CompackLogix在鉆井泥漿監控系統中的應用

杜 昆 王學全 張帝強 江 川

（1中海油田服務股份有限公司油田生產事業部，北京 100010;2深圳市行健自動化系統有限公司，廣東 深圳 518000；3二重集團（德陽）重型裝備股份有限公司，四川 德陽 618000）

隨著科技的不斷發展，PLC系統的應用也日益普遍，羅克韋爾公司的PLC系統在工業控制中表現尤為出色。本文就結合羅克韋爾公司的CompackLogix系列PLC來介紹PLC在鉆井泥漿監控系統的應用。鉆井泥漿監控系統是在石油鉆井作業過程中用于實現對鉆井液實現實時監控的安全裝置系統。現場工程師通過泥漿監控系統可以及時準確地了解到泥漿泵的運轉情況、泥漿池的液位與井下液體返回情況，并由此判斷井下情況。而泥漿監控系統在動態顯示上述參數的同時，還可根據設定自動預警鉆修井過程中可能發生的井漏、井涌等危險征兆，避免事故發生，達到井場工作人員和設備的安全，從而實現安全生產、高效生產之目的。

1 系統組成概述

系統硬件主要由個人計算機、人機界面(HMI)、PLC、現場傳感器及報警器三部分組成，結構如圖1所示。

圖1 泥漿監控系統結構圖

1.1 個人計算機

個人計算機選用惠普 Pavilion S5211CN，2G內存，320G硬盤，20寸彩色顯示器，可清晰地顯示各種圖形與文字。為提高系統電源可靠性，系統可采用UPS為上位機供電，保證報表數據記錄完整。個人計算機基于羅克韋爾公司的RSVIEW32的上位軟件對系統進行控制。RSVIEW32通過EtherNet/IP網絡與PLC的進行無縫連接，可實現現場控制人員對系統的各個基礎數據和報警參數進行設置，系統數據的動態監控。

1.2 人機界面(HMI)

人機界面選用AB公司的PANEL VIEW PLUS 1000。人機界面通過EtherNet/IP網絡與PLC的通信，可實現現場控制人員對系統的各個基礎數據和報警參數進行設置。同時利用FactoryTalk View SE動態監控軟件實現對系統數據的動態監控。

1.3 PLC

由于該系統需要：9個模擬量輸入（7個液位信號、1個回流流量信號、1個入井管線壓力信號、）；3個開關量輸入（3個泥漿泵泵沖信號為接近開關信號）；2個開關信號輸出（主要用于報警：管線壓力高、井漏、井涌）。故選擇了羅克韋爾的中小型CompactLogix 1769系列PLC來進行控制。CompactLogix 1769系列PLC為緊湊型多功能控制器，它集Logix多功能控制引擎、NetLinx網絡透明集成、1769CompactI/O于一體，同時取代傳統PLC和多回路控制器，實現了真正意義上的從機器控制到過程控制的一體化控制系統，極大的方便了現場應用。Logix多功能控制引擎：帶浮點型處理器的32位多任務（事件任務、連續任務和周期任務）實時控制內核，在高速邏輯運算以及復雜回路控制（0.08ms/K典型混合程序）等方面表現同樣出色。另外它還滿足IEC61131-3標準、符合不同應用要求、不同用戶習慣的多種編程方式可選：梯形圖LD、功能塊圖FBD、順控表SFC以及語句表ST。軟件開發包的價格也相對便宜，更方便地開發、閱讀和修改程序：無需分配/記憶內存地址（常規PLC必須的步驟），用戶可直接使用或自定義反映控制對象/元件屬性的“標簽（Tag）”（支持數組和結構體方式）進行編程。系統硬件和型號和數量如表1所示。

表1 系統硬件和型號

1.4 現場傳感器及報警器

1.4.1 現場傳感器主要由泥漿泵沖傳感器、入井管線壓力傳感器、泥漿流量傳感器、泥漿液位傳感器組成，主要完成對于系統狀態參數的收集工作。

泥漿泵沖傳感器選用歐姆龍E2EX10D1S-M1型接近開關，該開關感應距離10MM,平均響應頻率0.4 kHz，滿足現場要求。

入井管線壓力傳感器采用TP705防爆型壓力傳感器。TP705防爆型壓力傳感器采用隔離型膜片，一體化結構，傳感器尾部采用螺紋連接，方便與系統的其它設備連接成一體，適用于有防爆要求的壓力測量與控制。 其量程為 -100KPa～100KPa～200MPa；輸出信號 4～20mA、0～5V、1～5V、0～10V 可選；密封等級為 IP65；在機械振動頻率20Hz～1000Hz內，輸出變化小于0.1%FS滿足現場要求。

泥漿液位傳感器選用西門子The Probe一體化超聲波液位計。The Probe特有的專利“聲智能”技術能有效可靠地處理回波。濾波器用來識別來自液面的真實回波及由聲電噪音和運動中的攪拌器葉片產生的虛假回波。脈沖傳播到被測物并返回的時間經溫度補償后被轉換成距離，用于顯示、mA輸出及繼電器的動作。

泥漿流量傳感器選用WRFLZ-2900型智能電磁流量計。其流速范圍為0.3～10m/s；信號輸出方式可選電壓輸出1～5V或電流輸出4-20mA；測量精度0.5%FS 1.0%FS；防護燈具可達IP68滿足現場要求。

