基于PLC的井控遠程臺實物仿真培訓系統的設計

張文晶，張方舟，馬瑞民，李 強，孫瑞雪

(東北石油大學 計算機與信息技術學院，黑龍江 大慶 163318)

基于PLC的井控遠程臺實物仿真培訓系統的設計

張文晶，張方舟，馬瑞民，李 強，孫瑞雪

(東北石油大學 計算機與信息技術學院，黑龍江 大慶 163318)

井控安全是石油生產最大的安全隱患，針對石油鉆井井控安全操作培訓的不足，提出了基于PLC的井控遠程臺實物仿真培訓系統的設計。搭建一個井控遠程臺培訓系統的實物仿真平臺，用來對井控遠程臺培訓系統的學習和研究。介紹了基于PLC控制器為核心開發的井控仿真培訓系統的設計方法，并從PLC的工作原理和基本結構，井控遠程臺的操作工況，以及系統工作原理，控制系統的設計，系統流程進行了詳細的論述。井控實物仿真培訓系統能夠實現真實操作訓練和考核評分等功能。讓操作者在與真實相近的環境下模擬操作常用井控設備，提高鉆井井控操作標準化。

PLC；井控遠程臺；實物仿真；培訓系統

0 引 言

20世紀40年代末，仿真隨著計算機技術不斷發展而逐步成為一類試驗研究的新興方法。仿真最初主要應用在航空、航天、原子反應堆等少數領域中。此后，計算機技術和信息科學的迅猛發展，為仿真技術的應用提供了關鍵技術和充足的物質基礎[1]。

硬件實物仿真技術在火箭控制、制導導彈、控制衛星姿態等研究應用方面達到了較高水平。硬件實物仿真系統在武器型號研制中也發揮了十分重要的作用[2]。20世紀90年代，我國對虛擬現實、分布交互仿真等先進仿真技術及其應用開始進行研究，開展了更大規模的綜合型系統仿真，由單個實驗對象平臺的性能仿真發展為實驗對象平臺在真實操作環境下的實時操作仿真[3]。由于科技水平的不斷提高和國家實力的逐步增強，硬件實物仿真新興技術也在取得新的突破。目前硬件實物仿真已經滲透到了國民經濟的各個領域，如環境保護、經濟系統、交通運輸系統、生物工程、水利、化工、石油等，并在國民經濟建設中起到了重要作用[4]。

鉆井工程，這一工藝生產過程有復雜的操作、嚴格的技術要求，同時需要素質較高的鉆井工作人員才能上崗操作[5]。鉆井工程要求其工作人員對每一個鉆井過程要有充分的認識和理解，一旦發生溢流或井涌時，操作不當就會引起一系列重大事故，如井噴、地陷等。在鉆井井控操作設備中，井控遠程控制臺是地面防噴器的控制裝置，是液動壓井閥開、關動作、控制液壓防噴器的專用設備，是天然氣、石油鉆井(或修井)過程中防止井噴失控必不可少的裝備，而現有的井控仿真培訓系統中沒有針對井控遠程控制臺的實物仿真系統，所以研究用于培訓操作人員的井控實物仿真系統是十分必要的[6]。井控遠程控制臺是井控設備操作中的樞紐設備，遠程控制臺達到待命工況須做各種準備工作，從而進行接下來的轉換和調節工作，使井控操作得以進行下一步。更為重要的是，井控遠程控制臺實物操作的仿真培訓是現在井控培訓中的空缺，設計井控遠程控制臺實物仿真使得仿真培訓更完整接近現場工況。雖然井控前臺操作比較復雜，實地培訓受到很多限制，但是隨著計算機技術的發展，與虛擬前臺操作相比，實物仿真操作更加逼近真實操作，讓培訓人員得到大量的演練、訓練與考核，使操作者真實接觸操作設備更能提高培訓人員的技術水平，實現實物前臺操作的仿真培訓將會成為石油行業防井噴作業的新方向。

1 系統硬件設計

該系統硬件主要由井控遠程控制臺及其相關井控實物設備、傳感器模塊、PLC、教師控制計算機構成。井控遠程控制臺是該培訓系統的主要操作設備，是培訓人員進行培訓的前臺實物；傳感器模塊實現待檢測點的數據采集和轉換；PLC負責對采集的數據進行分析和處理，并根據輸入值控制井控遠程臺的下一步操作。

