電控氣閥島故障快速智能診斷系統研究與應用

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

隨著信息技術的發展，自動化、智能化設備不斷引入鉆井行業，可編程控制器（PLC）和現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，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，以電磁閥為執行器構成控制系統，完成液路、氣路的實時采集和控制任務。該系統控制響應速度快，可靠性高，極大地提高了鉆井效率。但控制邏輯比較復雜，生產過程中一旦某個控制元件出現故障，定位故障點比較麻煩，再加之多數石油鉆井行業作業人員習慣純氣路控制系統的日常維修保養，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，影響鉆井生產進度。

1 西門子控制系統及觸摸屏概況

1.1 SIMATIC S7-300

PLC S7-300 是一款由西門子為中小型控制系統研發的小型模塊化PLC 系統，能滿足中等系統控制的應用要求。可根據實際需要選用相應的模塊，建立起針對不同控制系統的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據，S7-300 可編程控制器按編程人員設定的刷新速度傳輸數據。S7-300 可編程控制器操作系統能通過自動模式處理數據的傳輸與接收。

1.3 西門子分布式I/O ET200

模塊化的ET200S 分布式I/O 系統，是離散型、高度靈活的DP 從站，在設備控制系統中主要與中央控制器CPU 通過現場總線連接。ET200S 模塊支持現場總線PROFIBUS DP，可以將任意數量的I/O 模擬量、數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

2.1 原控制系統功能

鉆機氣路控制系統以西門子S7-300PLC 作為核心控制器，通過司控房操作系統對閥島控制實現各個氣路的動作。系統具備鉆井工藝操作及參數顯示、報警、系統故障報警及緊急剎車保護等功能，并且帶有冗余邏輯控制系統，保證系統的安全性和可靠性。氣路控制系統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，實現人機對話，實時顯示系統各部件工作狀態。

2.2 原控制系統缺點

原控制系統是一個開環開關量控制系統，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并在觸摸屏上顯示輸入輸出狀態。沒有顯示執行器的邏輯也沒有閥島箱執行器工作情況的反饋信息，操作人員只能根據鉆機的動作判斷執行器工作是否正常。有的執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

3.1 概述

新系統通過檢測PLC 端口的輸入與輸出情況，直接在顯示屏上增加每路執行器控制邏輯的顯示，可直觀地在顯示屏上觀察到每個執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行器控制信號和輸出安裝檢測反饋信息，執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，每路執行器都形成閉環，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行器的輸入輸出及反饋情況，定位故障點，節省排查時間。新系統工作流程見圖1。

圖1 新系統工作流程

3.2 閥島箱

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

3.3 觸摸屏顯示

觸摸屏既可以顯示輸入輸出狀態，又可以顯示每路執行器的控制邏輯，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行器的控制信號到達執行器控制信號端，氣路反饋代表執行器輸出工作狀態。

執行器出現問題時，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，可檢查出現問題的線路；若輸入和保護信號正常，查看執行器控制信號反饋，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行器本身出現了問題，都正常說明控制系統正常，檢查其他機械問題。

4 結語

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