一種用于石油鉆機絞車系統的斷軸保護控制及方法

武龍

（天水天傳電氣工程有限責任公司，甘肅 天水 741020）

絞車系統作為石油鉆井里的三大系統之一（即提升系統，另外兩種為循環系統和旋轉系統），在整套系統中起著至關重要的作用。目前絞車提升系統的保護有失電剎車、上碰下砸、電子防碰等。這些看似安全可靠的保護系統，卻忽略了對絞車軸的監測，導致保護系統出現危險的系統漏洞。直至鉆井現場出現絞車軸突然斷裂，大鉤及游車做自由落體運動，致使速度加速下降，當系統保護激活時，盤剎已無法及時剎住，致使大鉤及游車下砸鉆臺面，對設備造成了不小的損害，因此維修整改在所難免。斷軸事故將增加斷軸保護這一功能擺在了研發的首要位置，但針對現場已投入設備，用戶不愿增加成本而是作為整改項提出，如何在不增加成本或盡量減少成本的情況下，利用現有配置解決這一問題，需首先考慮。

在與現場操作人員了解情況時我們得知，在操作過程中發現懸重突然驟降至趨于0ton，緊接著大鉤及游車帶著鉆桿快速降落，操作人員緊急將給定速度回零，但大鉤及游車仍不見減速，依舊加速降落，又立即拍下緊急剎車按鈕，設備開始減速，但由于速度過快，導致剎車的減速長度加長，最終無法避免地下砸鉆臺面。

根據現場人員的描述，我們不難發現：絞車斷軸以后，滾筒失去了動力，死繩固定器處承受的重力也隨之減小，趨于0，反映到現有檢測裝置上的話，即為懸重趨于0。可否利用懸重的變化來進行邏輯判斷，以達到檢測絞車斷軸的目的。因為懸重本身就是必須采集的信號之一，這樣就減少了對于硬件的增加，只需考慮在程序中進行邏輯判斷即可。

1 總體設計

本系統使用的是S7-300的模塊化小型PLC系統，主要面向制造工程的系統解決方案。各種單獨的模塊之間可以進行廣泛組合構成不同要求的系統，集成了方便的人機界面（HMI）服務，使得人機對話的編程要求大大減少；具備強大的通訊功能，S7-300 PLC可通過編程軟件Step7的用戶界面提供通訊組態功能，這使得組態非常容易、簡單。[1]

系統中，主PLC選用CPU 315-2 DP（6ES7 315-2AH14-0AA0），作為系統的可編程控制中心，控制系統的正常運行；電源選用PS 307 5A（6ES7 307-1EA01-0AA0），為CPU提供可靠的電源支持；還配有32路DI模塊（6ES7 321-1BL00-0AA0）和32路DO模塊（6ES7 322-1BL00-0AA0），用以接收輸出信號;從站選用IM153（6ES7 153-1AA03-0XB0），用以將鉆臺上的信號傳遞給PLC進行處理控制，從站還包含32路DI模塊（6ES7 321-1BL00-0AA0）、32路DO模塊（6ES7 322-1BL00-0AA0）、8路AI（6ES7 331-7KF02-0AB0）和一塊用以計算大鉤高度的計數器模塊FM350（6ES7 350-1AH03-0AE0）；絞車的控制器為S120系列的CU310-2 DP,接收PLC的指令，并將自己的運行信息傳遞給PLC；HMI觸摸屏顯示界面選用TP1200,能夠實時將PLC收集處理的信號在HMI上顯示，并控制PLC的動作。

死繩固定器上的傳壓包采集的懸重信號，通過壓力變送器將壓力信號（10MP）轉換成4-20mA的電流信號，再通過4-20mA轉0-10V的隔離模塊，送給PLC從站的模擬量輸入模塊AI（6ES7 331-7KF02-OABO），便可得到實際懸重值，但由于機械信號與電信號存在誤差，為保證電信號與機械信號懸重值的一致性，系統加入了矯正系數，矯正系數通過上下箭頭增加或者減少來達到矯正的效果，默認值為100%。得到準確的懸重值后，PLC將其與斷軸懸重閾值進行對比，從而判斷絞車是否斷軸。若系統判斷絞車斷軸，則通過PLC輸出控制指令，控制指令通過從站的DO模塊傳遞給繼電器，由繼電器的觸點將信號傳遞給司鉆房電磁閥；用繼電器傳遞信號能夠很好地保證本系統與盤剎系統的獨立，任何一方的損壞都不會影響對方的系統。電磁閥接收到信號以后，通過氣路傳遞給盤剎控制系統，盤剎控制系統通過自身邏輯控制盤式剎車做出相應的動作，從而確保絞車斷軸時能及時剎車，保證設備及人員的安全。

