在石油鉆采作業(yè)中，篩管是一種重要的器材，經(jīng)常采用先期完井或采油防砂。石油篩縫管是在石油套管或油管上用多種方式切割出多條一定規(guī)格的縱向或螺旋直排、交錯(cuò)式縫隙，采用特殊超薄切割片或者光束切割后而成，其縫寬為0.2～0.5mm。縫截面為矩形、梯形（梯形角度為3? ～ 8?）和特形（圓孔）等多種形態(tài)，縫隙的布置可根據(jù)用戶要求進(jìn)行加工。割縫篩管是用來將所開采的液體與地層中的砂石分離的一種特殊管型，通常安裝于油井、水井或地?zé)峋葻o縫或焊接鋼制井管最下端。由于地層的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和接觸的砂石粒度各不相同，開采液體粘稠度也存在差異，因而所需篩管的孔縫規(guī)格及形狀也各有不同。開采石油時(shí)使用割縫管，可以濾掉大量砂塵，降低油管維修率。

位于湖北武漢的武漢法利萊切割系統(tǒng)工程有限公司（以下簡稱法利萊）是隸屬于上市公司華工科技旗下的激光板塊子公司，該公司是國內(nèi)大功率激光切割機(jī)和激光焊接機(jī)領(lǐng)域的領(lǐng)先企業(yè)之一。法利萊在激光加工裝備機(jī)床方面的產(chǎn)品線包括大功率光纖激光切割機(jī)、CO2激光切割機(jī)、中功率光纖切割機(jī)、三維激光切割機(jī)和機(jī)器人激光焊接機(jī)。隨著激光切割工藝在石油篩縫管方面應(yīng)用日益普及，該公司制造生產(chǎn)的石油篩縫管激光切割機(jī)的銷量也呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。以上多種激光加工裝備的核心控制數(shù)控系統(tǒng)都采用了德國倍福基于PC的開放性軟件CNC系統(tǒng)。尤其在石油篩縫管激光切割機(jī)中，TwinCAT CNC的開放性和靈活性得到了淋漓盡致的展示。

圖1 法利萊工程師在現(xiàn)場(chǎng)認(rèn)真地標(biāo)記切割工藝參數(shù)

石油篩縫管激光切割機(jī)控制系統(tǒng)要求

以下是對(duì)數(shù)控伺服軸和PLC控制方面的具體要求，以及工藝參數(shù)的介紹。

數(shù)控伺服軸：

X軸：切割大梁X方向移動(dòng)，負(fù)載較大，需要快速移動(dòng)和精確定位，速度可達(dá)120m/min；

Y軸：切割大梁Y方向移動(dòng)，需要快速移動(dòng)和精確定位，速度可達(dá)120m/min；

Z軸：切割頭上下浮動(dòng)，響應(yīng)要求極高；

A軸：旋轉(zhuǎn)軸，帶動(dòng)篩縫管的旋轉(zhuǎn)，準(zhǔn)確定位；

B軸：切割頭擺動(dòng)，需要精確控制擺動(dòng)到一定的角度；

U軸：送料軸，篩縫管長度方向送料進(jìn)給；

V軸：等光程軸，CO2激光等光程控制，與Y軸有一定的電子齒輪同步動(dòng)作要求。

PLC控制方面：

IO邏輯控制、氣體氣壓、激光器和各種閥的控制。

圖2 采用德國倍福AX5000伺服驅(qū)動(dòng)器，EtherCAT總線通信速度快，接線簡單方便

工藝參數(shù)

激光切割質(zhì)量缺陷及分析激光切割篩管的關(guān)鍵在于合理選用工藝參數(shù)，主要包括：激光器的功率、焦點(diǎn)的位置、脈沖頻率和占空比、切割進(jìn)給速度、輔助氣體壓力及切割頭噴嘴規(guī)格等（圖1）。加工過程中，如果選用的工藝參數(shù)不合理，就會(huì)出現(xiàn)不同的加工質(zhì)量缺陷，嚴(yán)重情況下可能造成整根篩管報(bào)廢。

