淺談PLC在石油鉆機(jī)中的應(yīng)用研究

刁東

【摘 要】對(duì)于初期的PLC來(lái)說(shuō)，在制定設(shè)計(jì)方案前首先需要對(duì)系統(tǒng)的硬件配置進(jìn)行明確，而后利用其標(biāo)準(zhǔn)編程軟件，即STEP7，生成適應(yīng)于硬件系統(tǒng)的系統(tǒng)，當(dāng)完成上述步驟后即可進(jìn)行軟件編程，通過(guò)剔除程序上不合理的地方，可減少程序的復(fù)雜性，并提升其可讀性，使故障得到及時(shí)的發(fā)現(xiàn)和糾正，進(jìn)而避免事故的發(fā)生，保障石油鉆井的安全性。

【關(guān)鍵詞】石油鉆機(jī) PLC 應(yīng)用 研究

鉆井行業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的重要支柱之一，其自動(dòng)化的發(fā)展備受關(guān)注。鉆機(jī)PLC控制系統(tǒng)結(jié)合運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、控制、電子、檢測(cè)等科技成果，是鉆機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢(shì)，也是鉆井自動(dòng)化發(fā)展的重要組成部分。鉆機(jī)PLC控制系統(tǒng)的普遍應(yīng)用滿足了鉆井生產(chǎn)高水平的要求，為鉆機(jī)技術(shù)改造打開(kāi)了新思路。因此，對(duì)于鉆機(jī)PLC控制系統(tǒng)應(yīng)用的研究，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

1鉆機(jī) PLC控制系統(tǒng)概述

上世紀(jì)七八十年代，鉆機(jī)控制系統(tǒng)主要是通過(guò)氣動(dòng)和液壓控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，隨著科技的發(fā)展，鉆機(jī)控制系統(tǒng)逐漸發(fā)展成為機(jī)、電、氣、液一體化控制系統(tǒng)。鉆機(jī)的一體化控制系統(tǒng)主要包括傳動(dòng)控制、動(dòng)力控制、電力、儀表、電動(dòng)機(jī)控制中心等幾個(gè)方面。其中，IPC、PLC、HMI為系統(tǒng)核心，結(jié)合傳感器、控制器、電氣元件、電氣液動(dòng)閥件、控制總線等組成執(zhí)行機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。司鉆控制中心可以通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的控制功能，包括絞車電機(jī)、鉆井泵電機(jī)、泥漿泵電機(jī)、轉(zhuǎn)盤電機(jī)、自動(dòng)送鉆系統(tǒng)以及其他輔助設(shè)備的控制，從而實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)的恒速、恒壓送鉆。

鉆機(jī)PLC控制系統(tǒng)的工作流程主要有以下幾個(gè)環(huán)節(jié)，首先根據(jù)功能需求，編寫合適的程序，并通過(guò)工業(yè)控制機(jī)存儲(chǔ)在PLC中，司鉆通過(guò)人機(jī)界面的觸摸屏將指令傳輸?shù)剿俱@房中的PLC，指令處理過(guò)后通過(guò)PROFIBUS總線將信號(hào)遠(yuǎn)距離傳送到電氣室，電氣室的PLC通訊模塊接收到信號(hào)之后，繼續(xù)將信號(hào)傳送到變頻器CUVC控制板，最后信號(hào)通過(guò)變頻器輸出，并控制最后的執(zhí)行元件（電機(jī)），調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。

2鉆機(jī)PLC控制系統(tǒng)的工作原理

2.1控制系統(tǒng)處于啟動(dòng)或待機(jī)狀態(tài)：如果電源總開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)，電源系統(tǒng)就開(kāi)始正常運(yùn)作，PLC開(kāi)始工作，首先進(jìn)行檢測(cè)，檢查各設(shè)備的輸入狀態(tài)并輸出的電路，各元件進(jìn)入運(yùn)行準(zhǔn)備階段。檢測(cè)結(jié)束后，PLC處于待機(jī)狀態(tài)。

2.2控制系統(tǒng)的行走控制：鉆機(jī)處于行走狀態(tài)時(shí)，操作行走手柄，通過(guò)PLC的控制，行走電磁閥會(huì)導(dǎo)通，液壓馬達(dá)開(kāi)始工作，可以實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的行進(jìn)功能。

2.3控制系統(tǒng)的定位控制。鉆機(jī)配備定位手柄，并通過(guò)PLC的控制，可以控制鉆臂的升降、擺動(dòng)，推進(jìn)器配合進(jìn)行位置調(diào)整，導(dǎo)通電磁，實(shí)現(xiàn)定位控制。

2.4控制系統(tǒng)的鉆進(jìn)控制。當(dāng)開(kāi)關(guān)處于鉆進(jìn)位置時(shí)，操作鉆進(jìn)調(diào)整手柄，通過(guò)PLC控制，可以導(dǎo)通電磁，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)功能。

