淺析頂驅接近開關應用及其故障處理

劉建（中國石油川慶川東鉆探公司機械廠 重慶 401120）

頂驅裝置將自身配備了專門上扣、卸扣的背鉗裝置和鎖緊系統，本文以北石頂驅為例，介紹接近開關在頂驅裝置上的應用，同時再理論結合實際說明如何安裝及檢修接近開關。

一、鎖緊系統工作流程

當鉆井工況需要拆卸頂驅保護接頭和鉆具之間的連接或者更換保護接頭和上下IBOP時，就會涉及到頂驅上卸扣操作，司鉆操作“回轉頭鎖緊”選擇開關，將其轉到“鎖緊位”，回轉鎖緊指令信號送入PLC程序，根據程序設定，通過液壓閥組使回轉頭進行“微動”，同時鎖緊油缸驅動鎖緊銷(設定壓力為4 Mpa)進行插孔動作，當鎖緊銷進入旋轉頭鎖孔后，接近開關進行檢測，2對常開接點閉合，輸出“低電位”，PLC接收到鎖緊反饋信號后，停止微轉，司鉆臺鎖緊指示燈亮起，司鉆同時按下“背鉗”和“上卸扣”，觀察扭矩表指示情況，確認是否卸扣成功，完成后將鎖緊開關轉至開位。

二、接近開關工作原理

接近開關實際是一個沒有與被測物體接觸的一個傳感器，是種開關型傳感器（即無觸點開關），當物體接近開關的感應面到動作距離時，不需要機械接觸及施加任何壓力即可使開關動作。接近開關按種類分為電感式接近開關，電容式接近開關和霍爾開關，北石頂驅現在在用的是電感式接近開關，型號是歐姆龍E2EX3D1-N-Z型號，工作電壓12 V-24 V，這種開關的優點：1反應速度快；2非接觸檢測，避免了對傳感器自身和目標物的損壞；3在各種環境中能夠穩定檢測。電感式接近開關由三部分組成：震蕩器，開關電器和放大輸出電路，振蕩器產生一個交變磁場，當目標物接近這一磁場，并達到感應距離時，在金屬目標內產生渦流，從而導致震蕩衰弱，以致停震，振蕩器震蕩及停振的變化被后級放大電路處理并轉換成開關信號，觸發驅動控制器件，從而達到非接觸式檢測目的。

由上述接近開關的原理我們可以得知：當接近開關與被測金屬之間的距離小于等于接近開關的最大探測距離時，接近開關接通，輸出高電平；反之則關斷，輸出低電平。鎖緊銷為上部細、下部粗的圓柱體，當鎖緊銷處于松開位時，鎖緊銷較粗的部分正對接近開關，此時兩者之間距離小于接近開關的最大探測距離，因此接近開關接通，輸出高電平；而當鎖緊銷處于鎖緊位時，鎖緊銷較細的部分正對接近開關，此時兩者之間距離大于接近開關的最大探測距離，因此接近開關關斷，輸出低電平。接近開關的狀態通過控制電纜送到PLC柜內的DI點模塊，CPU只要讀取外設的狀態，就可以準確的知道接近開關的狀態。由上述分析我們可以得知：正常情況下，鎖緊銷的鎖緊狀態與DI點點的狀態存在“邏輯取反”的關系，即鎖緊銷處于松開時DI點點狀態為“1”，鎖緊銷處于鎖緊時DI點點狀態為“0”。而在非正常情況下，例如接近開關損壞，或接近開關與鎖緊銷相對位置發生變化，兩者之間狀態可能不遵循上述關系。

當兩個接近開關采用并聯方式接入同一個DI點點時，我們可以用下表來描述系統檢測到的鎖緊銷狀態。隨著頂驅系統的升級換代，也有部分系統中兩個接近開關分別接入兩個不同的DI點點，或者系統中只有一個接近開關接入DI點點，我們都可以用下面的辦法一一分析，準確的找到故障點并排除。

序號鎖緊銷實際狀態接近開關1狀態接近開關2狀態DI點點I 14.6狀態系統檢測狀態M59.4狀態是否正常

正常正常正常不正常正常不正常不正常不正常12345678松開位松開位松開位松開位鎖緊位鎖緊位鎖緊位鎖緊位接通接通關斷關斷關斷關斷接通接通接通關斷接通關斷關斷接通關斷接通11100111松開松開松開鎖緊鎖緊松開松開松開

可以看到，有四種狀態是處于不正常狀態，下面分別對這四種異常狀態做分析。

狀態4：鎖緊銷松開而兩個接近開關都關斷，這種情況有以下幾種可能原因：

接近開關的固定位置發生變化，超出了接近開關的最大探測距離。

接近開關的24 V供電電源中斷，或者接近開關到DI點模塊之間的電纜中斷。

接近開關對應的DI點點損壞。

兩個接近開關的正負極均反接。

狀態6、7、8：鎖緊銷鎖緊而接近開關有通有斷，這種情況有以下幾種可能原因：

處于接通狀態的接近開關其感應端面沾染上鐵屑等金屬粉末。

接近開關的24 V供電電源與DI點點之間的電纜短路。

接近開關對應的DI點電損壞。

三、接近開關故障處理

應急措施：當遇井下較復雜，比如處理事故或固井后，需要在規定的時間快速進行上卸扣，當鎖緊無指示，鎖緊動作不能完成時。通常可以嘗試以下2種應急處理方法：

方法1：

（1）把PLC柜的CPU打到off位；

（2）PLC柜的應急開關打到旁路或開位；

（3）司鉆操作鎖緊開關，進行上卸扣；

（4）把PLC柜的CPU打到o n位；

（5）仔細排查故障原因。

方法2:

(1)在PLC柜中將鎖緊檢測的2組信號并聯在一起，接入24 V直流電源；

（2）司鉆正常操作鎖緊開關，然后進行應急上卸扣；

（3）仔細排查故障原因。

結論

隨著頂驅裝置的不斷升級換代，在實際使用過程中遇到的鎖緊裝置及其檢測機構可能會略有差異，但只要我們掌握其結構和原理，遇到問題時冷靜分析，就可以快速方便的定位故障，為迅速恢復頂驅使用贏得時間。

[1]北京石油機械廠 頂部驅動鉆井裝置操作手冊2007年12月.

[2]塔里木油田工程技術部 井控裝置維修使用手冊2007年5月.