1.1 PLC的基本概況

PLC(Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器)在1969年問世于美國，它是一種以微處理器為核心的新型、通用的自動控制裝置，同時綜合了計算機技術、電氣控制技術、自動控制技術、通訊技術等先進的學科技術。經過40多年的發展變遷，PLC已然成為最重要、最可靠、應用環境最廣泛的工業控制領域的微型計算機[7]。PLC執行內部程序的存儲是由一種可以編程的存儲器完成的，同時還可以執行順序控制、邏輯運算、計數、定時和其他算術操作等面向用戶的指令。PLC控制各種類型機械的生產過程是通過模擬量或數字量的輸入與輸出完成的[8]。它具有易于編程、使用方便、控制功能強、可靠性高以及擴展方便等優點[9]。

1.1.1 PLC的硬件組成

PLC硬件一般由五部分組成，包括中央處理器CPU、輸入和輸出模塊、存儲器、編程器和電源[10]。其中，輸入模塊包括開關或傳感器、繼電器觸點和行程開關等；輸出模塊包括電磁裝置指示燈和電動機以及其他執行裝置。

可編程邏輯控制器是一種采用數字采樣的控制系統，它與處理壓力、溫度、流量等模擬量的工業監控系統(DCS)有很大不同。它是通過中央處理單元與存儲器的緊密配合，進行控制以及運算功能[11]。

1.1.2 PLC的工作原理

PLC的掃描周期采用一種快速往復巡回的方式，如圖1所示。PLC每重復一次這四個階段所有的時間就是一個掃描周期。

圖1 PLC的掃描周期

PLC主要采用循環掃描的工作方式，其一個采樣周期一般在10 ms到20 ms之間，同時也可以根據現場不同的被控對象的需求來選擇更短的采樣周期。

某些新型的可編程邏輯控制器應運而生，其掃描周期的精確度可以達到十分之一個毫秒的級別。PLC的中央處理單元是利用分時操作的方式處理各項任務，從PLC的外部輸入、輸出過程來看，運算速度高，可瞬時完成處理要求[12]。在PLC中的CPU每次掃描分步完成以下工作：

(1)讀入數據：把實驗開關量的各種輸入信號和數據參數分別錄入在數據寄存器和輸入寄存器中。

(2)解釋用戶程序：產生對應的控制信號控制有關的電路在PLC內部，同時可進行存取數據、傳送數據以及處理數據的工作，之后參照運算結果將各個相關寄存器的內容更新[13]。

(3)輸出數據：輸出模塊將接收到由輸出寄存器存儲的內容來驅動和控制外部設備。

若干條不同指令組成了PLC的用戶程序，這些指令在儲存器中是按照步進序列號順序排列儲存。當程序沒有使用跳轉指令時，CPU執行的第一條指令將會從程序的第一條指令開始，按照順序依次來執行用戶程序，直到整個程序結束。然后，程序返回至開始的第一條指令，同時重新開始掃描整個程序。這樣不斷重復上述掃描就是PLC的循環過程，從而完成對控制對象的實時操控任務[14]。一套PLC系統硬件部分還包括許多模塊。除了一般模擬量和數字量輸入輸出模塊外，對于I/O模板來說，目前還發展出具有特殊功能系列的I/O模板，如高速計數模板應用在機械加工領域和運動控制領域、PID模板應用在控制系統中反饋控制使用，以及中斷輸入處理模板、單軸或多軸位置控制模板等。這些特殊模板一般由PLC中的CPU來執行分析和處理，自身僅提供硬件支持環境的模板的通訊接口。

1.1.3 PLC的控制系統

基于PLC的井控遠程控制臺實物仿真培訓系統中，培訓人員的操作動作信號的采集、傳輸與PLC控制系統設計是該仿真培訓系統的核心部分，因此提供的硬件必須具有較高的擴展性、可靠性、可維護性以及良好的人機接口。其硬件部分主要有以下部分：PLC的CPU及其功能模塊，信號傳感器以及信號傳輸部分，結構如圖2所示。

圖2 控制系統結構

1.2 井控遠程臺的設計

1.2.1 井控遠程控制臺的組成

目前，國內現場使用的控制裝置，它們的工作原理與結構組成以及操作要領基本相同。該控制裝置可以控制一臺環形防噴器、一臺雙閘板防噴器、一臺單閘板防噴器、一個液動閥、一個備用控制線路，共計可控制6個對象。