2.5控制系統(tǒng)的接桿控制。當(dāng)開(kāi)關(guān)處于接桿位置時(shí)，操縱相應(yīng)手柄，結(jié)合PLC的控制，可以導(dǎo)通電磁，完成接桿。

2.6控制系統(tǒng)的卸桿控制。開(kāi)關(guān)置于卸桿位置時(shí)，操作卸桿手柄，結(jié)合PLC控制，導(dǎo)通電磁，完成卸桿。

2.7除此之外，在鉆機(jī)工作過(guò)程中，若果控制系統(tǒng)發(fā)生故障，PLC會(huì)及時(shí)發(fā)出警報(bào)，操作人員可以迅速按急停按鈕，停止鉆機(jī)的運(yùn)行，最大程度的降低經(jīng)濟(jì)損失，避免安全事故的發(fā)生。

3系統(tǒng)信息

轉(zhuǎn)盤與絞車在石油鉆井當(dāng)中是極為重要的兩部分，這兩者如發(fā)生故障，短期內(nèi)將難以恢復(fù)，因而若在鉆井過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，輕則拖延工作進(jìn)度，重則將可引致重大坍塌事故的發(fā)生。因此，為預(yù)防該類事故的發(fā)生，控制系統(tǒng)具備冗余備份能力。在全套的可編程邏輯控制系統(tǒng)中，存在著2套互備冗余，一為分布式從站，一為主站。分布式從站位于司鉆室中，司鉆室不僅擁有輔助控制臺(tái)以及主控制臺(tái)，且集鉆機(jī)液、氣、電控制于一身，同時(shí)還擁有一整套的電控柜，即ET200M，具有電氣系統(tǒng)的故障提示、聲光警報(bào)、監(jiān)控以及實(shí)時(shí)的顯示鉆井參數(shù)，操控鉆機(jī)等功能；主站則位于電控房中，電控房?jī)?nèi)包括有整流柜、發(fā)電機(jī)柜、VFD柜和PLC控制柜等設(shè)備[1]。

3.1 硬件組態(tài)

在開(kāi)始制定關(guān)于PLC的控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的硬件配置來(lái)制定，比如就S7-300而言，當(dāng)其通信處理模塊、功能模塊、輸入/輸出模塊達(dá)到八塊以上時(shí)，在中央機(jī)架的基礎(chǔ)上還應(yīng)額外配置接口模塊和配置擴(kuò)展機(jī)架。只有明確好系統(tǒng)硬件后，才可繼續(xù)進(jìn)行硬件配置工作。

3.2 軟件編程

變頻鉆機(jī)所采用的系統(tǒng)控制核心為S7-300系列CPU，可編程控制管理系統(tǒng)和變頻器通訊所使用的總線為Profibus，所使用軟件為STEP7軟件編程包，該軟件編程包擁有建立檔案文件、測(cè)試、編程、診斷、運(yùn)行、維護(hù)、配置硬件以及設(shè)置參數(shù)等功能。此外，基于對(duì)該系統(tǒng)在使用方面的諸多要求，例如可靠性以及戶外維修等，因此系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程監(jiān)控以及冗余備份等功能。由于受石油鉆機(jī)電控裝置控制的目標(biāo)較多且其各自間存在著聯(lián)系，同時(shí)其對(duì)控制的要求也較為復(fù)雜，因此，對(duì)于數(shù)目眾多的控制目標(biāo)，若單純采取直線獨(dú)立結(jié)構(gòu)進(jìn)行編程將導(dǎo)致程序大小超出CPU可承受范圍，并降低程序可讀性；而若是采用結(jié)構(gòu)化編程分解自動(dòng)化任務(wù)，則將其變?yōu)榭芍貜?fù)應(yīng)用的任務(wù)或是可反映過(guò)程的功能及工藝，基于每個(gè)任務(wù)都有其對(duì)應(yīng)的程序塊，當(dāng)運(yùn)行程序的時(shí)候，將會(huì)有大量的變量與數(shù)據(jù)涌進(jìn)并存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)塊當(dāng)中[2]。

雖然所有程序塊都具有相對(duì)獨(dú)立性，但是在一些程序塊之間，其功能存在某種相似性，因此常被OB1或是其它程序塊調(diào)用。在編程的過(guò)程時(shí)，分析該類具有相似性功能的程序塊，并利用FB功能塊與FC功能等實(shí)現(xiàn)程序塊的獨(dú)立構(gòu)成，通過(guò)調(diào)整各個(gè)功能與功能塊，使控制目標(biāo)的功能能夠得以實(shí)現(xiàn)。此外，拋棄復(fù)雜的程序結(jié)構(gòu)，對(duì)程序結(jié)構(gòu)進(jìn)行大量簡(jiǎn)化將有助于檢測(cè)與分析裝置故障。該軟件系統(tǒng)可判斷的故障種類高達(dá)130種以上，實(shí)現(xiàn)了智能控制[3]。

