基于PLC的石油鉆井平臺升降控制系統設計

王恒 張云飛 賈原杰 岳明明 閆恒宇

摘要：為實現對鉆井平臺升降行程的精準控制，文章設計了基于PLC的石油鉆井平臺升降控制系統。將PLC控制器作為系統開發的核心，設計系統架構；將鉆井平臺控制過程作為一個慣性作業環節，在上機位端發出控制指令，實現基于PLC建立鉆井平臺控制目標函數；根據設計端的綜合部署需求，在軟件功能模塊中添加錯誤條件與指令判定程序，設計石油鉆井平臺升降集中控制與驅動保護。對比實驗結果證明：該系統可以實現對系統前端發出指令的精準控制。

關鍵詞：PLC；目標函數；驅動保護；系統設計；升降控制；石油鉆井平臺

中圖分類號：TP39 ?文獻標志碼：A

0 引言

海洋石油工程開采中不可缺少的設備為石油鉆井平臺，鉆井平臺自身主要由動力裝置、鉆桿、液壓系統和升降系統組成［1］。近年來，隨著石油勘探開發的日益深入，石油鉆井平臺的作業范圍也越來越廣，越來越多的鉆井工程使用石油鉆井平臺作為支撐。在鉆井作業中，平臺的升降控制會對現場工作人員和設備產生極大安全隱患［2］。一旦出現升降控制錯誤的現象，十分容易發生工程現場安全事故。為實現對石油鉆井平臺升降的精準控制，本文提出了多種針對鉆井平臺的控制系統，傳統的升降控制系統大多由液壓缸、液位傳感器、變頻器、電動機等組成，大部分升降控制系統在應用中存在一定的缺陷。為解決此方面問題，本文將PLC技術作為支撐，從硬件與軟件兩個方面，對石油鉆井平臺升降控制系統展開設計，旨在通過此種方式，實現對鉆井平臺升降的高精度控制。

1 控制系統架構

為確保開發的系統可以實現對鉆井平臺升降的精準控制，將PLC控制器作為系統開發的核心［3］，設計控制系統架構。建立鉆井平臺與升降控制系統之間的互聯網通信連接。控制過程中，在控制臺終端發出升降控制指令，PLC控制器在接收到控制指令后，在通信網絡的支撐下，驅動電機運行［4］。此時，集成在升降平臺中的開關傳感器、荷載傳感器、開度傳感器等，將持續反饋鉆井平臺驅動信號，通過此種方式，實現對石油鉆井平臺的升降控制。

2 PLC控制器選型

為確保開發的系統在實際應用中可以達到預期效果，完成系統架構的設計后，明確PLC控制器是支撐該系統運行的主要設備［5］。因此，設計PLC控制器技術指標如表1所示。

完成對PLC控制器的選型后，設計PLC控制器在系統中的作業模塊如表2所示。

按照表2所示的內容，配置PLC控制器在系統中的功能模塊，以此種方式，完成對控制系統中PLC控制器的選型與功能部署。

3 基于PLC建立鉆井平臺控制目標函數

完成上述設計后，為實現對石油鉆井平臺的有效控制，引進PLC技術，設計針對鉆井平臺的控制目標函數。在此過程中，可以將鉆井平臺控制過程作為一個慣性作業環節，在上機位端發出控制指令，建立可編程邏輯控制程序在系統中的傳遞函數，函數表達式如式（1）所示［6］。

G=KT（s）+1（1）

式（1）中：G表示PLC控制指令傳遞函數；K表示電機轉動慣量；T（s）表示電機轉矩常數。將傳遞的控制信號錄入PWM功率放大器中，利用輸入端接收到的數據，通過用戶設置程序操作，通過輸出端輸出對應的控制信號，對鉆井升降平臺中的電磁體進行控制。按照上述方式，建立如下計算公式所示的鉆井平臺控制目標函數［7］。

G′=Kp1+1T（s）+T（d）（2）

式（2）中：G′表示鉆井平臺控制目標函數；Kp表示控制目標積分常數；T（d）表示控制目標比例常數。

4 石油鉆井平臺升降集中控制與驅動保護

完成上述研究后，設計石油鉆井平臺的升降集中控制與驅動保護。設計過程中，對石油鉆井平臺升降控制系統的軟件功能進行模塊化設計，根據設計端的綜合部署需求，在軟件功能模塊中添加錯誤條件與指令判定程序。通過此種方式，提高升降控制系統對控制指令的糾錯能力，保證系統在運行中的安全性和可靠性。