基于PC的開放式軟件CNC控制平臺(tái)

法利萊的篩縫管激光切割機(jī)控制系統(tǒng)選用了德國倍福基于PC的軟件CNC平臺(tái)，每臺(tái)機(jī)器配置一款德國原裝生產(chǎn)制造的工控機(jī)，工控機(jī)上運(yùn)行TwinCAT CNC，利用實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT擴(kuò)展IO模塊，并采用了BECKHOFF新款A(yù)X5000系列驅(qū)動(dòng)器與AM8000系列伺服電動(dòng)機(jī)，7根伺服軸也是通過EtherCAT總線與工控機(jī)通信（圖2）。

“這樣一來，整套控制系統(tǒng)都是基于EtherCAT實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的總線結(jié)構(gòu)（圖3），速度快、可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)，而且價(jià)格便宜。采用‘一網(wǎng)到底’的總線結(jié)構(gòu)確實(shí)簡單、明了及方便。另外AM8000系列伺服電動(dòng)機(jī)采用的單電纜OCT技術(shù)，將原來通用的電動(dòng)機(jī)動(dòng)力電纜與編碼器反饋電纜合二為一，現(xiàn)在只需要一根電纜。在系統(tǒng)布線方面確實(shí)給我們帶來了很大的方便，也節(jié)約了成本?！狈ɡR的副總經(jīng)理王征說道。

圖3 簡潔、靈活的EtherCAT總線擴(kuò)展IO模塊

一臺(tái)PC解決運(yùn)動(dòng)控制、PLC與HMI

篩縫管激光切割機(jī)一共有7根伺服軸的控制，這7根軸既有插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制的要求，也有伺服軸跟隨、獨(dú)立定位的運(yùn)動(dòng)控制要求。而基于PC的TwinCAT軟件正好涵蓋了TwinCAT CNC、TwinCAT NC PTP與TwinCAT PLC軟件，可以將插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制、多軸定位運(yùn)動(dòng)控制及PLC控制集中到一臺(tái)PC上進(jìn)行控制，這樣就取代了傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制CPU、PLC的CPU以及HMI的PC。“以前法利萊在使用傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的過程中，經(jīng)常會(huì)碰到這三種CPU之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和通信，而且這三種CPU上的軟件開發(fā)采用的也是不同的編程平臺(tái)，往往需要2～3個(gè)工程師來配合開發(fā)定制的軟件?，F(xiàn)在采用基于倍福的平臺(tái)來開發(fā)全新的機(jī)器控制系統(tǒng)，只需要TwinCAT CNC一個(gè)平臺(tái)，一臺(tái)PC就將所有的問題解決，這確實(shí)是非常吸引我們的地方?！必?fù)責(zé)篩縫管激光切割機(jī)軟件系統(tǒng)開發(fā)的電氣副總工程師高昌波解釋道。

篩縫管激光切割機(jī)的工藝要求也比較復(fù)雜，因?yàn)獒槍?duì)不同的地下環(huán)境、地質(zhì)情況以及不同的篩縫管金屬材料等，對(duì)篩管上開的縫隙的要求會(huì)各不相同。特殊情況下還需要開一些梯形的孔，這種孔的要求是內(nèi)壁縫隙較小，外壁縫隙稍大，這樣才能很好的達(dá)到滲油的效果，同時(shí)又能達(dá)到防砂的目的。開這種梯形縫的時(shí)候，對(duì)擺動(dòng)軸的控制要求會(huì)更高，需要伺服軸擺動(dòng)到非常合適的角度，而且需要根據(jù)不同的壁厚，不同的梯坡度，調(diào)整擺動(dòng)軸的角度。而TwinCAT NC PTP運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫正好提供了方便的接口，可以隨時(shí)隨地和靈活地修改擺動(dòng)角度參數(shù)。

