石油鉆機泥漿泵試驗裝置控制系統

鄭連亮，張思龍，郝洪亮

（渤海石油裝備制造有限公司遼河鉆采裝備分公司，遼寧盤錦 124010）

0 引言

泥漿泵是石油鉆采裝備中的重要設備之一，具有負荷大、連續運轉時間長的特點。泥漿泵在裝配過程中通常會出現密封件安裝不良、機械安裝間隙過小過緊、運轉時出現異響等問題，這些問題會導致泥漿泵在使用過程中出現密封件刺漏、機械連接處發熱甚至泥漿泵停轉，嚴重影響鉆井隊的施工進度，同時造成巨大的經濟損失。泥漿泵試驗裝置是檢驗泥漿泵的裝配是否符合出廠標準的設備，通過試驗裝置可以在生產車間內及時發現類似問題并處理，提高泥漿泵的出廠合格率。

泥漿泵試驗裝置通過交流變頻調速器驅動交流變頻電機帶動泥漿泵運轉，按照系統的控制要求和工藝流程，采用西門子公司的PLC 作為核心控制器，通過硬件電路和軟件程序，實現電氣參數和試驗數據的采集、分析、報警，最終對相關記錄數據自動存檔。

1 設計要求

泥漿泵試驗裝置能夠滿足800 HP、1300 HP、1600 HP 系列泥漿泵滿功率試驗，機械傳動部分采用單級、單速傳動機構，主電機使用600 V、1200 kW 三相交流變頻電機，實現泥漿泵泵沖0～120 沖可調節功能。控制系統通過對輸出管線上節流閥的開/合大小調節實現泥漿泵泵壓的控制。試驗裝置需要采集的參數有：泵沖、泵壓、輸入轉速、輸入功率、輸出排量、主電機電流環境溫度、軸承溫度等，同時具有實時監控、記錄和打印等功能。

2 設計原理

泥漿泵試驗裝置是一個典型的電驅傳動結構，機械傳動部分由交流變頻電機、聯軸器、減速機、泥漿泵、輸入/輸出管線、節流閥、泄壓閥、安全閥、水罐組成。電氣傳動部分由網電側箱式變壓器、斷路器柜、主電機整流柜、主電機逆變柜、PLC 控制器、觸摸屏、工控機和節流閥控制變頻器等組成。其特點為運行穩定，結構簡單，安全系數高，占地面積小，泥漿泵上/下試驗裝置時安裝方便。

根據試驗裝置的傳動方式確定相應的試驗流程，試驗流程如圖1 所示。首先在觸摸屏工控機的操作界面發出起動泥漿泵指令，高壓網電側變壓器提供的工頻交流600 V 電源經過變頻器整流再逆變后，形成頻率可調節電源并作用到泥漿泵主電機上，動力通過減速箱及聯軸器作用到泥漿泵上，使泥漿泵能夠達到需要的泵沖。然后在觸摸屏工控機的操作界面上設定試驗需要的泵壓，如5 MPa，控制系統通過壓力傳感器反饋值與設定值作比較，閉環控制，經過PID 調整實際泵壓值，使泵壓穩定在5 MPa。試驗過程中可根據需要在安全范圍內通過工控機設定任意泵壓，直到達到試驗目的。試驗過程中若泵壓超出試驗范圍，控制系統會自動控制泄壓閥泄壓，同時停止泥漿泵電機運轉達到保護目的。試驗時以水代替泥漿進行運轉試驗。

圖1 試驗流程

3 驅動系統設計

驅動系統變頻器采用西門子S120 系列產品，由1 套1600 A進線單元、1 套1500 kW 整流單元和1 套1200 kW 逆變單元組成，各單元為模塊化結構，出現故障時可快速進行更換。變頻器主控制器為CU320-2 PN，軟件和參數保存在可插拔的儲存卡上，設備上的選件槽可以提供更多端子或用于轉接上級控制器的不同通信接口，控制單元與相關組件（電機模塊、電源模塊、編碼器模塊、端子模塊等）間的通信通過系統內部的DRIVE-CLiQ接口進行。整流單元和逆變單元柜門上分別安裝AOP30 操作鍵盤，可以在變頻器本地進行參數設定和設備調試，同時可以顯示運行狀態數據、診斷故障和報警功能。變頻器控制方式集V/F 控制、矢量控制和伺服控制為一體，系統采用矢量控制方式。S120 變頻器的調試軟件為Starter，Starter 具備可視化界面，調試過程快速而簡單，內部嵌套故障分析和圖形化工具，綜合檢測和診斷功能強大。電源由整流單元將交流母排上的600 V 交流電轉換成810 V 直流電，輸出到直流母排上，再由逆變單元將直流母排上的810 V 直流電轉換成電壓0～600 V、頻率0～150 Hz 連續可調的交流電，泥漿泵交流變頻電機采用一對一控制方式。

4 控制系統硬件結構

控制系統使用西門子S7-1500 系列PLC 模塊，硬件穩定性好，功能強大，性價比高，可以在環境惡劣的工況下長時間穩定工作，采用雙PLC 冷備冗余方案，當1 路PLC 出現故障時可以手動切換到備用PLC，保證整個試驗過程的連續性。每套控制系統包括1 個CPU1511-1PN、1 個16DI/16DO 數字量輸入輸出模塊和2 個8AI 模擬量輸入模塊。PLC 主站通過PROFINET 總線網絡連接泥漿泵變頻器、節流閥變頻器、溢流閥變頻器和HMI 設備。泥漿泵主電機散熱風機、主電機風壓保護、主電機檢修開關、泥漿泵噴淋泵等輔助控制回路在控制柜內使用繼電器、接觸器等電氣元件搭建。控制系統硬件架構如圖2 所示。

