PLC技術在石油機械液壓控制系統中的應用

張驥

（四機賽瓦石油鉆采設備有限公司 湖北省荊州市 434024）

隨著社會的快速發展，工業現代化水平不斷提高。由于液壓傳動具有調節簡單，傳遞功率大，易實現遠程控制等諸多優點，廣泛應用于混砂車等石油機械產品中，降低操作者的勞動強度，但控制方法局限于手動，電磁控制等傳統控制模式。各種控制方法存在一些不足，制約液壓系統中石油機械中的應用。隨著現代工業機械化的發展，人們對石油機械產品安全性要求不斷提高。石油機械按以往制造工藝生產無法滿足現代石油業發展需求，將PLC運用于石油機械液壓控制系統中，可以提高生產智能化程度，保證石油產品質量。

1 石油機械液壓控制系統PLC技術簡介

PLC是可編程邏輯控制器技術，用于邏輯運算、計算數操作等用戶指令，將結果通過數字信號輸入下個控制器械。PLC可視為用于工業生產的計算機，具有微機基本機構，PLC基本構成包括CPU，輸出輸入接口電路等[1]。PLC具有編程方便，功能多樣，抗干擾能力強等優點。PLC在石油機械液壓控制系統中廣泛為應用，通過滑塊運動實現油缸功能，通過使用PLC控制壓邊力，使PLC為系統提供穩定壓邊力。

PLC系統運行中能自動化完成控制路線的邏輯運算， I/O映像區域中輸入點的狀態不會改變。輸出刷新是PLC系統運行中的最后環節，CPU以I/O映像狀態信息為根據，通過輸出電路驅動外接設備。PLC具備邏輯控制功能、監控功能等，適用于工業自動化控制，其優點體現在可靠性高，組合靈活等。工業生產環境比較惡劣，PLC選用電子器件為工業級，采用屏蔽等措施增進軟硬件的可靠性[2]。PLC一般使用梯形圖作為編程語言，適合有一定電工知識的人員使用。液壓系統負載功率如表1所示。

表1：液壓系統負載功率

液壓傳動原理方程P=P0+ρgh，Po為液體受力面受壓MPa，P為靜止液體內任一點壓力MPa。靜止液體任一點壓力P包含頁面壓力Po，密閉容器中外力作用產生壓力傳遞到液體所有點。液壓傳動特點體現在傳動必須經兩次能量轉換，傳動工作介質為具有壓力液體；傳動必須在密閉容器進行[3]。液壓傳動是新興的技術，相比機械傳動具有傳輸動力大，直線運動實現簡單，使用壽命長等諸多優點。工程領域應用液壓技術始于1795年首臺壓力機誕生。21世紀后，液壓技術在控制系統領域扮演重要角色。

2 混砂車液壓控制系統研究

20世紀我國石油工業經歷50年代的探索階段，六七十年代的高速發展階段與80年代后穩定發展階段。石油工業稱為國民經濟發展的重要支柱產業。21世紀石油工業經歷激烈競爭，部分油田進入采油中晚期階段，隨著壓裂工藝強化，大型壓裂裝備成為油氣井提高單井產量的重要措施。我國油氣田開發處于高壓井施工難度大的階段，大型數控成套壓裂裝備研制對提高技術水平具有重要意義。我國過去引進國外技術取得一定進步，研制適合我國油氣田作業工藝特點是壓裂裝備。混砂車螺旋輸紗器負載參數如表2所示。

表2：混砂車螺旋輸紗器負載參數

國產壓裂裝備停留于對國外先進壓裂技術仿制階段，注入壓裂機組自動控制系統等未形成國產自主生產產品。實現對大型壓裂機組研制對提升國產裝備技術水平具有重要意義。隨著油田不斷開采，油井生產層滲透率不斷降低，迫使對油井壓裂作業更加頻繁。目前對油氣田壓裂作業通過壓裂機組完成，通過提高油井油氣層滲透率提高采收率，將電子機械等先進技術集成在專用車底盤，通常1套壓裂車組由多臺壓裂泵車，混砂車等組成。我國油田壓裂車組混砂車大多以手動控制為主，油田壓裂施工不可重復性，混合液砂密度，干粉添加劑比例等參數是否符合壓裂施工設計要求影響施工質量。

3 PLC技術在石油機械液壓系統中的運用

石油機械液壓系統通過液壓缸實現功能，石油機械液壓系統操作方式分為手動與半自動，可以利用頂出缸液壓油對板材造成拉伸提供壓邊力操作系統。合理控制壓邊力需要改造原有液壓系統。通過電磁比例溢流流量控制閥使氣缸提供壓邊力。頂出缸壓邊力可以提供穩定的壓邊力。石油機械液壓控制系統PLC選型需要考慮多方面因素，如系統控制方面要求等，明確相關因素才能確定所需操作。估算輸入輸出點數，選擇具有較高性價比的PLC控制系統。

