PLC技術在石油機械液壓控制系統中的應用

徐富軍，陳 弓

(中海油能源發展裝備技術有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

石油是世界各國比較重要的能源之一，直接決定一個國家的綜合實力和整體發展水平。而傳統的石油機械產品無法滿足時代發展需求，為了更好地發揮石油機械液壓控制系統的優勢，就需要加強對PLC技術的應用，并將其與石油機械液壓控制系統進行有效結合，以此來提高石油機械運行效率。以下對PLC技術、石油機械液壓控制系統以及兩者的實際運用情況給予詳細闡述。

1 PLC技術

PLC是可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)的簡稱，其內部的存儲器屬于核心零件，集編程、運算、計數、計時、控制順序等于一體，當上述程序實現后，將結果通過模擬信號傳輸至后續的控制器，從而更好地滿足用戶需求。通過對PLC的構成與作用進行分析可以發現，其在工業生產方面可以被當作微型計算機來使用，主要是由于其擁有了微型計算機所有的特征，然而PLC技術也具備一些獨特之處，如功能較多、易于編程、性能良好、極強的抵抗干預能力和較高的可靠性等，在工業生產中得到了廣泛應用。

PLC技術的結構主要包含電源、存儲器、CPU、結構模塊、功能模塊和輸入輸出接口電路等，并通過電源總線、控制總線、數據總線等構成統一整體。

1)PLC技術選擇了簡明的邏輯圖、梯形圖或語句表作為編程語言，不需要具備計算機知識就能夠操作，同時系統開發周期比較短，容易進行現場調試。此外，可在線對PLC技術的程序進行修改，在對控制方案進行調整時無需拆動硬件。

2)如今，PLC產品開始趨于系列化、標準化、模塊化，并且各種硬件裝置品種齊全，可供不同用戶進行選擇。同時，用戶可以對系統配置進行靈活方便的調整，從而組成不同規模、不同功能的系統。PLC技術接線安裝也比較方便，可以通過接線端子與外部接線進行連接。同時PLC技術還具備比較強的帶負載能力，能夠直接驅動小型交流接觸器和一般的電磁閥。

3)通常情況下，在一臺小型PLC內，包含了大量可供用戶進行編程的元件，能夠完成相對復雜的控制功能。通過與功能相同的繼電器進行對比發現，其具有比較高的性價比。通過通信聯網，PLC技術可以實現集中管理，分散控制。

4)由于PLC用軟件取代了時間繼電器和中間繼電器等大量的繼電器控制系統，從而降低了控制柜的設計、安裝工作量。同時PLC的梯形圖程序選擇了順序控制設計理念，具有比較強的規律性，因此掌握和操作起來很容易。如果控制系統比較復雜時，設計梯形圖的時間要遠低于相同功能繼電器系統的電路圖設計所需時間。在實驗室可以通過PLC 的用戶程序來進行模擬調試，用小開關來模擬輸入信號，借助PLC上的發光二極管來對輸出信號狀態進行實時、動態觀察。在系統安裝和接線后，如果發現系統存在問題時，可以通過程序修改的方式來給予解決，并且與繼電器系統相比，PLC技術的調試時間少很多。

5)通常情況下，傳統繼電器控制系統選擇了大量的時間繼電器和中間繼電器，因為觸點接觸不良，增加了故障的發生率。PLC技術可以用軟件來取代時間繼電器和中間繼電器，僅保留了與輸入和輸出相對應的部分硬件元件，接線可以下降至繼電器控制系統的1/10～1/100，大大降低了由于觸點接觸不良而引發的運行故障。PLC技術選擇了一系列軟件和硬件抗干擾措施，從而使其抗干擾能力較強，平均無故障時間超過了數萬小時，在強烈干擾的工業生產現場得到了廣泛應用。

6)PLC技術具有比較低的故障率，而且具備完善的顯示和自診斷功能，當PLC或外部的執行機構和輸入裝置出現故障時，能夠借助PLC上的編程器或發光二極管提供的信息來對故障原因進行分析，并通過更換模塊的方式來使故障得到有效排除。

2 石油機械液壓控制系統分析

通常情況下，石油機械液壓控制系統要想確保各項功能的順利實現，少不了位于下面和上面的液壓缸，其中最典型的運作形式是手動、半自動與調整。實際上，石油機械液壓控制系統各方面工藝的實現更多依賴于頂出缸活塞與活動橫梁間的協作，其工作原理如圖1所示。