該裝置的蓄能器組是由8個蓄能器組成，單瓶公稱容器801，因此蓄能器公稱總容積為6 401。井口防噴器開關動作所需的液壓油由蓄能器提供，蓄能器所儲存的液壓油則由電泵與氣泵供應與補充[15]。

遠程控制臺上除氣源壓力表外還裝有3個油壓表，即蓄能器壓力表、環形防噴器供油壓力表、閘板防噴器供油壓力表。為使司鉆控制臺上的操作者能隨時了解遠程控制臺上的油壓變化情況，蓄能器裝置上安裝有3個氣動壓力變送器。氣動壓力變送器的作用是將油壓的變化轉為氣壓訊號。氣管線將氣壓訊號傳輸至司鉆控制臺上的二次儀表，由二次儀表顯示油壓值。

1.2.2 井控遠程控制臺工作的原理

氣控液型控制裝置的工作過程分為：

(1)液壓能源的制備與儲存；

(2)控制裝置的液控流程—壓力油的調節與流向的控制；

(3)氣壓遙控：壓縮空氣經分水濾氣器、油霧器后，經氣源總閥輸送至各空氣換向閥，控制儲能器裝置上二位氣缸動作，推動相應的換向閥手柄，間接控制防噴器開關。

1.2.3 井控遠程控制臺的改造

為實現井控遠程臺設備操作的流程，滿足高頻次的培訓需要，同時針對設備帶壓狀態下的操作磨損，采用非真實液壓油進行調節與控制。根據以上需求對井控遠程控制臺進行設計改造。該仿真培訓操作系統設計是對原有井控設備遠程臺進行改造，主要是對遠程臺上各功能儀表和各關鍵閥門進行改造。

首先，將現有由氣動壓力變送器作用使油壓轉變為氣壓訊號的蓄能器壓力表、管匯壓力表等壓力信號儀表改為電信號儀表，使連續的氣動壓力信號轉換為離散的電信號。其次，在各關鍵閥門處安裝相應傳感器等設備，實時采集操作者操作動作、視角與設備狀況信號。同時，傳感器采集的信號通過PLC控制器進行數據分析整理后，反饋至音效仿真單元與教師控制計算機上。最終，控制計算機根據操作者動作行為進行過程記錄、結果評價、語音提示，以及設備內部動作三維動畫播放等操作。

其中，改造的設備分三類：用于信號采集的手動旋轉閥門手動開關等設備，用于數據輸出和顯示的各功能儀表設備，用于操作的遠程控制臺上的各種閥門設備。這些都是該系統主要設計的硬件設備。

1.3 傳感器的選型和設計

當今信息技術以飛一般的速度在大時代的浪潮中前行，這與傳感器所發揮的作用是息息相關的，其在數據采集和處理過程中所起到的作用是無可取代的，更是獲取信息的有效手段。傳感器其實是一種測量器件(或者裝置)，它為系統提供一定的需求，采用被測量轉換為其他的物理量的方法。盡管不同的傳感器其功能、組成、工作原理以及應用范疇都存在差異，但是都是由轉換原件、測量電路和敏感元件三部分構成。

在鉆井井控過程中，依靠不同的傳感器對待遠程控制臺上的不同信息進行檢測。首先，檢測蓄能器截止閥操作閥門的起始位置和手動操作旋轉的終止位置，采用加裝編碼器用于檢測閥門旋轉度，模擬操作者對閥門的準確控制動作過程，使旋轉式閥門在操作過程中能夠使操作者的操作狀態達到真實的效果，可方便地轉換為數字量傳輸給PLC；其次，檢測三位四通換向閥、旁通閥、儲能器截止閥等閥門開關狀態，采用加裝磁力傳感器的方法，用于檢測手動閥門位置，模擬操作者控制動作。此傳感器的使用是最為巧妙的方案，并不是磁力傳感器本身有什么特殊的長處，而是磁力傳感器與旁通閥以及多個三位四通轉換閥的巧妙結合，利用了磁力傳感器的特點和三位四通轉換閥以及旁通閥的工作原理和結構特征，選擇將兩者結合在一起能夠逼真地實現實物設備的仿真培訓；再次，采用加裝紅外傳感器的方法用于模擬操作者視角變化，便于教師的考核與評分。選擇了SHARP公司的紅外測距傳感器GP2Y0A02YK0F系列產品，其可測距離20～150 cm，電源電壓4.5～5.5 V[16]。然后，(基于PLC控制的氣密液壓檢測系統的設計與實現)遠程控制臺正常運行過程中真實的內部操作都是由油壓和氣動壓力完成的，因此，壓力信號采集是整個系統的核心，壓力傳感器的精度是關系到整個系統檢測的重要因素。采用精度較高的壓力傳感器以用于提高系統的檢測精度，減小誤差，得到更精確的檢測結果。最后，將檢測到的電信號傳輸到PLC控制器和計算機上進行分析和計算[17]。

