刁東

【摘 要】對于初期的PLC來說，在制定設(shè)計方案前首先需要對系統(tǒng)的硬件配置進行明確，而后利用其標準編程軟件，即STEP7，生成適應(yīng)于硬件系統(tǒng)的系統(tǒng)，當完成上述步驟后即可進行軟件編程，通過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，使故障得到及時的發(fā)現(xiàn)和糾正，進而避免事故的發(fā)生，保障石油鉆井的安全性。

【關(guān)鍵詞】石油鉆機 PLC 應(yīng)用 研究

鉆井行業(yè)是國民經(jīng)濟生產(chǎn)的重要支柱之一，其自動化的發(fā)展備受關(guān)注。鉆機PLC控制系統(tǒng)結(jié)合運用了計算機、控制、電子、檢測等科技成果，是鉆機控制系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢，也是鉆井自動化發(fā)展的重要組成部分。鉆機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，為鉆機技術(shù)改造打開了新思路。因此，對于鉆機PLC控制系統(tǒng)應(yīng)用的研究，具有很大的現(xiàn)實意義。

1鉆機 PLC控制系統(tǒng)概述

上世紀七八十年代，鉆機控制系統(tǒng)主要是通過氣動和液壓控制來實現(xiàn)，隨著科技的發(fā)展，鉆機控制系統(tǒng)逐漸發(fā)展成為機、電、氣、液一體化控制系統(tǒng)。鉆機的一體化控制系統(tǒng)主要包括傳動控制、動力控制、電力、儀表、電動機控制中心等幾個方面。其中，IPC、PLC、HMI為系統(tǒng)核心，結(jié)合傳感器、控制器、電氣元件、電氣液動閥件、控制總線等組成執(zhí)行機構(gòu)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。司鉆控制中心可以通過PLC實現(xiàn)鉆機的控制功能，包括絞車電機、鉆井泵電機、泥漿泵電機、轉(zhuǎn)盤電機、自動送鉆系統(tǒng)以及其他輔助設(shè)備的控制，從而實現(xiàn)高標準的恒速、恒壓送鉆。

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

2鉆機PLC控制系統(tǒng)的工作原理

2.1控制系統(tǒng)處于啟動或待機狀態(tài)：如果電源總開關(guān)開啟時，電源系統(tǒng)就開始正常運作，PLC開始工作，首先進行檢測，檢查各設(shè)備的輸入狀態(tài)并輸出的電路，各元件進入運行準備階段。檢測結(jié)束后，PLC處于待機狀態(tài)。

2.2控制系統(tǒng)的行走控制：鉆機處于行走狀態(tài)時，操作行走手柄，通過PLC的控制，行走電磁閥會導(dǎo)通，液壓馬達開始工作，可以實現(xiàn)鉆機的行進功能。

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

2.4控制系統(tǒng)的鉆進控制。當開關(guān)處于鉆進位置時，操作鉆進調(diào)整手柄，通過PLC控制，可以導(dǎo)通電磁，實現(xiàn)鉆進功能。

2.5控制系統(tǒng)的接桿控制。當開關(guān)處于接桿位置時，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。開關(guān)置于卸桿位置時，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，在鉆機工作過程中，若果控制系統(tǒng)發(fā)生故障，PLC會及時發(fā)出警報，操作人員可以迅速按急停按鈕，停止鉆機的運行，最大程度的降低經(jīng)濟損失，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)，因而若在鉆井過程中出現(xiàn)問題，輕則拖延工作進度，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以及主控制臺，且集鉆機液、氣、電控制于一身，同時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、監(jiān)控以及實時的顯示鉆井參數(shù)，操控鉆機等功能；主站則位于電控房中，電控房內(nèi)包括有整流柜、發(fā)電機柜、VFD柜和PLC控制柜等設(shè)備[1]。

3.1 硬件組態(tài)