PLC是微機基礎上開發的數字量控制程序控制器，可實現邏輯位置等控制，PLC在各種工業領域廣泛應用，PLC硬件系統包括CPU，編程器等，軟件系統是根據控制功能編制的應用程序。控制壓力流量等參數經前置放大后，PLC對數據運算輸出相應指令控制相關設備動作，操作人員可以了解設備運行狀況，保證設備的安全性。以19m高空帶電作業車為例說明PLC控制，作業車上下臂伸展幅度不同于工作斗，操作人員高空進行帶電作業需要快捷達到預定位置，液壓小吊超過額定負荷造成翻車后果。操作者要明確所處位置，目前設備實際載荷等參數，要求設備具有過載保護，發動機運行狀況實時監測。如用傳統控制系統使系統復雜。如圖1所示。

圖1：混合液排除壓力控制框圖

輸出輸入點數估算是影響PLC選型的重要因素，I/O點數通常根據統計輸入輸入點數，增加10%的可擴展余量。存儲器容量估算是進行一定預見，是PLC提供硬件存儲單元大小，存儲器容量應大于程序容量，要使用應用程序未進行編寫，選型中合理考慮程序容量，采用存儲器容量代替。CPU選型考慮存儲器容量，對大型設備需要足夠CPU運算速度，如方藥系統設計軟件考慮使用雙CPU冗余設計。從系統經濟性考慮，選擇需要通訊方式，考慮PLC系統網絡布局。輸出輸入模塊選擇要考慮統一應用需求，如繼電器輸出模塊具有價格低，較長響應時間；輸出模塊交流輸出與模擬量輸出要求相同。

4 基于PLC技術的混砂車控制系統

混砂壓裂施工作業，利用地面配置罐將清水與基液混合，混合罐根據需要配置壓裂液，輔助添加系統可以按要求提供添加劑，利用排砂泵按要求向壓裂泵車泵送不同黏度壓裂液，混砂車是壓裂機組核心設備。混砂車性能取決于混合液質量，需要精確控制原料加入量。首先需要考慮負載驅動方式。

混砂車負載采用液壓驅動，液壓驅動具有操作靈活方便，可靠性強等特點，傳動系統動力來自車臺發動機，為液壓泵提供動力，達到對吸入泵，攪拌器，螺旋輸紗器等執行元件控制。左右螺旋輸紗器采用不同液壓泵驅動，混合罐攪拌器存在時間差異，采用單獨液壓泵驅動。需由節流閥組合調節閥達到控制目的。控制系統負載由液壓馬達驅動，吸入排除砂泵，液添泵I,II，混合罐液體攪拌器等負載特點為液壓馬達輸出扭矩不變，功率與驅動負載轉速成正比。通過執行元件液壓油缸驅動輸紗器升降，液壓缸輸出恒推力，需無級調速。如表3所示。

表3：混砂車液壓控制系統技術參數

混砂車壓裂施工中要求實現順序啟動，壓裂作業對壓裂液質量要求較高，上位機進行參數設定，包括混合罐液位高度，排出砂泵排出壓力等。PLC控制器按輸入參數控制液壓馬達排量，自動控制方式下實現自動順序啟動，開啟液壓油箱出口閥門，延時1s為保證液壓泵充滿液壓油，液體漫過攪拌器，延時5s連接排除砂泵離合器。壓裂施工后順序關閉各部分。關閉吸入液壓泵與添加劑液壓泵入口閥門。延時5s后斷開攪拌器聯軸器器I,II，最后關閉車臺發動機實現完成壓裂施工。

采用PLC與上位機結合控制方式，PLC良好控制性能廣泛應用于現代工業自動化控制系統，可直接控制數字量，上位機可實現工藝管理等實時監控管理功能。市場上廣泛運用的PLC廠家有西門子，羅克韋爾等，研究選擇羅克韋爾公司生產PLC，控制系統主控制器采用ControlLogix型PLC，利用觸摸屏為監控界面，是當前控制系統通用方式。控制系統由直接控制與上位監控級控制組成。監控級完成系統工作參數設定，工藝過程控制等工作。監控系統通過以太網與PLC相連，分層控制系統保證控制系統可靠性。

控制器需要采集信號包括模擬量與數字量，需要對混砂車液壓控制系統信號進行分析。混砂車液壓控制系統中數字量時間數量為離散物理量。控制系統硬件包括控制器及對信息采集的傳感器。研究混砂車液壓控制系統控制點較多，選用羅克韋爾公司ControlLogix系列PLC，各模塊相互獨立，PLC模塊配置靈活，易于維護等優點，可通過以太網進行聯網，成為油田設備自動化控制器的核心。ControlLogix擴展高效的工程軟件，具備模塊點數密度高，結構緊湊等特點。

5 結語

PLC控制技術在石油機械液化系統應用解決傳統液壓系統易發生的安全問題，合理避開氣控元件安裝復雜等缺點。利用PLC可對設備實時監測，使設備增加報警等多種功能，降低設備故障引起風險。基于PLC的石油機械液壓控制系統根據獨立式技術參數等，設計功能完善的PLC控制系統，實現作業自動完成。通過PLC控制液壓系統工作，降低工人勞動強度，提高作業安全性。液壓系統采用差動回路，實現快速起升作業。