基于PLC井控遠程臺實物仿真培訓系統的硬件構成如圖3所示。

圖3 系統硬件構成

2 系統總體設計

根據前文所述，系統結構組成主要由PC機、傳感器、PLC、井控遠程臺設備四部分組成。整個設計由兩部分組成，分別為上位機與下位機。上位機采用紫金橋組態軟件，用于實現數據傳輸和數據處理。可設定和修改壓力值、閥門旋轉度等電信號的標準值與報警值，查詢歷史記錄、顯示歷史曲線圖以及分析每一次操作的分步數據，檢查各監測點的信息狀況，完成數據的自動記錄；利用教師計算機實現現場實時數據的監測、設定數據極限值，如果釆集到的數據超出或不滿足設定的范圍，系統會給出提示信息。PLC是下位機的主控制器，完成信號的采集、傳輸、數據的整理分析，并將教師培訓系統、機械隨動和音效仿真系統以及重點部位影像投放系統等功能與原有功能相結合共同發揮作用，實現在實際設備上的仿真培訓功能。

圖4為實物仿真培訓系統原理圖。

圖4 實物仿真培訓系統原理圖

該井控遠程臺實物仿真培訓中，主要對三個工況做出設計，它們是：在遠程臺操作電氣泵進行壓力油制備，在遠程臺操作三位四通換向閥進行防噴器及放噴閥開關操作，在遠程臺操作手動與氣動減壓閥進行壓力調節。這三個工況在該實物仿真培訓系統中的設計有相似之處，所以這里選擇其中一個操作流程設計進行詳細說明。

在遠程臺操作手動與氣動減壓閥進行壓力調節時：

第一，由教師在教師控制計算機上分別選擇“調節壓力對象(手動、氣手動或司控臺)、操作類型(培訓或考核)”等參數。

第二，操作者根據調節要求分別調節手動或氣動減壓閥。調節手動減壓閥時，順時針旋轉手輪二次油壓調高；逆時針旋轉手輪二次油壓調低。調節氣手動減壓閥時，順時針旋轉氣手輪減壓閥手輪二次油壓調高；逆時針氣手輪減壓閥手輪二次油壓調低。如需要在司控臺進行調節時，先將三位四通氣轉閥(分配閥)扳向司控臺，氣手動減壓閥由司鉆控制臺遙控。調節時順時針旋轉手輪二次油壓調高，逆時針旋轉手輪二次油壓調低，二次油壓最大跳躍值可允許3 MPa。

第三，在手動與氣動操作閥門上均加裝編碼器，檢測閥門旋轉度，通過利用傳感器采集的閥門位置檢測信號傳輸到PLC控制器和計算機上并進行分析和計算，輸出的電信號控制電壓表，模擬氣壓、油壓等變化過程，反饋給前臺操作壓力表顯示數據，進而再根據此次的數據情況進行下面的操作。同時，教師計算機上已經記錄了此次操作是否合格并進行評分。

最終，使系統實現以下需求：

(1)系統能實現遠程控制臺的檢查與運行等內容的真實操作訓練功能；

(2)系統能夠在設備操作后，自動對操作過程進行考核評分；

(3)系統能夠自動檢測操作者視線視角變化；

(4)設備操作手感、力度、動作、效果仿真實物操作效果；

(5)控制終端人機界面良好，圖形、數據處理快速有效，系統整體故障率低于5‰。

3 系統流程

首先，教師在PC機上選擇參數同時開啟培訓或考查過程，然后學員按照其所選擇的培訓項目進行操作，完成在遠程控制臺上的井控操作，如壓力油制備、軟關井、調節閥門開度操作等過程，同時觀察控制臺上各壓力表變化情況與工作狀態。在進行上述操作之前，先給PLC上電，將系統初始化，完成后向PLC發送數據請求。PLC對各關鍵閥門的傳感器執行數據釆集控制，把釆集到的數據經過數模轉換后，通過邏輯運算得到控制結果和輸出，將結果傳給計算機或輸出到被控設備，同時進行數據的存儲和部分控制信息，PLC控制器檢測操作者動作和視角情況，并進行聲光效果的仿真。PC機依靠檢測工況和PLC控制結果，利用程序設定進行分析和計算，產生閥門控制和壓力信號進行輸出。若操作者的操作值并未達到指定要求，系統也會進行其結果的輸出目的是使操作者可以反復進行訓練操作，那么，再次進行數據采集，直到所測得的壓力值等在系統規定范圍內為止。若不超標則經過一定延時，同樣重新進行數據采集。最終獲得評價結果。