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

3.2 軟件編程

變頻鉆機所采用的系統(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、測試、編程、診斷、運行、維護、配置硬件以及設(shè)置參數(shù)等功能。此外，基于對該系統(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)具備遠程監(jiān)控以及冗余備份等功能。由于受石油鉆機電控裝置控制的目標較多且其各自間存在著聯(lián)系，同時其對控制的要求也較為復(fù)雜，因此，對于數(shù)目眾多的控制目標，若單純采取直線獨立結(jié)構(gòu)進行編程將導(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)或是可反映過程的功能及工藝，基于每個任務(wù)都有其對應(yīng)的程序塊，當運行程序的時候，將會有大量的變量與數(shù)據(jù)涌進并存儲于數(shù)據(jù)塊當中[2]。

雖然所有程序塊都具有相對獨立性，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。在編程的過程時，分析該類具有相似性功能的程序塊，并利用FB功能塊與FC功能等實現(xiàn)程序塊的獨立構(gòu)成，通過調(diào)整各個功能與功能塊，使控制目標的功能能夠得以實現(xiàn)。此外，拋棄復(fù)雜的程序結(jié)構(gòu)，對程序結(jié)構(gòu)進行大量簡化將有助于檢測與分析裝置故障。該軟件系統(tǒng)可判斷的故障種類高達130種以上，實現(xiàn)了智能控制[3]。

4鉆機系統(tǒng)的各項主要功能

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

4.1 軟件冗余

通過簡單的軟件機制，當冗余從站接口出現(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)故障問題時，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行考慮，基于主備系統(tǒng)對于切換時間的要求較低，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，同時也可使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到提高。

4.2 人機界面

通過軟件組態(tài)，可顯示所有電機運行中的邏輯情況和設(shè)備運行情況，同時還可對現(xiàn)場設(shè)備的運行情況進行監(jiān)控，將其中存在問題的部分匯入故障頁當中，以方便對故障進行定位和維修工作。人機界面顯示面板有兩個，一個位于司鉆室，另一個則位于電控房。

4.3 轉(zhuǎn)盤控制

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

4.4 泥漿泵控制

通過司鉆室面板，工作人員可利用Profibus-DP把信號輸送至控制站S7-300 CPU模塊，并實現(xiàn)對泥漿泵主電機、風(fēng)機以及噴淋泵的啟動、速度設(shè)定、停止等操控，包括相應(yīng)的聯(lián)鎖保護。當泥漿泵風(fēng)機啟動后，需待其風(fēng)壓開關(guān)閉合后才可啟動泥漿泵主電機[5]。另外，由于電機耗損功率較大，將會產(chǎn)生較高的熱量，若熱量過高將會對電機正常運行造成影響，因此需要進行風(fēng)冷。

5結(jié)語

在石油鉆井當中，石油鉆機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。石油鉆機通常由旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、動力驅(qū)動系統(tǒng)、鉆機底座、起升系統(tǒng)、鉆機輔助設(shè)備系統(tǒng)、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)以及傳動系統(tǒng)等八個系統(tǒng)組成。其傳動系統(tǒng)通過運用內(nèi)設(shè)PLC的智能氣動閥饑，全數(shù)字控制技術(shù)、三級網(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、智能化和自動化的鉆機控制系統(tǒng)以及設(shè)備管理系統(tǒng)平臺，不僅將鉆井儀表參數(shù)的記錄、顯示和存儲結(jié)合了起來，還完成了遠程通訊鉆機信息系統(tǒng)及對鉆機電、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

[1] 羅耿，朱成平.PLC與變頻器實現(xiàn)多級頻率定值控制[J].儀器儀表用戶，2017，7（01）：86

[2] 胡剛，呂卿.PLC-變頻器控制系統(tǒng)典型故障分析[J].交通標準化，2018，2（16）：121-123

[3] 趙建平.西門子S7―400H熱冗余PLC在石油鉆機中的應(yīng)用[J].電氣應(yīng)用，2017，9（10）：24-31

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

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