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(shè)備之一，具有負(fù)荷大、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)。泥漿泵在裝配過程中通常會(huì)出現(xiàn)密封件安裝不良、機(jī)械安裝間隙過小過緊、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)異響等問題，這些問題會(huì)導(dǎo)致泥漿泵在使用過程中出現(xiàn)密封件刺漏、機(jī)械連接處發(fā)熱甚至泥漿泵停轉(zhuǎn)，嚴(yán)重影響鉆井隊(duì)的施工進(jìn)度，同時(shí)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。泥漿泵試驗(yàn)裝置是檢驗(yàn)?zāi)酀{泵的裝配是否符合出廠標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，通過試驗(yàn)裝置可以在生產(chǎn)車間內(nèi)及時(shí)發(fā)現(xiàn)類似問題并處理，提高泥漿泵的出廠合格率。

泥漿泵試驗(yàn)裝置通過交流變頻調(diào)速器驅(qū)動(dòng)交流變頻電機(jī)帶動(dòng)泥漿泵運(yùn)轉(zhuǎn)，按照系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)電氣參數(shù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、分析、報(bào)警，最終對(duì)相關(guān)記錄數(shù)據(jù)自動(dòng)存檔。

1 設(shè)計(jì)要求

泥漿泵試驗(yàn)裝置能夠滿足800 HP、1300 HP、1600 HP 系列泥漿泵滿功率試驗(yàn)，機(jī)械傳動(dòng)部分采用單級(jí)、單速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，主電機(jī)使用600 V、1200 kW 三相交流變頻電機(jī)，實(shí)現(xiàn)泥漿泵泵沖0～120 沖可調(diào)節(jié)功能?？刂葡到y(tǒng)通過對(duì)輸出管線上節(jié)流閥的開/合大小調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)泥漿泵泵壓的控制。試驗(yàn)裝置需要采集的參數(shù)有：泵沖、泵壓、輸入轉(zhuǎn)速、輸入功率、輸出排量、主電機(jī)電流環(huán)境溫度、軸承溫度等，同時(shí)具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、記錄和打印等功能。

2 設(shè)計(jì)原理

泥漿泵試驗(yàn)裝置是一個(gè)典型的電驅(qū)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，機(jī)械傳動(dòng)部分由交流變頻電機(jī)、聯(lián)軸器、減速機(jī)、泥漿泵、輸入/輸出管線、節(jié)流閥、泄壓閥、安全閥、水罐組成。電氣傳動(dòng)部分由網(wǎng)電側(cè)箱式變壓器、斷路器柜、主電機(jī)整流柜、主電機(jī)逆變柜、PLC 控制器、觸摸屏、工控機(jī)和節(jié)流閥控制變頻器等組成。其特點(diǎn)為運(yùn)行穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全系數(shù)高，占地面積小，泥漿泵上/下試驗(yàn)裝置時(shí)安裝方便。

根據(jù)試驗(yàn)裝置的傳動(dòng)方式確定相應(yīng)的試驗(yàn)流程，試驗(yàn)流程如圖1 所示。首先在觸摸屏工控機(jī)的操作界面發(fā)出起動(dòng)泥漿泵指令，高壓網(wǎng)電側(cè)變壓器提供的工頻交流600 V 電源經(jīng)過變頻器整流再逆變后，形成頻率可調(diào)節(jié)電源并作用到泥漿泵主電機(jī)上，動(dòng)力通過減速箱及聯(lián)軸器作用到泥漿泵上，使泥漿泵能夠達(dá)到需要的泵沖。然后在觸摸屏工控機(jī)的操作界面上設(shè)定試驗(yàn)需要的泵壓，如5 MPa，控制系統(tǒng)通過壓力傳感器反饋值與設(shè)定值作比較，閉環(huán)控制，經(jīng)過PID 調(diào)整實(shí)際泵壓值，使泵壓穩(wěn)定在5 MPa。試驗(yàn)過程中可根據(jù)需要在安全范圍內(nèi)通過工控機(jī)設(shè)定任意泵壓，直到達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康?。試?yàn)過程中若泵壓超出試驗(yàn)范圍，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)控制泄壓閥泄壓，同時(shí)停止泥漿泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)到保護(hù)目的。試驗(yàn)時(shí)以水代替泥漿進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。

