個應(yīng)該存放的位置。

建立立根盒之間的約束關(guān)系函數(shù)，某一位置有鉆桿時，哪一些位置不能存放上？如果中間有手動操作并沒有按照預(yù)定的優(yōu)先級進行存放，進行計算時，自動將遮擋的位置去除排序。

存放過程程序流程圖如圖4。

鉆井平臺二層臺排管路徑優(yōu)化算法，能夠在自動化生產(chǎn)過程中有效地實現(xiàn)立根排放總體效率最高為優(yōu)化的目標，能夠快速有效地判斷出最佳存立根位置以及最佳取立根的位置，通過存取路徑規(guī)劃實現(xiàn)總體立根盒存取立根的均衡以及存取立根路徑最優(yōu)、用時最短，提高設(shè)備的運行效率，保證設(shè)備的可靠高效運行。

圖4　排管優(yōu)化算法流程

2．3 優(yōu)化算法的驗證

為了驗證上述排管優(yōu)化算法的正確性、合理性，編寫了計算機排管算法程序，進行了測試工作，結(jié)果通過圖5～8的界面進行說明。

圖5　驗證算法當前立根盒情況界面

圖6　驗證算法計算下一根立根情況界面

圖7　驗證算法排滿情況界面

圖8　驗證算法排滿報警界面

1） 有故障的排管立根盒當前情況。

如圖5所示，立根盒中，已存表明此處存有立根，故障表示此處故障或者檢修，設(shè)備運行時不能經(jīng)過該位置，其余位置沒有立根。

現(xiàn)場需要檢修或者發(fā)現(xiàn)某個位置有故障、阻擋等問題時，可以通過故障按鈕將該位置設(shè)為故障狀態(tài)，以便從排管算法中將該位置暫時剔除。

現(xiàn)在狀態(tài)立根盒中存有一定數(shù)量的立根，同時由于現(xiàn)場設(shè)備問題或者人工操作切換、現(xiàn)場檢修等原因，有幾個立根盒位置不能存放立根或者存取設(shè)備運動時不允許經(jīng)過該位置，情況如圖5所示。

2） 通過計算的下一個排管位置。

點擊下一個排管位置，程序通過計算，自動剔出有故障、檢修的位置以及被故障檢修阻擋的正常存取位置，計算結(jié)果如圖6所示，可見計算結(jié)果正確。

3） 排放完畢后的情況。

如圖7所示，立根盒中，未存表明此處沒有立根，故障表示此處故障或者檢修，設(shè)備運行時不能經(jīng)過該位置，其余位置存有立根。

按照此種狀態(tài)，一直計算，直到立根盒存滿，最終計算結(jié)果如圖7所示，可見故障位置及因此被阻擋的位置都沒有安排排管，其余位置則遵照優(yōu)化算法依次將立根存入。

4） 立根盒排滿后，提示操作者已經(jīng)排滿，不能繼續(xù)添加。

如圖8所示，從上述試驗驗證可以看出，故障位置及故障阻擋的排放位置在排放中被自動剔出，其余位置按照優(yōu)化算法的順序依次存放，驗證表明該算法合理有效。

3　結(jié)語

目前，該立根自動排放系統(tǒng)正在現(xiàn)場進行試驗，立根排放優(yōu)化算法得到了初步驗證。正對該系統(tǒng)進行跟蹤監(jiān)測，將根據(jù)返回數(shù)據(jù)對立根排放優(yōu)化算法進行完善。

［1］ 何鴻．鉆井平臺鉆桿自動化排放系統(tǒng)方案設(shè)計［J］．石油礦場機械，2012，41（9）：82-84．

［2］ 張敬．鉆桿自動排放轉(zhuǎn)運和移運系統(tǒng)分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］．石油礦場機械，2013，42（9）：44-47．

［3］ 劉文慶，崔學(xué)政，張富強．鉆桿自動排放系統(tǒng)的發(fā)展及典型結(jié)構(gòu)［J］．石油礦場機械，2007，36（11）：74-77．

［4］ 楊柏光．鉆桿立根排放裝置機構(gòu)設(shè)計及結(jié)構(gòu)優(yōu)化［D］．長春：吉林大學(xué)，2012．

Trajectory Analysis and Optimization AlgorithmDesign for Automatic Discharge System of Standpipe

FU Guangmeng
（Shengli Drilling Technology Research Institute of Sinopec，Dongying257917，China）

Standpipe access needs interoperation am ong everymechanical arm andmotor of equipment on drill floor andmonkey board．And fromthe perspective of trajectory，w hether some setback area can be stored depends on the other setback area access situation．In this paper，the spatial trajectory of automatic discharge system of standpipe is analyzed．An algorithmof optimizing standpipe access with the shortest routes as a target were researched and designed to realize automatic optimization of discharge．And itmakes a preliminary validation．

standpipe；automatic discharge；trajectory analysis；optimization algorithm

TE928

A

10．3969／j．issn．10013842．2015．03．007

10013482（2015）03003104

①2014-09-01

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）“鉆柱自動化處理關(guān)鍵技術(shù)研究與裝備試制”（2012-AA09-A203）

付廣萌（1986-），男，山東聊城人，碩士研究生，2011年畢業(yè)于陜西科技大學(xué)，主要從事石油機械的研發(fā)工作。