淺析PLC在石油鉆機中的應用

（蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，甘肅蘭州市，730000）李潔潔梁紅調王學柱

隨著自動化時代的到來，裝備生產制造行業都在進行自動化設備的探索。作為鉆取石油的重要設備，石油鉆機的控制也隨之進入了自動化時代。整體來看，我國石油鉆機設備的研制及發展自上世紀60年代開始，經過了60年的變遷，石油鉆機裝備從機械驅動起步，隨后進入了電驅時代，包括了直流電驅動鉆機和交流電驅動鉆機，直到當前的管柱自動化鉆機。隨著PLC的不斷應用，自動化鉆機的概念深入人心，石油鉆井也進入自動化、智能化鉆井的階段。

1 .PLC的簡介

1.1 PLC的簡介與發展

PLC，Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器，它是一種數字運算操作的電子裝置，專為工業生產系統的控制而設計的控制器。它的主要功能包括執行邏輯控制、時間計算與控制輸出、數據記錄與輸出、運動控制等。用戶通過采集輸入電路的信號值或者人機界面的信號值，在PLC的用戶存儲器上編寫控制程序，通過輸出電路來控制各類裝備生產的工作過程。傳統的繼電器控制接線過多、控制不夠靈活。

1.2 PLC的掃描過程

PLC的掃描工作過程分為輸入采樣階段、程序執行階段、輸出刷新階段三個階段。

1.2.1 輸入采樣階段

PLC通過掃描讀入所有輸入信號的狀態并刷新后存到對應的輸入映像寄存器中。一般來說，輸入信號的寬度需大于一個掃描周期，才能成功保存到輸入映像寄存器中。PLC每完成一次循環所需的時間稱為一個掃描周期。掃描周期作為PLC的重要指標，主要取決于掃描的速度和用戶程序的大小。

1.2.2 程序執行階段

PLC按照從上至下、從左到右的次序依次執行用戶程序。當程序中需要跳轉、輸入、輸出狀態等等時，PLC就從其對應的映像寄存器讀入所需變量的當前狀態，從而判斷程序是否跳轉，然后通過程序的計算與邏輯的判斷輸出，將程序的運算結果存入輸出映像寄存器中。

1.2.3 輸出刷新階段

輸出映像寄存器存放著用戶程序在執行階段后的輸出結果，并沒有送到送到輸出端口上。在輸出刷新階段，PLC將之前保存到輸出映像寄存器中的輸出結果送入到輸出鎖存器，由輸出鎖存器通過輸出模塊產生本掃描周期內的輸出結果。如果內部輸出繼電器的結果為1，則輸出繼電器的觸點閉合，通過輸出模塊驅動繼電器等外圍設備。所有輸出設備的狀態要保持一個掃描周期。

1.3 PLC的基本結構

PLC控制器實質是一種專用于工業控制的計算機，PLC主要是由中央處理單元（CPU）、存儲器(RAM、ROM)、輸入輸出單元(I/O)、電源等幾部分組成。

1.3.1 中央處理單元(CPU)

PLC控制系統的大腦，它主要由控制器、運算器和寄存器組成。在PLC系統的工作過程中，CPU按照PLC系統程序賦予的功能指導PLC井井有序地進行循環工作。它的主要功能是控制計算用戶程序、數據接收存儲、診斷PLC的工作故障和程序中的語法錯誤等。

1.3.2 存儲器

PLC的存儲器分為系統存儲器和用戶存儲器。系統存儲器是存放由PLC生產廠家編寫的、用戶不能更改的系統程序。用戶存儲器用來存放用戶編寫的程序及各種變量數據。

1.3.3 電源

PLC的供電來自于PLC控制系統的電源。對于PLC控制系統的模塊來說，電源的可靠性與穩定性至關重要。

1.3.4 輸入輸出回路

負責接收外部輸入元件信號和負責接收外部輸出元件信號。

2 PLC在石油鉆機中的應用與發展

2.1 PLC在石油鉆機中的應用概述

石油鉆機是獲取石油資源不可或缺的鉆井專用工具，其中電驅石油鉆機的應用最為廣泛。隨著鉆井工藝的要求越來越精確，需要采集的信號和聯鎖信號越來越多，從而使得石油鉆機的電控系統變得越來越繁雜。PLC憑借其本身的優點：可靠性高,、功能強大,故障率低,控制靈活,節約空間等等，已在電驅動鉆機的控制系統中廣泛使用，得到了行業的認可。

在石油鉆機的控制系統中，PLC通過輸入模塊接收到按鈕、旋鈕、傳感器、編碼器等等輸入信號以及觸摸屏的觸摸輸入信號，通過CPU內的程序循環執行，以鉆機電控房內PLC為主站,將鉆臺面司鉆房的從站PLC及所有電機傳動裝置從站的調速器或變頻器通過PN總線，組成通訊網絡,進行數據的交換。對輸入信號及輸出信號進行程序的邏輯與計算，通過高速實時處理,傳達到各個輸出模塊,通過外圍設備的動作來滿足鉆井工藝要求。考慮到設備控制的安全可靠問題，系統通過兩套功能完全相同的自動化系統作為冷備,從而降低了系統的故障率[3]。

2.2 電控房PLC主站

整個石油鉆機電控系統的核心是位于電控房綜合柜內的PLC，它作為系統的PLC主站，主要由CPU、電源模塊、輸入模塊和輸出模塊、工藝模塊等等組成。其中CPU模塊作為整套系統的“大腦”，其存儲卡內存儲著整個電控系統的程序。編程人員可利用編程軟件，根據工藝的要求，完成程序的編制與修改，方便靈活。

2.3 鉆臺ET200從站

ET200從站由通訊接口模塊通過PN通訊線將其接入電控房綜合柜的PLC主站，完成通訊連接。其余模塊則根據輸入輸出需求添加，主要包括輸入模塊、輸出模塊和工藝模塊等。輸入模塊是采集鉆機控制中需要的各種信號，將其送進PLC，參與程序運算。從而在適當的時候通過輸出模塊進行輸出控制或顯示，完成整個鉆機設備的控制及顯示。方便司鉆和現場管理人員隨時掌握鉆井參數的變化情況。

3 結語

隨著生產裝備過程越來越趨向自動化、智能化，PLC的發展與應用將更加廣泛。更加智能化的PLC將融入更多的計算機新技術，從而具有更多新功能。PLC也將覆蓋更多的工業生產控制領域。而隨著PLC的發展，其在石油鉆機控制中的應用將越來越廣泛、靈活。