基于PLC控制的氣瓶自動放水裝置

袁 健，張慧杰，梁維剛

（1.川慶鉆探工程有限公司國際工程公司，四川成都 610056；2.川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司，陜西西安 710018）

0 引言

石油鉆井行業機械鉆機設備壓縮空氣的使用較為廣泛。柴油機、發電機的啟動，鉆臺氣動提升裝置，絞車、傳動箱離合器及離合器控制閥島都離不開壓縮氣體。空氣中大量的水氣會隨著壓縮機進入氣瓶，在氣瓶聚集。當聚集的水過多時，會隨著管線氣流進入設備，造成設備的損傷。含水量大的壓縮空氣進入柴油機、發電機氣動馬達，使馬達內部構件銹蝕，造成起車困難；帶有水分的氣體進入電控氣執行閥片，會使閥片內零部件發生銹蝕卡阻，影響鉆井設備的運行控制。更嚴重的是進入冬季后，大量水氣進入各氣控管線，可能造成氣路管線出現冰堵，使氣路控制失靈，導致嚴重設備及人身傷害事故。因此，在鉆井生產中，氣瓶放水尤為重要。

1 現狀分析

1.1 手動放水

目前的鉆井生產中，部分鉆井隊還使用手動放水，即在氣瓶底部安裝閘門，每到放水時間，員工手動開動閘門對氣瓶進行放水。在現場操作中，要求15 min 放水一次，氣源房的氣瓶放水閘門伸手可得，能基本滿足按時排水。但處于鉆臺下的氣瓶，由于氣瓶閘門安裝位置不合理，高位或低位氣瓶操作不便等原因，很難保證按時放水，給氣路造成故障隱患。

1.2 自動放水

鉆井現場使用的自動放水裝置主要采用雙循環時間繼電器，完成定時放水和放水時間控制的設置。自動放水裝置能降低現場作業工作量，保證按時放水。

為方便采購安裝，鉆井隊選用普通配電柜進行安裝，價格便宜實惠。但《Q/SYCQ2036—2008 石油天然氣鉆井井場電氣系統技術規范》要求，石油天然氣井場配電設備必須為防爆裝置，因此選用普通配電柜不能滿足防爆要求，給井場安全帶來風險。但市場上沒有合適選用的防爆配電箱，需要和廠家聯系定制，并且價格昂貴，并且還有采購最少數量的限制，影響部分鉆井隊氣瓶自動放水裝置的使用。自動放水裝置控制箱如圖1 所示。

圖1 自動放水裝置控制箱

2 基于PLC 控制的氣瓶自動放水裝置

2.1 工作原理

利用PLC 控制器定時控制原理，定時輸出控制信號啟動繼電器，完成電磁閥的通電啟動，實現氣瓶自動放水。

根據現場使用需求，編寫可編程控制器運行梯形圖程序，振蕩輸出如圖2 所示。在程序運行時，當壓縮罐放水閘門閉合，PLC 輸入端子I0.0 輸入24 V 電壓得高電平，壓縮空氣儲罐自動放水裝置程序開始工作，此時T1常開觸點仍然處于斷開狀態，Q0.0 輸出端低電平，無輸出信號；當T1計時時間達到設定時間（t1）時，T1常開觸點接通，Q0.0 端子開始有輸出信號，同時T0開始計時；當T0計時時間達到設定時間（t0）時，T0常閉觸點斷開，T1計時時間恢復到0，T1常開觸點斷開，Q0.0 端子輸出斷開，完成一個周期信號的輸出；同時T0計時時間恢復到0，T0常閉觸點恢復起始閉合狀態，T1重新開始計時，進入下個運行周期。如此不斷重復運行，連續不斷產生振蕩信號輸出。

圖2 PLC 梯形程序

2.2 元器件選擇

2.2.1 PLC 控制器

現有設備轉盤、閥島等控制系統都使用PLC，但現場只用到PLC 控制功能很小的一部分，因此，現場PLC 備用接口或加裝擴展口可以滿足自動放水裝置的使用要求。

2.1.2 繼電器

S7-300 可編程控制器輸出24 V 的控制信號，因此選用工作電壓24 V，8 腳繼電器，實現電路控制。繼電器7，8 腳為電源腳；1，3；2，4 腳為常閉觸點；3，5；4，6 腳為常開觸點。

2.2.3 管道電磁閥

為保證電磁閥的可靠性及鉆井行業防爆要求，選用220 V，管徑6 英寸的防爆型管道電磁閥。

2.3 電路設計（圖3）

圖3 工作電路

自動放水啟動開關S1 閉合，給S7-300 可編程控制器I0.0端子輸入直流24 V 啟動信號，程序開始運行，計時器開始計時，當到達設定時間時。輸出端子I0.0 輸出直流24 V 信號給中間繼電器KM 電源端供電，KM 接通電源后開始工作，3，4 觸點與5，6 號觸點閉合，給防爆電磁閥供電成功。當防爆電磁閥設定的開啟時間T0到達后，繼電器KM 的3，4 觸點與5，6 號觸點斷開，防爆電磁閥閉合，進入下個工作周期。

圖4 梯形圖程序測試

3 模擬測試

利用西門子編程軟件step7 運行梯形圖程序測試運行情況。為提高測試速率，程序中設定T1時間為0.5 min，T0為3 s。當模擬開關S1閉合，程序開始工作，隨著設定周期的變化，在Q0.0 輸出端顏色明暗交替變化，說明模擬測試成功，可以實現氣瓶的自動放水。

4 總結

雖然模擬測試成功，但在現場安裝布線還存在一些困難。鉆井隊VFD 房內的PLC 柜內，要安裝6 A 的空氣開關及繼電器，繼電器出線還需要走VFD 房接線室，備用接頭能否滿足要求?，F場需要安裝3 個電磁閥，需在可編程控制器中添加程序，實現3 路輸出，或利用繼電器控制實現3 路輸出，都是后期需要考慮的問題。下一步工作是解決遺留問題，盡早將自動放水裝置投入使用。