PLC軟件主要分為啟動自檢和循環自檢。在系統通電后，程序先檢測各傳感器的輸入信號及控制狀態的反饋，確認各信號的正確性與時效性后，啟動控制程序。在系統正常工作后，程序仍會繼續對各輸入和反饋信號進行自我檢查。在自檢期間，將實時監測到的狀態參數傳遞給控制中心，一旦發現異常，就會立刻停止運行，并向控制人員發出警報。

編程石油鉆井控制平臺的升降控制指令與程序時，電壓、電流讀取指令將存于程序數據塊，可設計其開始位為VB1100；在讀命令發出后，PLC等待數據的接收，將所接收的數據存入VB1120，將其作為控制地址的存儲空間中。在自動控制中，主程序在啟動后進行循環調用，對各個傳感器的參數進行檢測，判斷和執行相應的控制命令。按照上述方式，實現石油鉆井平臺升降集中控制與驅動保護，完成基于PLC的石油鉆井平臺升降控制系統設計。

5 對比實驗

上文引進PLC技術，完成了石油鉆井平臺升降控制系統的開發與設計，為實現對該系統在實際應用中效果的檢驗，下文將以某地區大型石油鉆井工程項目為例，通過設計對比實驗的方式，對該系統的升降控制效果展開測試。

搭建測試環境，建立測試環境與石油鉆井平臺之間的通信連接，設置石油鉆井平臺型長為75.12 m、型寬為63.05 m、最大作業水深為320 ft、最大鉆井深度為3.0×104 f、樁腿長度為143.56 m。將本文開發的升降控制平臺集成在測試環境中，使用本文系統，對石油鉆井平臺進行升降控制。控制中，按照上文設計內容，選型PLC控制器，建立鉆井平臺控制目標函數，同時，驅動上機位控制程序，對石油鉆井平臺升降進行集中控制與驅動保護。

為確保實驗結果具有可比性，引進基于模糊控制的升降控制系統，與基于FOA-PID控制器的升降控制系統，將其作為傳統系統1與傳統系統2，將本文系統與傳統系統按照規范集成在測試環境中。確保系統與測試環境之間建立通信連接后，驅動石油鉆井平臺升降控制程序，對平臺進行升降控制，對控制后升降臺3個樁腿的上升與下降行程進行統計，通過此種方式，掌握升降控制系統的控制效果。統計實驗結果如表3所示。

從表3所示的實驗結果可以看出，當系統控制端發出石油平臺的升降指令后，只有本文系統可以實現對升降指令的高精度執行與控制，且控制中，樁腿1、樁腿2與樁腿3的上升行程與下降行程完全一致，避免由于樁腿升降差異導致石油鉆井平臺出現失衡安全隱患。因此，在完成上述設計后，得到如下實驗結論：本文設計的基于PLC的石油鉆井平臺升降控制系統在實際應用中的效果良好，該系統可以實現對系統前端發出指令的精準控制，通過此種方式，發揮鉆井平臺在石油開采工程中更高的效能與價值。

6 結語

現階段，PLC技術是實現自動化控制設計的核心技術，為深化PLC技術在工程領域內的應用，本文在此次研究中，通過建立鉆井平臺控制目標函數、石油鉆井平臺升降集中控制與驅動保護，完成了基于PLC的石油鉆井平臺升降控制系統設計。為實現對該系統實際應用效果的測試，以某地區大型石油鉆井工程項目為例，設計對比實驗，實驗結果證明，該系統可以實現對系統前端發出指令的精準控制。

參考文獻

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［7］張照國，戰桂芳.2014款寶馬520i車駕駛人側車窗升降主開關無法同時控制多個車窗升降［J］.汽車維護與修理，2021（13）：55-56.

（編輯 李春燕）

Design of lifting control system of oil drilling platform based on PLC

Wang? Heng1， Zhang? Yunfei2， Jia? Yuanjie1， Yue? Mingming1， Yan? Hengyu1

（1.Aerospace Shentuo （Beijing） Technology Co.， Ltd.， Beijing 100176， China;

2.CNPC Bohai Drilling and Directional Well Company， Tianjin 300280， China）

Abstract：? In order to realize the precise control of the lifting stroke of the drilling platform， the lifting control system of the oil drilling platform based on PLC is designed. PLC controller as the core of system development， design system architecture; The control process of the drilling platform is regarded as an inertial operation， and the control command is issued at the upper end， which realizes the establishment of the control objective function of the drilling platform based on PLC. According to the integrated deployment requirements of the design end， the error condition and instruction determination program are added to the software function module to design the centralized control and drive protection of the oil drilling platform. The experimental results show that the system can realize the precise control of the instruction in front of the system.

Key words： PLC; objective function; drive protection; system design; lift control; oil drilling platforms