基于PLC的油田修井作業機安全防護控制裝置的設計

引言：油田修井作業機安全防護裝置用于監測修井作業機的工作范圍，使作業機在安全工作范圍內運行，當達到上/下限位置時及時報警停車。該安全防護裝置的控制核心采用可編程控制器（以下簡稱PLC），PLC通過信息顯示屏接收各種指令及參數設置并自動執行相應的操作步驟，通過傳感器監測作業機工作位置，及時地對作業機工作范圍進行判斷，指示并報警，且具有自動剎車功能。

一、研究背景

油田修井作業是石油工程的主要組成部分之一。油田修井作業機是石油開采和生產過程中最主要的工程機械。在油田修井鉆井作業過程中，影響作業人員和作業機械安全的主要因素是大鉤升降幅度。雖然油田修井鉆井起重作業機械的種類和型號各有不同，但是作業機械額定大鉤安全升降幅度值的限制也是根據作業現場情況而定的。在修井鉆井作業過程中，一旦升、降幅值超限，輕則發生事故、損壞設備，重則機毀人亡。因此有必要設計一種作業機大鉤升降幅值可自行設定，超限停車并報警的安全防護裝置。

二、系統構成

安全防護裝置主要由可編程控制器（PLC）主機單元、觸摸顯示屏、傳感器、電磁閥、報警器、控制按鈕等組成。安全防護裝置采用可編程控制器（PLC）作為核心控制器件；通過觸摸液晶屏對大鉤的上下限幅值進行設置，并在作業機運行過程中實時顯示大鉤的位置值便于監測；傳感器采集與大鉤相連接鋼絲繩的運行長度信號，向PLC輸入采集信號，PLC通過對輸入采集信號的計算，將大鉤的實時運行位置信息顯示到液晶顯示屏上；當大鉤的位置超過設定的上下限值時，PLC輸出超限信號，報警器報警，電磁閥動作將鋼絲繩絞盤做剎車處理，大鉤停止運行；人為手動控制按鈕解除報警狀態，使絞盤剎車松開，大鉤運行至安全位置。

2.1 可編程控制器

PLC是可編程控制器的縮寫，對整個電氣控制系統進行自動控制，實時監測作業機運行過程中的參數并進行分析，當作業機超出安全動作范圍時自動進行報警并發出停車指令。通過信息顯示屏實現人機對話，響應信息顯示屏輸入的指令、參數，將作業機運行信息通過信息顯示屏顯示。

本裝置使用的是DVP14SS系列PLC，該PLC開關量輸入點為8點，開關量輸出點為6點。

2.2觸摸顯示屏

觸摸顯示屏是一種微型可編程終端，采用全中文液晶顯示觸摸屏（帶背光），具有字符類型和圖像類型顯示，由通訊接口和PLC的外設接口進行通訊。主要功能是現場參數設定，運行工況參數的顯示，實時顯示作業機的運行狀態。

本裝置使用的觸摸顯示屏是SK-035AE，顯示區大小為3.5英寸，分辨率為320×240，顏色為26萬色，采用LED背光燈。使用該顯現屏應用組態編程技術實現人機交互界面。

三、軟件設計

3.1 PLC程序設計

3.1.1位置測量部分程序段

圖1位置測量程序段

3.1.2報警輸出部分程序段

圖2報警輸出程序段

3.2 觸摸屏組態編程

本裝置使用SKWorkshop組態編程軟件對觸摸顯示屏進行編程。

3.2.1安全工作范圍的設定界面編程

初次使用安全防護裝置時，必須進行作業機安全工作范圍設定，否則可能運行異常。設置方法和操作步驟如下：

（1） 設置起點位置：將作業機運行至起點位置，將該極限位置設置為作業機的工作起點，PLC將該位置作為長度計算的起始點。

（2）設置零點位置：將作業機運行至地面附近，將該位置設置為作業機的工作零點，該位置在信息顯示屏中顯示的高度值為“0米”。

（3）設置上限位置：將作業機運行至“0米”以上的上限位置，可將當前位置設置為作業機的上限位置；也可以通過鍵盤錄入上限位置。

（4）設置下限位置：下限位置的設置方法與上限位置的設置方法相同。

3.2.2運行狀況的顯示與報警

安全防護裝置能夠以米為單位顯示作業機當前工作位置、上限位置和下限位置，精度達到厘米單位。并能夠通過兩只霍爾傳感器來判斷作業機處于上升或下降狀態。

當作業機當前位置接近上/下限位置時，安全防護裝置將通過聲光報警器發出警告信號，同時信息顯示屏“主界面”中的“警告”燈將閃爍，提醒操作人員注意安全。

當作業機當前位置達到上/下限位置時，安全防護裝置將立即發出停車指令，控制電磁閥進行停車動作，在聲光報警器發出報警的同時信息顯示屏“主界面”中的“停止”燈將閃爍，作業機停止運行。如需再次運行作業機，請按下安全防護裝置控制盒左側的“解除”按鈕，使“解除”燈熄滅。

四、結論

本文設計的安全防護裝置具有小型化、智能化、集成化和系統化的特點。安全防護裝置根據預設參數實現自動控制，減輕了操作人員的工作強度，避免了由于誤操作引起的事故，便于操作和維護。對作業機運行范圍進行實時監測，當工作超出安全范圍時及時進行保護動作，避免了由于保護不及時而引發的安全事故。

（作者單位：哈爾濱華德學院）

作者簡介：

佟巳剛，哈爾濱華德學院機電與汽車工程學院教師，工程師，研究方向：可編程控制器（PLC）、單片機、機床電氣。