4鉆機(jī)系統(tǒng)的各項(xiàng)主要功能

要控制相應(yīng)電機(jī)，可利用Profibus 總線，連接變頻器與S7-300 CPU，使兩者可進(jìn)行通訊，進(jìn)行達(dá)到控制相應(yīng)電機(jī)的目的。在編寫通訊程序前，需要保證程序的對(duì)應(yīng)性，其PPO類型可通過(guò)傳送參數(shù)的數(shù)量而得到確定。為保證關(guān)鍵鉆井工藝的安全性，對(duì)其過(guò)程裝設(shè)安全聯(lián)瑣，使操作臺(tái)面板可及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，并給出聲光警報(bào)以及相應(yīng)的故障提示信息。除此之外，鉆機(jī)系統(tǒng)還具有其它功能：

4.1 軟件冗余

通過(guò)簡(jiǎn)單的軟件機(jī)制，當(dāng)冗余從站接口出現(xiàn)故障、或是冗余備份總線電纜及冗余從站接口無(wú)法能訊、亦或是CPU因主站、供電單元、軟件、背板總線、硬件等因素而出現(xiàn)故障問(wèn)題時(shí)，可應(yīng)用冗余CPU接管出現(xiàn)故障的主CPU[4]。從可行性以及成本方面進(jìn)行考慮，基于主備系統(tǒng)對(duì)于切換時(shí)間的要求較低，因而選用非必要系統(tǒng)或是冗余備份系統(tǒng)是較為合適的選擇，同時(shí)也可使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到提高。

4.2 人機(jī)界面

通過(guò)軟件組態(tài)，可顯示所有電機(jī)運(yùn)行中的邏輯情況和設(shè)備運(yùn)行情況，同時(shí)還可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控，將其中存在問(wèn)題的部分匯入故障頁(yè)當(dāng)中，以方便對(duì)故障進(jìn)行定位和維修工作。人機(jī)界面顯示面板有兩個(gè)，一個(gè)位于司鉆室，另一個(gè)則位于電控房。

4.3 轉(zhuǎn)盤控制

通過(guò)Profibus-DP協(xié)議通訊，可對(duì)變頻器中出現(xiàn)的過(guò)壓或是過(guò)流情況進(jìn)行警報(bào)，從而相關(guān)人員引起的注意，同時(shí)還可對(duì)轉(zhuǎn)盤變頻器的扭矩限定值、速度給定值等進(jìn)行控制。

4.4 泥漿泵控制

通過(guò)司鉆室面板，工作人員可利用Profibus-DP把信號(hào)輸送至控制站S7-300 CPU模塊，并實(shí)現(xiàn)對(duì)泥漿泵主電機(jī)、風(fēng)機(jī)以及噴淋泵的啟動(dòng)、速度設(shè)定、停止等操控，包括相應(yīng)的聯(lián)鎖保護(hù)。當(dāng)泥漿泵風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，需待其風(fēng)壓開(kāi)關(guān)閉合后才可啟動(dòng)泥漿泵主電機(jī)[5]。另外，由于電機(jī)耗損功率較大，將會(huì)產(chǎn)生較高的熱量，若熱量過(guò)高將會(huì)對(duì)電機(jī)正常運(yùn)行造成影響，因此需要進(jìn)行風(fēng)冷。

5結(jié)語(yǔ)

在石油鉆井當(dāng)中，石油鉆機(jī)的主要作用是將巖石打碎并往下鉆出預(yù)設(shè)深度的井眼。石油鉆機(jī)通常由旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、鉆機(jī)底座、起升系統(tǒng)、鉆機(jī)輔助設(shè)備系統(tǒng)、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)以及傳動(dòng)系統(tǒng)等八個(gè)系統(tǒng)組成。其傳動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)用內(nèi)設(shè)PLC的智能氣動(dòng)閥饑，全數(shù)字控制技術(shù)、三級(jí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立起具備網(wǎng)絡(luò)化、智能化和自動(dòng)化的鉆機(jī)控制系統(tǒng)以及設(shè)備管理系統(tǒng)平臺(tái)，不僅將鉆井儀表參數(shù)的記錄、顯示和存儲(chǔ)結(jié)合了起來(lái)，還完成了遠(yuǎn)程通訊鉆機(jī)信息系統(tǒng)及對(duì)鉆機(jī)電、氣、液的控制，大大降低了事故的發(fā)生概率，提高了石油鉆井的安全性。

參考文獻(xiàn)

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[4] 張德森.淺談石油鉆機(jī)上現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用[J].硅谷，2017，1（12）：86-90

[5] 董興華，張西平.石油鉆機(jī)生產(chǎn)與智能控制系統(tǒng)[J].機(jī)械工程師，2016，6（07）：65-67