圖2 控制系統硬件架構

5 控制系統軟件設計

泥漿泵試驗裝置控制系統軟件主要由主站PLC 和觸摸屏部分組成，兩部分程序均是采用西門子TIA Portal 軟件編寫和組態。基于硬件平臺并根據試車裝置工藝流程編寫軟件程序。軟件程序主要由主程序、子程序、邏輯功能塊、故障診斷程序和通信程序等組成。主程序主要負責對各子程序、邏輯功能塊的調用和對系統參數的初始化，子程序用來完成對各數字量和模擬量信號進行處理，例如主電機風機啟動、主電機轉速調節、壓力檢測、溫度檢測等，從而實現系統的恒泵壓控制，達到泥漿泵試車的目的。通信程序用來完成PLC 和觸摸屏之間、PLC 和變頻器之間的通信功能。PLC 通信硬件組態如圖3 所示。

圖3 PLC 通信組態

泥漿泵詳細控制方法如下：

（1）啟動前，PLC 判斷泥漿泵是否有使能信號，沒有使能信號的泥漿泵為待啟動設備。

（2）PLC 判斷泥漿泵是否有泵沖信號，沒有泵沖信號的泥漿泵為待啟動設備。

（3）經過步驟1 和步驟2 檢測，若有使能信號或泵沖信號，需要將使能信號和泵沖信號清零后，使泥漿泵主電機處于零速狀態，泥漿泵處于靜止狀態。

（4）通過觸摸屏按鍵發送泥漿泵主電機散熱風機、噴淋泵、注油泵啟動信號，通過馬達控制中心抽出式開關柜，控制泥漿泵主電機散熱風機、噴淋泵、注油泵電機運行。

（5）泥漿泵主電機散熱風機運行后，在泥漿泵主電機接線箱內建立風壓。

（6）安裝在主電機接線箱內的風壓開關通過檢測建立的風壓大于外部標準大氣壓，進一步確認風壓已經建立，并將反饋信號發送給PLC。

（7）PLC 接收到反饋信號后，判斷泥漿泵主電機檢修開關是否處于關閉狀態，判斷泥漿泵急停按鈕是否處于關閉狀態，當全部條件滿足后，PLC 給泥漿泵變頻器發送使能信號，泥漿泵變頻器接收到使能信號后處于使能狀態。

（8）通過觸摸屏按鍵給PLC 發送泥漿泵泵沖指令，PLC 經過換算處理后將泵沖指令轉換成電機轉速指令發送給變頻器，變頻器接收到指令后驅動泥漿泵主電機轉動。

（9）試驗人員可根據實際需要調節泥漿泵泵沖。

（10）試驗人員在觸摸屏上設定需要的泵壓值，將泵壓值發送到PLC。

（11）PLC 接收到指令后自動調節節流閥變頻器，控制節流閥開啟大小，調整管路壓力，并通過管路上安裝的壓力傳感器將反饋信號傳輸至PLC，實現閉環控制。

（12）泵壓穩定后，測試試驗正式開始，需記錄試壓開始時間。

（13）泥漿泵本體安裝的各溫度傳感器和壓力傳感器將數據傳輸至PLC，PLC 經過數據轉換后形成記錄表和曲線圖供試驗人員讀取，并定期存檔相關數據。

（14）試驗過程中若溫度傳感器檢測到軸承溫度達到一定預先設定值，控制系統發出報警，提醒試驗人員，若軸承溫度過高，達到停機設定值，控制系統會使泥漿泵停止運行，提前結束試驗，防止造成設備損壞。

（15）試驗完成后或試驗過程中泥漿泵泵壓若出現異常升高，超過PLC 預設定的警告值，PLC 將通過溢流閥變頻器控制溢流閥打開泄壓，直至壓力降至符合試驗要求，可繼續試驗或重新開始試驗。

6 現場試驗

為驗證泥漿泵試驗裝置工作的可靠性，對泥漿泵試驗裝置進行現場試驗。在廠房一側搭建試車平臺及周邊防護設施，設備的機械部分安裝到位，同時電控系統安裝調試完畢后，進入泥漿泵試車臺試驗階段。為滿足試車裝置主電機交流600 V 電壓要求，在380 V 市電基礎上增加380 V/600 V 1600 kV·A 三相升壓變壓器，每相采用2 根270 mm2電纜為電控系統提供進線電源，變頻器出線每相采用2 根270 mm2帶屏蔽層電纜。正式試驗開始前，先進行設備試運轉，分別調節泥漿泵泵沖為30 沖和60沖，不帶壓力，運行15 min，調節節流閥，使壓力緩緩提升，運行15 min，打開溢流閥，釋放掉泵壓，待控制系統各功能均能滿足要求時，正式進行試驗。按照試驗流程，試驗共計進行3 h，部分試驗數據曲線如圖4 所示。

圖4 部分試驗數據曲線

通過現場試驗數據曲線可以看出，軸承溫度在正常工作范圍內。同時試車過程中泥漿泵未出現刺漏現象，從而驗證了試車裝置能夠對泥漿泵的機械性能進行有效驗證。

7 結束語

通過分析泥漿泵試驗裝置的試驗流程，按照試驗流程要求搭建一套由西門子S120 系列變頻器和西門子S7-1500 系列PLC 硬件組成的控制系統，控制系統采用TIA Portal 軟件進行PLC 程序和HMI 人機界面的編寫，通過軟件程序實現泥漿泵啟/停控制、泵沖控制、泵壓控制以及節流閥和溢流閥的自動控制，使泥漿泵在保持一定泵壓（模擬載荷）的工況下，經過試驗流程，最終檢測泥漿泵裝配是否符合出廠的要求，通過現場試驗驗證整套控制系統的可行性。