淺談西門子1200PLC在礦用壓裂泵組的應用

蘇建東，黃海榮，蒲 凱

（重慶水泵廠有限責任公司，重慶 400033）

壓裂泵組是煤層氣開采技術中不可替代的技術要求高、使用工況復雜、結構復雜、研制難度大的一種關鍵設備。煤礦井下壓裂泵組則是煤礦井下進行水力壓裂強化煤層氣抽采技術的核心組成設備。BYW78-400型煤礦井下壓裂壓裂泵組的研制完全依靠國內力量自主開發、自主創新，具有自主知識產權，該壓裂泵組的成功研制是所有參與單位共同智慧的結晶。

1 背景

2012年重慶市經信委、市國資委組織市國資高新技術企業赴涪陵頁巖氣開采基地考察為公司打開了思路，重慶市能源投資集團引入煤礦井下水力壓力技術為重泵公司發展壓裂泵組提供了平臺。由于煤礦井下工作環境的特殊性，使得壓裂泵組的工作環境處于瓦斯突出區和高壓區的“雙危環境”中，不僅要保證設備運行的安全性、可靠性，更要保障操作施工人員的人身安全，需要設備具有遠程操作性能和遠傳視頻功能。因此，整個泵組的電氣自動化控制系統采用西門子1200PLC來實現遠程監控功能。

2 電氣控制系統結構

BYW78-400型壓裂泵組整個電氣控制系統可分為四個部分，第一部分為控制機構、第二部分為執行機構、第三部分為監控機構、第四部分為視頻機構，主要包括防爆主電機及防爆軟啟動器、輔助電機及壓裂泵組防爆PLC控制箱、防爆儀表、防爆計算機、光纖、防爆錄像機、防爆硬盤、防爆光端機、防爆顯示器等幾個部分組成。電氣系統拓撲圖如圖1所示。

壓裂泵組防爆控制箱內配置輔助電機動力系統和PLC系統，PLC包括S7-1200CPU模塊、I/O模塊、通訊模塊以及就地HMI顯示器。

圖1 電氣系統拓撲圖

西門子S7-1200系列PLC作為整個電氣控制的控制機構，對整個系統的完整控制可實現輔助油泵、閥門、主泵進行就地、遠程操作及泵組各項數據的采集、數據遠傳等功能。S7-1200系列PLC一方面實現輔助電機的啟動、控制；另一方面實現整個泵組電機的電參數采集、整個泵組的壓力、流量、溫度、速度等物理量采集、泵組配備的液力變速箱的檔位控制、信號傳輸等功能。就地HMI畫面顯示如圖2所示。

圖2 就地HMI畫面顯示圖

軟啟動器作為整個電氣控制系統的傳動執行機構，它具有主電機軟啟功能以及過載，缺相，欠壓等完善的保護功能。西門子S7-1200PLC通過硬接線輕松完成軟啟動器的啟停等控制。

通過壓裂泵組防爆控制箱內配置的CPU模塊實現控制箱和主電機防爆啟動器之間的數據傳輸功能。通過光纖將壓裂泵組的控制和監控參數傳輸至安全區域的上位機HMI，上位HMI使用西門子TIA博圖軟件對其進行畫面組態，操作人員可以在遠方直觀監控整個設備的運行狀態，支持查詢運行參數以及故障記錄。

硬盤錄像系統可以實現操作人員在遠方就可以清楚地看到泵組的運行狀態以及泵組周邊環境，與HMI畫面的數據采集系統進行了互補。

3 PLC I/O點配置

PLC的主要IO配置如表1所示。

表1 PLC主要IO配置表

4 軟件實現

S7-1200PLC系統負責：潤滑油泵的啟動和停止；電機的過載、過熱保護；手動分閘/合閘功能；主泵的壓力信號采集和顯示；流量（瞬時流量和累計流量）的信號采集和顯示；潤滑油溫的信號采集和顯示；潤滑油壓的信號采集和顯示；轉速傳感器的信號采集；電動調節閥的開度調節，調節出口壓力。

另外，PLC還具有完善的保護功能，如當主泵出水壓力高于壓力設定上限報警 。潤滑油溫高于設定上限報警，高于設定上上限主泵電機停機。

5 結語

文章討論了BYW78-400型煤礦井下壓裂泵組采用S7-1200系列PLC對整個泵組進行監控以及數據采集，全面完成整個井下壓裂泵組中主電機、輔助電機、液力變速箱、潤滑油路系統、壓力管道系統的控制和參數監測，實現了遠程監視和控制，具有較高的使用安全性、可靠性。