圖1 石油機械液壓控制系統工作原理圖

通常情況下，石油機械液壓控制系統自身存在操作技術簡單、傳輸功率大、調節方便和傳輸可靠穩定、沖擊力小等一系列的特點，因此在機械工程領域中應用廣泛，尤其是在高空作業車、鉆井、修井機、鉆機等石油機械產品中，其既能夠使勞動者的工作強度降低，而且還可以提高企業的生產效率和經濟效益。但是，在實際應用過程中，更多的仍然局限于傳統的手動、液壓控制、氣動和電磁等控制模式，從而增加了石油機械液壓控制系統運行的難度。但是，現有石油機械液壓控制方法探究更多的局限于以往的手動、氣動、電磁和液壓控制，無形之中給現有工作研究和開展產生不利影響，其各種控制方式所具有的優缺點如表1所示。

表1 手動、氣動、電磁和液壓控制對比

在實際應用過程中，不同控制模式所具有的優缺點不同，其不僅會對石油機械中液壓控制系統的應用范圍產生影響，而且還會影響石油機械自動化控制進程，進而影響石油機械運行效率。隨著現代社會機械化、知識化、工業化、自動化和智能化的發展，社會各界對石油機械產品運行的可靠性、安全性和自動化程度的要求不斷提高，并使得石油機械設備自身所涉及的系統和構件變得越發復雜?；诖?，傳統石油機械液壓控制技術開始無法更好地滿足時代發展需求，亟需在日常工作中加強對新設備、新技術的應用，更好地發揮石油機械液壓控制系統的作用。

3 石油機械液壓控制中PLC技術應用的意義

對于石油機械液壓控制系統而言，通過對PLC技術的科學、合理的應用，可以有效擺脫傳統手動、半自動與調整的限制，并通過一定的壓邊力來進行操作，壓邊力一般是在溢流時缸液壓油拉深板材頂出時產生的，此過程并非可簡單控制，需要結合實際情況對之前的液壓系統進行調整和優化。由于PLC技術的應用，頂出缸不僅可以提供穩定的壓邊力，而且還可以隨狀況進行調整和優化，進而更好地發揮PLC技術的優勢，提高石油機械液壓控制效果。

4 合理選擇PLC技術

對于石油企業而言，在機械液壓控制系統運行過程中，要在對各方面因素給予綜合考慮的基礎上進行PLC選型，這些因素包括系統工作特點、系統控制任務、控制要求和控制范圍。只有對上述因素給予具體明確后，才能夠開展后續的相關操作和動作。同時，結合控制要求對輸入和輸出點數進行估算，并根據外部器件的特性和所需的存儲容量對PLC功能進行確定，最后優選出性價較高的PLC和控制系統。

4.1 預算輸入和輸出點數

在PLC技術選擇過程中，預算輸入與輸出點數是比較關鍵的一項因素，在對其進行預算時，需要對余量因素給予綜合考慮。實際上，適宜的PLC余量一般是預算所得的輸入和輸出點數乘以1.1或1.2這個數字倍數。通常情況下，在程序操作時余量的作用是確保具備充足的物理存儲空間范圍，以確保該程序在正常運作過程中不會遭遇物理存儲空間帶來的影響。在預算輸入和輸出點數過程中，要合理評估系統程序的范圍大小，由此來確定最適宜的PLC余量，避免因為物理存儲空間存在不足而導致系統運行不暢。

4.2 預算存儲器的容量

在預算完輸入和輸出點數后，就需要開展預算存儲器容量工作，這一步驟也尤為關鍵。只有對存儲器進行科學、準確的預算，才能在PLC技術下，更好地確保石油機械液壓控制安全、高效地運行。對于存儲器而言，如果與程序啟動和運轉所需容量相比，其可供給的總體容量比較小時，將會對系統的正常運轉產生干擾，甚至還有可能直接導致系統停止運行。因此，在預算存儲器的容量時，要對系統需要的真實容量給予綜合考慮，并保證所預算的容量大于需求的數量。然而，大多數情況下，對石油機械液壓控制系統的真實容量無法進行準確預算，從而增加了PLC選擇的難度。