圖1 試驗(yàn)流程

3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)變頻器采用西門子S120 系列產(chǎn)品，由1 套1600 A進(jìn)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(jié)構(gòu)，出現(xiàn)故障時(shí)可快速進(jìn)行更換。變頻器主控制器為CU320-2 PN，軟件和參數(shù)保存在可插拔的儲(chǔ)存卡上，設(shè)備上的選件槽可以提供更多端子或用于轉(zhuǎn)接上級(jí)控制器的不同通信接口，控制單元與相關(guān)組件（電機(jī)模塊、電源模塊、編碼器模塊、端子模塊等）間的通信通過系統(tǒng)內(nèi)部的DRIVE-CLiQ接口進(jìn)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(jìn)行參數(shù)設(shè)定和設(shè)備調(diào)試，同時(shí)可以顯示運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、診斷故障和報(bào)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(tǒng)采用矢量控制方式。S120 變頻器的調(diào)試軟件為Starter，Starter 具備可視化界面，調(diào)試過程快速而簡(jiǎn)單，內(nèi)部嵌套故障分析和圖形化工具，綜合檢測(cè)和診斷功能強(qiáng)大。電源由整流單元將交流母排上的600 V 交流電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成電壓0～600 V、頻率0～150 Hz 連續(xù)可調(diào)的交流電，泥漿泵交流變頻電機(jī)采用一對(duì)一控制方式。

4 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)使用西門子S7-1500 系列PLC 模塊，硬件穩(wěn)定性好，功能強(qiáng)大，性價(jià)比高，可以在環(huán)境惡劣的工況下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，采用雙PLC 冷備冗余方案，當(dāng)1 路PLC 出現(xiàn)故障時(shí)可以手動(dòng)切換到備用PLC，保證整個(gè)試驗(yàn)過程的連續(xù)性。每套控制系統(tǒng)包括1 個(gè)CPU1511-1PN、1 個(gè)16DI/16DO 數(shù)字量輸入輸出模塊和2 個(gè)8AI 模擬量輸入模塊。PLC 主站通過PROFINET 總線網(wǎng)絡(luò)連接泥漿泵變頻器、節(jié)流閥變頻器、溢流閥變頻器和HMI 設(shè)備。泥漿泵主電機(jī)散熱風(fēng)機(jī)、主電機(jī)風(fēng)壓保護(hù)、主電機(jī)檢修開關(guān)、泥漿泵噴淋泵等輔助控制回路在控制柜內(nèi)使用繼電器、接觸器等電氣元件搭建?？刂葡到y(tǒng)硬件架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

泥漿泵試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)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(tài)?；谟布脚_(tái)并根據(jù)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(fù)責(zé)對(duì)各子程序、邏輯功能塊的調(diào)用和對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的初始化，子程序用來完成對(duì)各數(shù)字量和模擬量信號(hào)進(jìn)行處理，例如主電機(jī)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)、主電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、壓力檢測(cè)、溫度檢測(cè)等，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的恒泵壓控制，達(dá)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(tài)如圖3 所示。

圖3 PLC 通信組態(tài)

泥漿泵詳細(xì)控制方法如下：

（1）啟動(dòng)前，PLC 判斷泥漿泵是否有使能信號(hào)，沒有使能信號(hào)的泥漿泵為待啟動(dòng)設(shè)備。

（2）PLC 判斷泥漿泵是否有泵沖信號(hào)，沒有泵沖信號(hào)的泥漿泵為待啟動(dòng)設(shè)備。

（3）經(jīng)過步驟1 和步驟2 檢測(cè)，若有使能信號(hào)或泵沖信號(hào)，需要將使能信號(hào)和泵沖信號(hào)清零后，使泥漿泵主電機(jī)處于零速狀態(tài)，泥漿泵處于靜止?fàn)顟B(tài)。

（4）通過觸摸屏按鍵發(fā)送泥漿泵主電機(jī)散熱風(fēng)機(jī)、噴淋泵、注油泵啟動(dòng)信號(hào)，通過馬達(dá)控制中心抽出式開關(guān)柜，控制泥漿泵主電機(jī)散熱風(fēng)機(jī)、噴淋泵、注油泵電機(jī)運(yùn)行。

（5）泥漿泵主電機(jī)散熱風(fēng)機(jī)運(yùn)行后，在泥漿泵主電機(jī)接線箱內(nèi)建立風(fēng)壓。

（6）安裝在主電機(jī)接線箱內(nèi)的風(fēng)壓開關(guān)通過檢測(cè)建立的風(fēng)壓大于外部標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，進(jìn)一步確認(rèn)風(fēng)壓已經(jīng)建立，并將反饋信號(hào)發(fā)送給PLC。