系統流程如圖5所示。

該實物仿真培訓系統中，三個主要的工況流程有相似之處，在此只是介紹其中一種工況的流程，就可以體現出基于PLC的井控遠程臺實物仿真培訓系統設計的優點，以及該系統能夠更加接近于真實的操作，發揮實物仿真培訓的重大作用。

在遠程臺操作手動與氣動減壓閥進行壓力調節的流程如下：

(1)操作者打開電源，啟動泵制備壓力油，手動啟動電動機檢查電機轉向，閥門位置檢測傳感器，檢測閥門旋轉度，通過利用傳感器采集此次的閥門位置檢測信號傳輸到PLC控制器和計算機上并進行分析和計算。

(2)教師計算機上在操作開始時已經設定好此次操作的標準數據，讓實際數據同標準數據做差運算，利用運算結果進行判斷：

①如果結果在操作允許的范圍內則合格，那么就將正確的操作者的實際數據結果顯示在電壓表、模擬氣壓表或是模擬油壓表上，反饋給操作人員使其及時進行壓力調節，維持系統穩定的狀態。

②如果結果不在操作允許的范圍內則不合格，那么依然將操作者的實際數據結果顯示在電壓表、模擬氣壓表或是模擬油壓表上，反饋給操作者讓其進行重新的更正操作，直至教師機上的運算在可允許的范圍內，達到穩定狀態為止。

其中，流程內含有一個閉環控制流程，閉環控制是被控的電表、擬壓力表和油壓表的顯示數據為輸出，其以一定方式返回到作為控制的輸入端，即顯示給操作者，操作者根據上一次的操作結果進行再一次的操作作為輸入并對輸入端施加控制影響的一種控制關系，完成一次反饋循環流程，直至操作數據達到規定的范圍內，即達到收斂極值，系統達到穩定。

4 結束語

文中針對當今石油鉆井工業的迫切需求，并依靠現已成為主流、必備的工具，具備靈活、可擴展、多用途的實物仿真技術，提出了基于PLC的井控遠程臺實物仿真培訓系統的研制策略。利用實物仿真技術與PLC的特點和優勢，迅速建立了可交互的井控遠程臺實物仿真培訓系統。該系統有著現場培訓和虛擬的軟件仿真培訓無法比擬的優勢，培訓人員需要大量的演練、訓練與考核。硬仿真操作讓學員有非常逼真的臨場感，使操作者真實地接觸操作設備，更能夠提高培訓人員的技術水平。

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Design of a Training System for Long Range of Well Control Physical Simulation Based on PLC

ZHANG Wen-jing，ZHANG Fang-zhou，MA Rui-min，LI Qiang，SUN Rui-xue

(College of Computer and Information Technology,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China)

Oil production well control safety is the biggest security problem.Aiming at the shortage of lack of hands-on training for oil drilling well control security,the design of physical simulation training system of well control of remote station based on PLC was proposed.Building a physical simulation platform of well control training system of remote station will be used for well control training system for the remote station to learn and study.The design method was discussed in detail for well control physical simulation training systems based on PLC controller as the core development and from the PLC work principle and the basic structure,operating conditions of remote station of well control,and the system work principle,the control system design,the flowing of system conducted a detailed introduction.Well control physical simulation training system can achieve real operation training and assessment score and other features,which let the operator apply the environment for simulation as similar as the real operating well control equipment to improve the standardization of drilling well control operations.

PLC；long range of well control；material simulation；training system

2015-05-30

2015-09-04

時間：2016-01-26

黑龍江省高等教育教學改革項目(JG2013010153)作者簡介：張文晶(1990-)，女，碩士研究生，研究方向為計算機系統結構；張方舟，教授，研究方向為計算機網絡、計算機仿真、人工智能；馬瑞民，教授，研究方向為計算機應用技術。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160126.1522.078.html

TP302.1

A

1673-629X(2016)02-0174-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.02.039