淺談PLC在石油鉆機中的應用研究

刁東

【摘 要】對于初期的PLC來說，在制定設計方案前首先需要對系統的硬件配置進行明確，而后利用其標準編程軟件，即STEP7，生成適應于硬件系統的系統，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，可減少程序的復雜性，并提升其可讀性，使故障得到及時的發現和糾正，進而避免事故的發生，保障石油鉆井的安全性。

【關鍵詞】石油鉆機 PLC 應用 研究

鉆井行業是國民經濟生產的重要支柱之一，其自動化的發展備受關注。鉆機PLC控制系統結合運用了計算機、控制、電子、檢測等科技成果，是鉆機控制系統發展的主要趨勢，也是鉆井自動化發展的重要組成部分。鉆機PLC控制系統的普遍應用滿足了鉆井生產高水平的要求，為鉆機技術改造打開了新思路。因此，對于鉆機PLC控制系統應用的研究，具有很大的現實意義。

1鉆機 PLC控制系統概述

上世紀七八十年代，鉆機控制系統主要是通過氣動和液壓控制來實現，隨著科技的發展，鉆機控制系統逐漸發展成為機、電、氣、液一體化控制系統。鉆機的一體化控制系統主要包括傳動控制、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為系統核心，結合傳感器、控制器、電氣元件、電氣液動閥件、控制總線等組成執行機構和數據采集系統。司鉆控制中心可以通過PLC實現鉆機的控制功能，包括絞車電機、鉆井泵電機、泥漿泵電機、轉盤電機、自動送鉆系統以及其他輔助設備的控制，從而實現高標準的恒速、恒壓送鉆。

鉆機PLC控制系統的工作流程主要有以下幾個環節，首先根據功能需求，編寫合適的程序，并通過工業控制機存儲在PLC中，司鉆通過人機界面的觸摸屏將指令傳輸到司鉆房中的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，并控制最后的執行元件（電機），調節電機的轉速和轉矩。

2鉆機PLC控制系統的工作原理

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

2.2控制系統的行走控制：鉆機處于行走狀態時，操作行走手柄，通過PLC的控制，行走電磁閥會導通，液壓馬達開始工作，可以實現鉆機的行進功能。

2.3控制系統的定位控制。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整，導通電磁，實現定位控制。

2.4控制系統的鉆進控制。當開關處于鉆進位置時，操作鉆進調整手柄，通過PLC控制，可以導通電磁，實現鉆進功能。

2.5控制系統的接桿控制。當開關處于接桿位置時，操縱相應手柄，結合PLC的控制，可以導通電磁，完成接桿。

2.6控制系統的卸桿控制。開關置于卸桿位置時，操作卸桿手柄，結合PLC控制，導通電磁，完成卸桿。

2.7除此之外，在鉆機工作過程中，若果控制系統發生故障，PLC會及時發出警報，操作人員可以迅速按急停按鈕，停止鉆機的運行，最大程度的降低經濟損失，避免安全事故的發生。

3系統信息

轉盤與絞車在石油鉆井當中是極為重要的兩部分，這兩者如發生故障，短期內將難以恢復，因而若在鉆井過程中出現問題，輕則拖延工作進度，重則將可引致重大坍塌事故的發生。因此，為預防該類事故的發生，控制系統具備冗余備份能力。在全套的可編程邏輯控制系統中，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，具有電氣系統的故障提示、聲光警報、監控以及實時的顯示鉆井參數，操控鉆機等功能；主站則位于電控房中，電控房內包括有整流柜、發電機柜、VFD柜和PLC控制柜等設備[1]。

3.1 硬件組態

在開始制定關于PLC的控制系統時，應根據系統的硬件配置來制定，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，在中央機架的基礎上還應額外配置接口模塊和配置擴展機架。只有明確好系統硬件后，才可繼續進行硬件配置工作。

3.2 軟件編程

變頻鉆機所采用的系統控制核心為S7-300系列CPU，可編程控制管理系統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、配置硬件以及設置參數等功能。此外，基于對該系統在使用方面的諸多要求，例如可靠性以及戶外維修等，因此系統具備遠程監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系，同時其對控制的要求也較為復雜，因此，對于數目眾多的控制目標，若單純采取直線獨立結構進行編程將導致程序大小超出CPU可承受范圍，并降低程序可讀性；而若是采用結構化編程分解自動化任務，則將其變為可重復應用的任務或是可反映過程的功能及工藝，基于每個任務都有其對應的程序塊，當運行程序的時候，將會有大量的變量與數據涌進并存儲于數據塊當中[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功能等實現程序塊的獨立構成，通過調整各個功能與功能塊，使控制目標的功能能夠得以實現。此外，拋棄復雜的程序結構，對程序結構進行大量簡化將有助于檢測與分析裝置故障。該軟件系統可判斷的故障種類高達130種以上，實現了智能控制[3]。

4鉆機系統的各項主要功能

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

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、硬件等因素而出現故障問題時，可應用冗余CPU接管出現故障的主CPU[4]。從可行性以及成本方面進行考慮，基于主備系統對于切換時間的要求較低，因而選用非必要系統或是冗余備份系統是較為合適的選擇，同時也可使系統的穩定性得到提高。

4.2 人機界面

通過軟件組態，可顯示所有電機運行中的邏輯情況和設備運行情況，同時還可對現場設備的運行情況進行監控，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 轉盤控制

通過Profibus-DP協議通訊，可對變頻器中出現的過壓或是過流情況進行警報，從而相關人員引起的注意，同時還可對轉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，并實現對泥漿泵主電機、風機以及噴淋泵的啟動、速度設定、停止等操控，包括相應的聯鎖保護。當泥漿泵風機啟動后，需待其風壓開關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，因此需要進行風冷。

5結語

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設深度的井眼。石油鉆機通常由旋轉系統、控制系統、動力驅動系統、鉆機底座、起升系統、鉆機輔助設備系統、鉆井液循環系統以及傳動系統等八個系統組成。其傳動系統通過運用內設PLC的智能氣動閥饑，全數字控制技術、三級網絡系統以及網絡技術建立起具備網絡化、智能化和自動化的鉆機控制系統以及設備管理系統平臺，不僅將鉆井儀表參數的記錄、顯示和存儲結合了起來，還完成了遠程通訊鉆機信息系統及對鉆機電、氣、液的控制，大大降低了事故的發生概率，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在石油鉆機中的應用[J].電氣應用，2017，9（10）：24-31

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

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