梁維剛，袁 健，張慧杰

（1.川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司，陜西西安 710018；2.川慶鉆探工程有限公司國際工程公司，四川成都 610056）

0 引言

隨著信息技術的發(fā)展，自動化、智能化設備不斷引入鉆井行業(yè)，可編程控制器（PLC）和現(xiàn)場總線技術在鉆機控制中得到了普及應用。在鉆機氣電控制系統(tǒng)，利用PLC 的高可靠性、模塊化結構以及編程簡單等特點，將其作為控制器，以電磁閥為執(zhí)行器構成控制系統(tǒng)，完成液路、氣路的實時采集和控制任務。該系統(tǒng)控制響應速度快，可靠性高，極大地提高了鉆井效率。但控制邏輯比較復雜，生產(chǎn)過程中一旦某個控制元件出現(xiàn)故障，定位故障點比較麻煩，再加之多數(shù)石油鉆井行業(yè)作業(yè)人員習慣純氣路控制系統(tǒng)的日常維修保養(yǎng)，不熟悉電氣控制邏輯及線路故障，導致故障排除時間長，長時間停鉆，影響鉆井生產(chǎn)進度。

1 西門子控制系統(tǒng)及觸摸屏概況

1.1 SIMATIC S7-300

PLC S7-300 是一款由西門子為中小型控制系統(tǒng)研發(fā)的小型模塊化PLC 系統(tǒng)，能滿足中等系統(tǒng)控制的應用要求?？筛鶕?jù)實際需要選用相應的模塊，建立起針對不同控制系統(tǒng)的PLC 控制結構，組合更方便，結構更簡單，具有組合多樣性的特點。

1.2 西門子觸摸屏

SIMATIC 人機界面（HMI）從對應的S7-300 可編程控制器中讀取數(shù)據(jù)，S7-300 可編程控制器按編程人員設定的刷新速度傳輸數(shù)據(jù)。S7-300 可編程控制器操作系統(tǒng)能通過自動模式處理數(shù)據(jù)的傳輸與接收。

1.3 西門子分布式I/O ET200

模塊化的ET200S 分布式I/O 系統(tǒng)，是離散型、高度靈活的DP 從站，在設備控制系統(tǒng)中主要與中央控制器CPU 通過現(xiàn)場總線連接。ET200S 模塊支持現(xiàn)場總線PROFIBUS DP，可以將任意數(shù)量的I/O 模擬量、數(shù)字量模塊以任意組合連接到可編程邏輯控制器（PLC）。

2 原控制系統(tǒng)

2.1 原控制系統(tǒng)功能

鉆機氣路控制系統(tǒng)以西門子S7-300PLC 作為核心控制器，通過司控房操作系統(tǒng)對閥島控制實現(xiàn)各個氣路的動作。系統(tǒng)具備鉆井工藝操作及參數(shù)顯示、報警、系統(tǒng)故障報警及緊急剎車保護等功能，并且?guī)в腥哂噙壿嬁刂葡到y(tǒng)，保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。氣路控制系統(tǒng)還建立了絞車檔位互鎖保護、防碰天車保護，滾筒高低速互鎖保護、盤剎剎車與滾筒離合保護等功能，防止誤操作。人機界面采用西門子公司的寬視角西門子觸摸屏，實現(xiàn)人機對話，實時顯示系統(tǒng)各部件工作狀態(tài)。

2.2 原控制系統(tǒng)缺點

原控制系統(tǒng)是一個開環(huán)開關量控制系統(tǒng)，只采集輸入端口信息，按照一定的軟件邏輯控制輸出端口的狀態(tài)并在觸摸屏上顯示輸入輸出狀態(tài)。沒有顯示執(zhí)行器的邏輯也沒有閥島箱執(zhí)行器工作情況的反饋信息，操作人員只能根據(jù)鉆機的動作判斷執(zhí)行器工作是否正常。有的執(zhí)行器的邏輯比較復雜，當條件達到時才能動作。而且復雜的邏輯必須經(jīng)過長時間學習才能熟練掌握，由于井隊人員的流動性導致每個新的操作人員和維修人員都要重新學習新鉆機的控制邏輯，才能在鉆井過程中快速排查問題。

3 新控制系統(tǒng)

3.1 概述

新系統(tǒng)通過檢測PLC 端口的輸入與輸出情況，直接在顯示屏上增加每路執(zhí)行器控制邏輯的顯示，可直觀地在顯示屏上觀察到每個執(zhí)行器需要的輸入信號及輸入信號是否正常；同時在閥島箱每路執(zhí)行器控制信號和輸出安裝檢測反饋信息，執(zhí)行器的工作情況通過安裝在閥島箱里的ET200S 采集后與司鉆房PLC 通信，將每路執(zhí)行器的控制信號和輸出反饋信息傳輸PLC供觸摸屏顯示反饋信息，每路執(zhí)行器都形成閉環(huán)，并在屏上直觀顯示。當反饋異常時，彈出報警文本，提示故障點位置，維修人員可通過顯示屏直接顯示每路執(zhí)行器的輸入輸出及反饋情況，定位故障點，節(jié)省排查時間。新系統(tǒng)工作流程見圖1。

圖1 新系統(tǒng)工作流程

3.2 閥島箱

在原有氣路閥島控制系統(tǒng)基礎上，每個氣路執(zhí)行器閥片增加一個氣路信號反饋采集器，采集執(zhí)行器閥片動作后的氣源輸出情況，另增加一個執(zhí)行器閥片控制信號采集單元，用于采集執(zhí)行器閥片輸入信號。

3.3 觸摸屏顯示

觸摸屏既可以顯示輸入輸出狀態(tài)，又可以顯示每路執(zhí)行器的控制邏輯，將軟件邏輯以圖形形式在觸摸屏顯示。有輸出時，相應執(zhí)行器的輸出控制信號反饋和氣路反饋同時在觸摸屏上顯示。反饋信息異常時，觸摸屏彈出報警畫面提示維修人員故障點位置。

電路反饋代表控制執(zhí)行器的控制信號到達執(zhí)行器控制信號端，氣路反饋代表執(zhí)行器輸出工作狀態(tài)。

執(zhí)行器出現(xiàn)問題時，首先查看觸摸屏的輸入信號和保護信號，若輸入信號和保護信號異常，可檢查出現(xiàn)問題的線路；若輸入和保護信號正常，查看執(zhí)行器控制信號反饋，控制信號反饋異常代表從控制器輸出端口到執(zhí)行器控制信號有問題，控制信號反饋正常但氣路反饋異常代表執(zhí)行器本身出現(xiàn)了問題，都正常說明控制系統(tǒng)正常，檢查其他機械問題。

4 結語

新系統(tǒng)在寶雞石油機械有限責任公司的50LDB 及40LDB鉆機上安裝調(diào)試，經(jīng)培訓后，現(xiàn)場模擬故障，在操作人員及維護人員不清楚故障點的情況下，幾分鐘內(nèi)就能判斷出故障點位置，模擬十幾次未出現(xiàn)判斷失誤，達到了預期效果。