PLC 與無線傳輸的固控在線監測與診斷技術

張 青，胡小剛，馬永恒，芮 暉，方陳靖，霍春亮，廉 哲

（1.中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司石油機械廠，河北滄州 062550；2.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第二鉆井工程分公司，河北廊坊 065006）

0 引言

目前國內石油鉆機固控系統配備振動篩、砂泵等用電設備數量眾多，現場工作強度大，設備無法及時監測能耗及故障監測，實際使用中缺乏有效節能手段、設備輔助維護系統及設備集成控制與故障診斷。隨著石油工業要求“標準化、專業化、機械化、信息化”的四化建設、石油鉆采技術的不斷發展及國家對裝備智能化的要求，石油鉆機固控裝備系統信息化應運而生。現階段石油鉆機固控系統實際工況存在粗放型管理模式，固控裝備存在自動化程度低、使用不規范、監測不到位、粗放使用、故障提前診斷不到位等問題，現階段狀況都會影響固控設備故障，嚴重影響石油采油效率。為加快石油鉆采行業信息化建設，加快我國石油工業的信息化，搭建一個能夠在石油鉆采固控系統中在線監測與診斷的系統是十分重要[1]。

1 研究現狀

針對現階段石油鉆機固控系統，建立一個以無線網絡互聯、終端設備采集、PLC 遠程節能控制、數據的儲存、故障的在線診斷等功能融合的自動化系統來實現在線監測與診斷。在線監測與診斷系統分為數據采集層、數據傳輸層、數據存儲層、數據控制監測層與數據輔助診斷層。通過物聯網與PLC 實現控制、檢測與診斷固控設備[2-3]。

目前，石油鉆機固控系統向信息化與智能化必將是采油裝備中的前沿方向之一。

2 數據采集層

主要用于石油鉆機固控供配電設備狀態信號的數據采集和控制。設備層由智能監測控制動作器集成在終端隔爆、防爆箱內，且集成可靠無線傳輸模塊PROFINET 進行通信，達到對檢測設備的狀態、能耗、控制等數據信息可靠傳輸與接收[4]。

3 數據傳輸層

網絡傳輸層是系統信息交換的橋梁，使系統能適應不同的通信網絡拓撲結構。主要由終端無線收發設備、上位機數據交換機、數據存儲等組成。傳輸采用工業級無線傳輸AP（終端無線接入點），通過無線網絡協議對數據快速傳輸與采集。

數據傳輸層實現與數據采集層的設備通信，收集固控設備的信息，同時實現與上位機信息交換，傳輸對設備的檢測與控制信息。

4 實時監測與診斷系統

論述的是對鉆采固控系統用電設備的在線監測與診斷，從數據的采集、傳輸、儲存與處理搭建一套智能信息化PLC 系統[5]。由于鉆采環境及使用環境惡劣，場地受限，噪聲及干擾嚴重，所以搭建可靠使用便捷的智能系統主要分為硬件與軟件系統[6]。

4.1 硬件系統

硬件系統由上位機防爆觸摸一體電腦、S7-1500 PLC、交換機、硬盤錄像機組成，上位機防爆觸摸一體電腦、S7-1500 PLC與硬盤錄像機之間通過交換機通信，PLC 控制系統硬件配置如圖1 所示。

圖1 PLC 控制系統

4.1.1 設備終端無線采集與控制

防爆控制箱由無線網關、網關電源、斷路器、接觸器控制器、接觸器、熱過載繼電器組成，攪拌器終端控制如圖2 所示。

圖2 攪拌器終端控制

4.1.2 PLC 上位機控制系統

PLC 采用西門子S7-1500 PLC 控制器，S7-1500 PLC 控制板如圖3 所示。

圖3 PLC 控制板

4.1.3 攪拌器間歇節能智能控制系統

通過智能型控制終端可以控制攪拌器電機間歇工作，系統具備電機過載、過流保護，可實現攪拌器按照程序自動運行。攪拌器間歇控制電路如圖4 所示。

圖4 攪拌器間歇控制

4.2 軟件系統

系統輸入為終端采集信息，經過發送無線數據包，經過無線上位機系統分析來對所有固控設備運行進行在線監測與診斷。通過PLC 順序邏輯編程軟件確定各個控制與檢測邏輯順序，最后由軟件自生成軟件程序。

軟件系統通過提取的設備運行電壓信號、電流信號等數據進行監控，同時可對設備間歇節能控制、啟停遠程控制、故障報告、維護提醒。

4.2.1 固控系統采集應用

以鉆探ZJ80 鉆機為依托，應用實時在線監測與診斷系統，井場固控系統信息采集方案平面如圖5 所示。

圖5 井場固控平面

4.2.2 實施結果

（1）電能質量監測：可顯示線路諧波、相角矢量圖，實時監測運行狀況與能耗（圖6）。

圖6 在線實時運行與能耗監測界面

（2）電氣設備監測與存儲：運行數據、歷史數據、數據報表等進行查詢和展示功能。設備實時監測與存儲界面如圖7 所示，監測數據歷史曲線界面如圖8 所示。

圖7 設備實時監測與存儲界面

圖8 監測數據歷史曲線界面

（3）攪拌器節能間歇控制系統：實現攪拌器智能化、定時攪拌、交替運行的控制，攪拌器間歇控制系統界面如圖9 所示。

圖9 攪拌器間歇控制系統界面

（4）輔助故障診斷及維護提醒：故障提醒管理主要通過對設備的運行狀況與運行時間進行輔助診斷與維護提醒，設備運行超過一定時間需要維護保養，設備運行時突然停機故障做到輔助診斷，通過上位機直觀反應故障信息。

5 結束語

通過軟件與硬件的結合，基于PLC 平臺建立一個能夠顯著提升固控現場管理、在線監測與診斷的系統，此系統信息化、直觀化、自動化程度高，同時可顯著降低勞動強度，輔助工人診斷初期突發性故障診斷，保障了石油鉆采設備運行，提高了鉆井效率。