（7）PLC 接收到反饋信號(hào)后，判斷泥漿泵主電機(jī)檢修開關(guān)是否處于關(guān)閉狀態(tài)，判斷泥漿泵急停按鈕是否處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)全部條件滿足后，PLC 給泥漿泵變頻器發(fā)送使能信號(hào)，泥漿泵變頻器接收到使能信號(hào)后處于使能狀態(tài)。

（8）通過觸摸屏按鍵給PLC 發(fā)送泥漿泵泵沖指令，PLC 經(jīng)過換算處理后將泵沖指令轉(zhuǎn)換成電機(jī)轉(zhuǎn)速指令發(fā)送給變頻器，變頻器接收到指令后驅(qū)動(dòng)泥漿泵主電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

（9）試驗(yàn)人員可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)泥漿泵泵沖。

（10）試驗(yàn)人員在觸摸屏上設(shè)定需要的泵壓值，將泵壓值發(fā)送到PLC。

（11）PLC 接收到指令后自動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)流閥變頻器，控制節(jié)流閥開啟大小，調(diào)整管路壓力，并通過管路上安裝的壓力傳感器將反饋信號(hào)傳輸至PLC，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

（12）泵壓穩(wěn)定后，測(cè)試試驗(yàn)正式開始，需記錄試壓開始時(shí)間。

（13）泥漿泵本體安裝的各溫度傳感器和壓力傳感器將數(shù)據(jù)傳輸至PLC，PLC 經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后形成記錄表和曲線圖供試驗(yàn)人員讀取，并定期存檔相關(guān)數(shù)據(jù)。

（14）試驗(yàn)過程中若溫度傳感器檢測(cè)到軸承溫度達(dá)到一定預(yù)先設(shè)定值，控制系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，提醒試驗(yàn)人員，若軸承溫度過高，達(dá)到停機(jī)設(shè)定值，控制系統(tǒng)會(huì)使泥漿泵停止運(yùn)行，提前結(jié)束試驗(yàn)，防止造成設(shè)備損壞。

（15）試驗(yàn)完成后或試驗(yàn)過程中泥漿泵泵壓若出現(xiàn)異常升高，超過PLC 預(yù)設(shè)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(yàn)要求，可繼續(xù)試驗(yàn)或重新開始試驗(yàn)。

6 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證泥漿泵試驗(yàn)裝置工作的可靠性，對(duì)泥漿泵試驗(yàn)裝置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。在廠房一側(cè)搭建試車平臺(tái)及周邊防護(hù)設(shè)施，設(shè)備的機(jī)械部分安裝到位，同時(shí)電控系統(tǒng)安裝調(diào)試完畢后，進(jìn)入泥漿泵試車臺(tái)試驗(yàn)階段。為滿足試車裝置主電機(jī)交流600 V 電壓要求，在380 V 市電基礎(chǔ)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(tǒng)提供進(jìn)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(yàn)開始前，先進(jìn)行設(shè)備試運(yùn)轉(zhuǎn)，分別調(diào)節(jié)泥漿泵泵沖為30 沖和60沖，不帶壓力，運(yùn)行15 min，調(diào)節(jié)節(jié)流閥，使壓力緩緩提升，運(yùn)行15 min，打開溢流閥，釋放掉泵壓，待控制系統(tǒng)各功能均能滿足要求時(shí)，正式進(jìn)行試驗(yàn)。按照試驗(yàn)流程，試驗(yàn)共計(jì)進(jìn)行3 h，部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖4 所示。

圖4 部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線可以看出，軸承溫度在正常工作范圍內(nèi)。同時(shí)試車過程中泥漿泵未出現(xiàn)刺漏現(xiàn)象，從而驗(yàn)證了試車裝置能夠?qū)δ酀{泵的機(jī)械性能進(jìn)行有效驗(yàn)證。

7 結(jié)束語

通過分析泥漿泵試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)流程，按照試驗(yàn)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(tǒng)，控制系統(tǒng)采用TIA Portal 軟件進(jìn)行PLC 程序和HMI 人機(jī)界面的編寫，通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)泥漿泵啟/?？刂啤⒈脹_控制、泵壓控制以及節(jié)流閥和溢流閥的自動(dòng)控制，使泥漿泵在保持一定泵壓（模擬載荷）的工況下，經(jīng)過試驗(yàn)流程，最終檢測(cè)泥漿泵裝配是否符合出廠的要求，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證整套控制系統(tǒng)的可行性。