1.4.2 現場報警器主要完成對于系統狀態輸出進行響應，輸出響應的報警信號。

本系統選用可萊特TLESA-WS防爆信號燈，該燈集燈泡反射鏡轉亮型警示燈和揚聲器組合為一體，大大提高了警示效果。同時，該燈防護等級達到ExdⅡCT6,IP66要求；一米內音量 大于110dB；并具有DC12/24V、AC110/220V四種電壓可供選擇。

2 系統主要功能

2.1 數據采集和處理功能

系統通過對泥漿泵泵沖信號、各泥漿池液位信號、管線壓力信號、泥漿流量信號的實時測量，計算出各池儲液量、總儲液量、總液量變化量、管線壓力、回流流量等數據，并將上述數據發送給上位機。

2.2 顯示與報警功能

（1）顯示功能：系統利用以太網通過PANEL VIEW PLUS 1000與個人電腦顯示器均可實現對各泥漿池液位與液量、總儲液量、管線壓力、回流流量等數據的動態顯示。(2)報警功能：現場實時數據經PLC系統進行計算，當實時入井泥漿流量與反芻泥漿流量的差值超過設定值時，系統將通過多種方式同時進行報警。在個人電腦與PANEL VIEW PLUS 1000都將同時進行井涌、井漏異常顯示和報警的同時，PLC還會產生一個輸出給現場聲光報警器，提醒操作者注意并及時校對泥漿罐儲液量，確認現場情況并采取相應的井控措施。（3）另外本系統還可根據現場要求動態顯示泥漿總量變化曲線。

2.3 數據存儲功能及設定功能

該系統可將采集的數據傳送到計算機數據庫進行存儲，以便進行相應的數據分析處理。同時通過個人電腦和PANEL VIEW PLUS 1000均可方便的設定各個泥漿池的基本參數與系統報警信息。

3 系統的軟件設計

系統軟件主要分為PLC控制程序、上位機軟件、PANEL VIEW PLUS 1000應用程序三大部分。

3.1 PLC控制程序

3.2 PLC控制程序采用羅克韋爾RSLogix 5000系列編程軟件進行編寫。RSLogix 5000系列編程軟件被設計用來與羅克韋爾自動化Logix平臺協同工作。RSLogix 5000兼容IEC 61131-3標準，提供梯形圖邏輯、結構化文本、功能塊圖、順序功能表編輯器等方式來開發應用程序，極大的方便了程序的開發。RSLogix 5000同時還包括支持運動控制的軸配置和編程。本設計主要利用RSLogix 5000系列編程軟件來實現對于程序的設計、修改與顯示等任務。在本設計中，我們根據實際的硬件配置，先在Rslogix 5000中進行硬件組態。在創建一個Compact－Logix工程時，編程軟件會自動創建本地CompactBus。在Controller Organizer(控制器項目管理器)，中選擇 CompactBus并點擊 Properties(屬性)后，即可指定框架大小，及用戶模塊（不包括電源模塊）的數量。本系統硬件組態結果如圖2所示。在組態完畢后，我們按照系統控制要求在主程序中編寫用戶程序，經模擬調試合格后再下載到PLC進行實際調試，完成對相應的控制功能的測試。

3.3 上位機軟件

圖2 系統硬件組態圖

圖3 鉆井泥漿監控系統工藝流程圖

上位機主要采用羅克韋爾綁定的RSVIEW32軟件。該軟件將Windows程序的現代體系結構和使用方便的圖形設計結合在一起，提供了可視化、友好的控制界面，方便地實現了HMI（人機界面）的功能。上位機主要通過RSLINX OPC和PLC進行通信。

3.4 PANEL VIEW PLUS 1000應用程序

PANEL VIEW PLUS 1000主要采用FactoryTalk View SE監控軟件與PLC和電腦進行動態數據交換。FactoryTalk View SE是一個集成軟件包，用于開發和運行可能涉及在整個網絡內分布的多個用戶和服務器的人機界面（HMI）應用程序。作為FactoryTalk View系列產品的一員，FactoryTalk View SE提供了創建強大、可靠過程監視和控制應用程序需要的所有工具。利用該工具，我們開發了系統工藝流程圖（如圖3所示）。

4 結束語

該系統利用CompackLogix系列PLC實現了對鉆井泥漿監控系統的動態監控與顯示、報警功能，操作人員可通過顯示面板實現現場設備的運行狀況的可視化操作。

由于PLC具有強大的擴展功能使得該系統可通過以太網與其他上位機實現數據交換，實現組網與異地監控功能。同時由于羅克韋爾系列PLC的廣泛應用，使整個系統的維護成本與傳統的控制系統相比大大降低。同時由于采用了PLC控制，使得系統的擴展功能在設備更新改造時變得更加容易。由此看來PLC控制將是鉆井泥漿監控系統未來發展的一大趨勢。

[1]薛迎成.羅克韋爾PLC技術基礎及應用[M].北京：中國電力出版社，2009.

[2]薛迎成.PLC與觸摸屏控制技術[M].北京：中國電力出版社,2008.

[3].1769-L35E CompactLogix系統用戶手冊[C].上海：羅克韋爾國際集團，2004.