石油鉆機剎車安全保護系統設計與應用*

王虎平

(蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

隨著石油鉆采裝備的逐步發展，現在石油鉆機安全保護系統主要包含有斷電保護、斷氣保護、過卷防碰、重錘防碰、以及電子防碰等多項安全保護措施。多項安全措施的保護邏輯有效關聯，將石油鉆機的氣控電控及液壓控制組成一套可靠的石油鉆機剎車安全保護系統，通過控制最終的執行機構液壓盤剎系統[1]，可確保石油鉆機剎車安全保護系統的安全可靠運行。

根據石油鉆機的現場操作工況工藝，如何科學合理的將各安全措施保護邏輯有效關聯起來，是設計石油鉆機剎車安全保護系統的重點。

1 方案設計

現有不同驅動形式的石油鉆機司鉆控制操作元件有氣控閥及電磁閥等多種形式。最終的執行機構盤剎系統有機械手柄，電子手柄等不同的形式。所以在新設計鉆機或改造舊鉆機中需要一套有針對性的石油鉆機剎車安全保護系統是重中之重。本方案設計針對上述問題，提供一種更安全可靠，更智能化的鉆機剎車安全保護系統。

參照圖1所示，石油鉆機剎車安全保護系統中，外圍的斷電保護、斷氣保護、過卷防碰、重錘防碰、以及電子防碰等的氣控信號通過多個梭閥并成一路盤剎控制氣信號[2]，該信號控制盤剎剎車的同時通過機械式壓力開關將剎車信號反饋給PLC[3]。

A部分為氣控信號形式，當盤剎系統駐車或急停時，控制氣信號通過兩位三通氣控換向閥及梭閥將剎車信號傳輸給PLC數字量模塊。該形式適用于盤剎為機械手柄或電子手柄。

B部分為電控信號形式，當盤剎系統駐車或急停時，將該系統的駐車或急停電信號直接傳輸給PLC數字量模塊。該形式適用于盤剎為電子手柄。

C部分為液壓信號形式，當盤剎系統駐車或急停時，將盤剎左右工作鉗及安全鉗的液壓信號轉換成電信號，傳輸給PLC的模擬量模塊。該形式適用于盤剎為機械手柄或電子手柄。

該方案所述的三種形式可以完全滿足不同配置的石油鉆機系統，可根據不同的配置針對性的選用其中一種形式或多種形式。

圖1 石油鉆機剎車安全保護系統示意圖

2 實施應用

下面結合圖1石油鉆機剎車安全保護系統示意圖就該方案的具體實施應用做進一步的詳細說明。

斷電保護是由PLC輸出的盤剎安全鉗控制信號控制的兩位三通常通電磁閥實現，系統正常時PLC輸出為高電平，電磁閥處于帶電關閉狀態，當系統斷電或系統故障時電磁閥失電、兩位三通常通電磁閥導通，剎車氣信號導通實現剎車保護。

斷氣保護是由盤剎系統內的斷氣剎車實現的。

過卷防碰和重錘防碰開關正常狀態下關閉導致剎車氣信號關斷，當游車位置過高導致過卷或重錘氣開關打開，剎車氣信號導通實現剎車保護。

電子防碰是由絞車滾筒端的編碼器采集信號，PLC處理計算出游車高度，調試時標定好上碰下砸的參數值，當游車超出標定值時，PLC程序輸出盤剎安全鉗控制信號為低電平，兩位三通常通電磁閥導通，剎車氣信號導通實現剎車保護。

液壓盤剎系統通過操作剎把手柄，調節工作鉗對制動盤的正壓力，從而為主機提供大小可調的剎車力矩，滿足送鉆、起下鉆等不同工況的要求。工作制動時，只有工作鉗參與剎車。遇到緊急情況時，按下緊急制動按鈕，工作鉗、安全鉗全部參與制動，實現緊急剎車。

斷電保護、斷氣保護、過卷防碰、重錘防碰、以及電子防碰等的氣控信號之間的連接，是通過氣管線和多個梭閥并成一路盤剎控制氣信號，每多一路控制氣信號就加一個梭閥將其并接到氣控回路中，并成最終的這路氣控信號控制盤剎剎車的同時通過機械式壓力開關將剎車信號傳輸給PLC。

在司鉆房中的PLC遠程分布式I/O通過通信模塊和電控房中的CPU通信，CPU讀取分布式I/O的數值。關于該系統PLC推薦配置西門子S7 300系列，電源模塊可選擇PS 307、DC 24V模塊。接口模塊選擇ET200M[4]。數字I/O模塊選擇SM323 8DI/8DOX DC 24V。模擬量輸入模塊選擇SM331 8AIX12BIT(僅采用液壓信號形式時用該模塊)。編碼器選擇SM338 POS-INPUT模塊。

采用氣控信號形式時，將盤剎系統控制氣路中接入一個三通，分出一氣路接入兩位三通氣控換向閥的控制口，兩位三通氣控換向閥的工作口P接氣源，工作口A接入梭閥，再將梭閥的出氣口接入外圍的三通。

采用電控信號形式時，從盤剎控制系統中預留的急停及駐車干接點信號端子排引出電信號，將急停及駐車干接點信號接入PLC數字量輸入模塊。

采用液壓信號形式時，在盤剎左右工作鉗及安全鉗的液壓管線回路中接入三通，在三通分出來的接口接上壓力變送器，再將壓力變送器轉換成的電信號接入PLC的模擬量輸入模塊。

在我公司近幾年生產或改造的不同配置鉆機中，以上幾種控制形式都有所使用，通過在公司總裝聯調及用戶現場實際使用的考驗，實踐證明以上控制形式均是安全可靠的，有很好的適用性及實用性，取得了很好的應用效果。

3 結 語

針對目前石油鉆機剎車安全保護系統選用不同元器件、采用不同配置的現狀分析，提供了一種更安全可靠、更智能化的鉆機剎車安全保護系統，可解決新設計鉆機或改造舊鉆機中需要一套有針對性的安全保護系統的問題。設計的石油鉆機剎車安全保護系統的三種形式：氣控信號形式、電控信號形式、液壓信號形式。可根據石油鉆機不同的配置，針對性的選用其中一種形式或多種形式組合使用，可以完全滿足不同配置的石油鉆機系統，為石油鉆機剎車安全保護系統的設計或改造提供了參考方案及實施應用方法。