4.3 選擇適宜的CPU

在獲得存儲器容量預算結果后，才會進行CPU的選擇。通常情況下，CPU大小要求超過真實需要，并保證其本身的演算速率與處理技能滿足用戶要求。同時，在通信接口與形式上，CPU存在一定的差異，因此應結合實際情況來對CPU進行科學、合理的選擇。此外，為了確保系統主站可以順利地與子站進行連接，還需要對石油機械液壓控制系統與PLC的總體構造給予綜合考慮。

4.4 合理分配I/O

由于PLC具有運算速度較快、數據處理能力強等特點，在分配I/O的過程中要對整個系統的技術和經濟指標給予綜合考慮，以此更好地發揮PLC的技術優勢。西門子公司生產的S7-200系CPU226型PLC，其I/O指令和功能系統可以更好地滿足石油機械液壓控制要求。實際上，控制按鈕、壓力繼電器及各處的行程開關等開關量信號將與PLC的輸入端子進行直接相連，并且PLC的開關量輸出端子將與各個電磁閥直接相連，通過外接24 V電源驅動或PLC上所帶的24 V電源來進行驅動，進而達到預期的控制效果。

4.5 合理選擇輸入與輸出模塊

對于石油機械液壓控制系統而言，在選擇PLC過程中，需要根據實際需求合理選擇輸入與輸出模塊，并綜合考慮總體的運用要求，以確保其正常運行。對輸入模塊而言，要求做好信號電平、信號隔離、供給信號方式及信號運送距離等方面的需求分析。對輸出模塊而言，要對其壽命的長短、價格的合理性、電壓的區間及性價比等內容進行分析。實際上，良好性能的輸入與輸出模塊價格比較高，此時最好根據真實需求來進行合理選擇，并保證輸出模塊最終傳輸方式滿足應用程序的需求。

4.6 控制功能的選擇

1)控制功能。其涵蓋了前饋補償控制運算、PID控制運算、比值控制運算等，此時最好結合控制要求進行確定。在石油機械液壓控制系統中，PLC控制器側重于順序邏輯控制，且在大部分場合選擇了多回路或單回路控制器，從而使模擬量的控制問題得到有效解決，必要的時候也會選擇專用的智能輸入輸出單元，進而在節省存儲器容量的同時，提高PLC控制器的處理速度。

2)運算功能。在石油機械液壓控制系統中，PLC技術的運算功能主要包括計時和計數、邏輯運算功能。在設計選型時，最好在對實際情況給予綜合考慮后對所需運算功能進行合理選用，以此來更好地提高運算水平。

3)通信功能。PLC技術可以支持多種標準通信和現場總線協議(如TCP/IP)，并且在具體應用階段最好與工廠管理網進行連接。通信協議需要滿足ISO/IEEE通信標準，并構建開放的通信網絡。通常情況下，PLC技術通信接口應包括RIO通信接口、串行和并行通信接口、常用DCS接口等。通信總線應滿足國際標準，通信距離符合裝置實際控制要求。

4)診斷功能。PLC技術的診斷功能側重于軟件和硬件的診斷，其中軟件診斷又包括了內診斷和外診斷，前者主要是借助軟件對PLC內部功能和性能進行診斷，而外診斷是借助軟件對PLC的CPU和外部輸入輸出進行診斷。硬件診斷主要是借助硬件的邏輯判斷來查明硬件存在的故障位置，進而及時采取有效措施給予處理。

在石油機械液壓控制過程中，PLC控制技術的應用尚處在剛剛起步階段，CPU、傳感器、伺服液壓件等相關配套件可能存在或多或少的缺陷與不足，因此需要注意以下幾個方面的問題。①軟件編程。在進行編程設計過程中，需要對各種條件給予綜合考慮，盡可能避免出現程序bedbug及盲區。②選型。要結合實際情況做好各方面的調查工作，盡可能選擇符合要求的傳感器、伺服馬達、伺服液壓缸及控制閥等。③仿真試驗。需要按照要求反復進行仿真試驗，對可能出現的問題給予綜合考慮。④前期投入。做好前期試驗、研制費用的預算工作，以確保后續操作的順利開展。

5 結語

在石油機械液壓控制過程中，要做好PLC 控制技術的選擇和應用工作，這樣既可以使傳統液壓控制系統中存在的問題得到有效解決，還可以提高設備運行的安全性和可靠性，進而有效提高石油機械液壓控制效果。