關于斷軸懸重閾值的設置：雖然絞車斷軸以后游車與大鉤做自由落體運動，懸重趨于0，但為了保證系統能夠在絞車斷軸時做出快速響應，斷軸懸重閾值需要根據現場情況進行設置。在矯正好電信號的懸重與機械懸重一致，以及上碰下砸點與減速點的情況下，我們不帶鉆具，將游車和大鉤升到最高位，然后拉滿手柄（交流鉆機），讓大鉤及懸重快速下放，此時不用減速，游車和大鉤會在減速點開始減速，下砸點進行停車。在這一過程中觀察懸重的變化，用最小值-3t作為斷軸懸重閾值即可，反復此過程，以便找到合適的數值，以免在操作過程中出現誤報警而停機。

本系統考慮到設備在纏繩時，懸重會出現低于斷軸懸重閾值的情況，通過更改斷軸懸重閾值而解除保護不太方便，所以在人機界面HMI中加入了【絞車短軸保護解除】按鈕，以便在需要纏繩時出現誤動作解除保護，能夠更加方便快捷地進行操作。其系統流程圖如圖1所示。

圖1 系統流程圖

本系統包括硬件組態模塊、邏輯判斷模塊、觸摸屏操作顯示模塊。系統結構如圖2所示。

圖2 系統結構圖

2 具體實施方式

2.1 硬件組態模塊

可編程控制器PLC（S7-300）通訊端口與絞車控制系統（S120）的通訊端口、觸摸屏（TP1200）通訊端口、PLC從站（IM153）通訊端口通過DP總線方式連接起來，構成總線通訊網絡，進行數據采集、數據傳輸和程序運行。可編程控制器PLC的開關量輸出端（或模擬量輸出端）與絞車剎車控制系統中的（液壓）控制閥連接，（液壓）控制閥用于控制滾筒本體剎車機構回路，使其按照程序動作，完成剎車功能，絞車控制系統與剎車控制系統之間為連鎖關系。其系統硬件組態如圖3所示。

圖3 硬件組態

2.2 邏輯判斷與設備控制模塊

懸重通過壓力變送器將4-20mA信號通過PLC從站傳給可編程控制器PLC,CPU將其進行規格化處理，再與【斷軸懸重閾值】進行比較，【絞車短軸保護解除】未激活的情況下，懸重小于【斷軸懸重閾值】時，斷軸保護激活，CUP輸出控制信號，通過剎車驅動回路輸出至剎車機構，來精確控制剎車機構動作。具體程序編寫如圖4所示。

圖4 程序編寫

2.3 HMI顯示模塊

TP1200觸摸屏上有懸重矯正按鈕，能更加準確地顯示實際懸重，以保證采集信號的準確可靠；【斷軸懸重閾值】與【絞車短軸保護解除】使得設備的使用更具人性化及可操作性。如圖5、圖6所示。

圖5 斷軸懸重閾值填寫

圖6 絞車斷軸保護解除按鈕

3 結論

本次設計利用原系統現有硬件配置，在程序及控制畫面上加入邏輯判斷及設置與控制按鈕，最大程度地減少了優化成本，使設備安全性能得到了大幅提升。通過PLC對懸重的檢測判斷，從而將盤剎控制信號輸出，利用盤剎將滾筒剎住，以防止鉆機提升系統在絞車斷軸后，使滾筒失去動力，致使游車、大鉤及頂驅設備做快速自由落體運動，從而下砸鉆臺，損壞設備。這一簡單的應用為鉆機電控系統又增加了一道防護，使得鉆機設備的運行更加安全可靠。