圖4 激光切割加工的石油篩縫管

自由的軟件修改與靈活的操作界面

如果需要切出高質(zhì)量的篩縫管，激光切割工藝參數(shù)的修改和調(diào)整也非常關(guān)鍵，例如激光器的功率、焦點(diǎn)的位置、脈沖頻率和占空比、切割進(jìn)給速度及輔助氣體壓力等參數(shù)，它們的匹配程度是否合適往往決定了切割的質(zhì)量（圖4）。而這些參數(shù)的修改需要做到快捷、方便和靈活。

TwinCATTcHmiPro是BECKHOFF為人機(jī)操作界面提供的一個(gè)基于.NET的開放式平臺(tái)。操作界面由C#語言編寫，非常完美的將ADS通信、自動(dòng)化功能、手動(dòng)操作及變量監(jiān)控整合到一個(gè)平臺(tái)。在此基礎(chǔ)上，BECKHOFF還提供完整的針對(duì)激光切割工藝需求的HMI組件，包括激光工藝參數(shù)和材料切割配方工藝參數(shù)等，這樣就形成了針對(duì)激光切割加工工藝的專家數(shù)據(jù)庫。在專家數(shù)據(jù)庫的工藝參數(shù)表上，可以靈活自由地修改各種參數(shù)，最后針對(duì)不同的加工要求形成最合適的參數(shù)組。

另外，針對(duì)不同的管材材料，為了防止噴渣損壞切割頭的鏡片，切割過程中需要采用不同的穿孔模式，如連續(xù)穿孔和多級(jí)穿孔等，而且可在穿孔的過程中不斷修改穿孔氣壓、激光功率等參數(shù)。這就需要不停的修改Z軸的運(yùn)動(dòng)控制模式及切割工藝參數(shù)。

“這是一個(gè)非常繁瑣和需要耐心的工作，而且對(duì)控制系統(tǒng)的開放性、靈活性提出了很高的要求，這正好迎合了倍福CNC系統(tǒng)的特點(diǎn)?！蓖瑫r(shí)負(fù)責(zé)工藝的總質(zhì)量師高昌波補(bǔ)充道：“在倍福技術(shù)工程師王蘭立的協(xié)助下，我們現(xiàn)在已經(jīng)研究出了多種靈活的穿孔模式，用于適應(yīng)不同的切割要求（圖5）。”

圖5 法利萊總質(zhì)量師高昌波與倍福的工程師在石油篩縫管切割加工車間

Internet遠(yuǎn)程支持讓售后服務(wù)變得簡單和方便

由于BECKHOFF的CNC平臺(tái)是基于PC與Windows的平臺(tái)，只需要將現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)器的PC連接到Internet，遠(yuǎn)程支持與故障診斷，甚至遠(yuǎn)程下載程序、修改程序就變得簡單起來。并且由于BECKHOFF的CNC平臺(tái)上的所有軟件運(yùn)行在一個(gè)CPU上，因此包括G代碼的修改、PLC程序的修改，以及HMI界面的修改都可以在Internet上遠(yuǎn)程進(jìn)行。

“由于本次切管機(jī)項(xiàng)目的機(jī)器眾多，光在一個(gè)車間就有50臺(tái)機(jī)器，而且項(xiàng)目周期很緊，調(diào)試工作量很大。特殊情況下，有時(shí)候在深夜，我們就可以通過Internet遠(yuǎn)程進(jìn)行技術(shù)支持與程序的修改，這確實(shí)給我們帶來了很大的方便，同時(shí)也減少了我們工程師出差的頻率，更重要的是這樣不僅能及時(shí)解決問題，還節(jié)約了大筆的出差費(fèi)用。”法利萊負(fù)責(zé)技術(shù)的副總經(jīng)理王征說道。（展位號(hào)：W1-C068）