張文晶，張方舟，馬瑞民，李 強(qiáng)，孫瑞雪

(東北石油大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

基于PLC的井控遠(yuǎn)程臺實(shí)物仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張文晶，張方舟，馬瑞民，李 強(qiáng)，孫瑞雪

(東北石油大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

井控安全是石油生產(chǎn)最大的安全隱患，針對石油鉆井井控安全操作培訓(xùn)的不足，提出了基于PLC的井控遠(yuǎn)程臺實(shí)物仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。搭建一個井控遠(yuǎn)程臺培訓(xùn)系統(tǒng)的實(shí)物仿真平臺，用來對井控遠(yuǎn)程臺培訓(xùn)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和研究。介紹了基于PLC控制器為核心開發(fā)的井控仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并從PLC的工作原理和基本結(jié)構(gòu)，井控遠(yuǎn)程臺的操作工況，以及系統(tǒng)工作原理，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)流程進(jìn)行了詳細(xì)的論述。井控實(shí)物仿真培訓(xùn)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)真實(shí)操作訓(xùn)練和考核評分等功能。讓操作者在與真實(shí)相近的環(huán)境下模擬操作常用井控設(shè)備，提高鉆井井控操作標(biāo)準(zhǔn)化。

PLC；井控遠(yuǎn)程臺；實(shí)物仿真；培訓(xùn)系統(tǒng)

0 引 言

20世紀(jì)40年代末，仿真隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展而逐步成為一類試驗(yàn)研究的新興方法。仿真最初主要應(yīng)用在航空、航天、原子反應(yīng)堆等少數(shù)領(lǐng)域中。此后，計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息科學(xué)的迅猛發(fā)展，為仿真技術(shù)的應(yīng)用提供了關(guān)鍵技術(shù)和充足的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。

硬件實(shí)物仿真技術(shù)在火箭控制、制導(dǎo)導(dǎo)彈、控制衛(wèi)星姿態(tài)等研究應(yīng)用方面達(dá)到了較高水平。硬件實(shí)物仿真系統(tǒng)在武器型號研制中也發(fā)揮了十分重要的作用[2]。20世紀(jì)90年代，我國對虛擬現(xiàn)實(shí)、分布交互仿真等先進(jìn)仿真技術(shù)及其應(yīng)用開始進(jìn)行研究，開展了更大規(guī)模的綜合型系統(tǒng)仿真，由單個實(shí)驗(yàn)對象平臺的性能仿真發(fā)展為實(shí)驗(yàn)對象平臺在真實(shí)操作環(huán)境下的實(shí)時操作仿真[3]。由于科技水平的不斷提高和國家實(shí)力的逐步增強(qiáng)，硬件實(shí)物仿真新興技術(shù)也在取得新的突破。目前硬件實(shí)物仿真已經(jīng)滲透到了國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域，如環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、交通運(yùn)輸系統(tǒng)、生物工程、水利、化工、石油等，并在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中起到了重要作用[4]。

鉆井工程，這一工藝生產(chǎn)過程有復(fù)雜的操作、嚴(yán)格的技術(shù)要求，同時需要素質(zhì)較高的鉆井工作人員才能上崗操作[5]。鉆井工程要求其工作人員對每一個鉆井過程要有充分的認(rèn)識和理解，一旦發(fā)生溢流或井涌時，操作不當(dāng)就會引起一系列重大事故，如井噴、地陷等。在鉆井井控操作設(shè)備中，井控遠(yuǎn)程控制臺是地面防噴器的控制裝置，是液動壓井閥開、關(guān)動作、控制液壓防噴器的專用設(shè)備，是天然氣、石油鉆井(或修井)過程中防止井噴失控必不可少的裝備，而現(xiàn)有的井控仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中沒有針對井控遠(yuǎn)程控制臺的實(shí)物仿真系統(tǒng)，所以研究用于培訓(xùn)操作人員的井控實(shí)物仿真系統(tǒng)是十分必要的[6]。井控遠(yuǎn)程控制臺是井控設(shè)備操作中的樞紐設(shè)備，遠(yuǎn)程控制臺達(dá)到待命工況須做各種準(zhǔn)備工作，從而進(jìn)行接下來的轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)工作，使井控操作得以進(jìn)行下一步。更為重要的是，井控遠(yuǎn)程控制臺實(shí)物操作的仿真培訓(xùn)是現(xiàn)在井控培訓(xùn)中的空缺，設(shè)計(jì)井控遠(yuǎn)程控制臺實(shí)物仿真使得仿真培訓(xùn)更完整接近現(xiàn)場工況。雖然井控前臺操作比較復(fù)雜，實(shí)地培訓(xùn)受到很多限制，但是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，與虛擬前臺操作相比，實(shí)物仿真操作更加逼近真實(shí)操作，讓培訓(xùn)人員得到大量的演練、訓(xùn)練與考核，使操作者真實(shí)接觸操作設(shè)備更能提高培訓(xùn)人員的技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)實(shí)物前臺操作的仿真培訓(xùn)將會成為石油行業(yè)防井噴作業(yè)的新方向。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件主要由井控遠(yuǎn)程控制臺及其相關(guān)井控實(shí)物設(shè)備、傳感器模塊、PLC、教師控制計(jì)算機(jī)構(gòu)成。井控遠(yuǎn)程控制臺是該培訓(xùn)系統(tǒng)的主要操作設(shè)備，是培訓(xùn)人員進(jìn)行培訓(xùn)的前臺實(shí)物；傳感器模塊實(shí)現(xiàn)待檢測點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換；PLC負(fù)責(zé)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并根據(jù)輸入值控制井控遠(yuǎn)程臺的下一步操作。

1.1 PLC的基本概況

PLC(Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器)在1969年問世于美國，它是一種以微處理器為核心的新型、通用的自動控制裝置，同時綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、電氣控制技術(shù)、自動控制技術(shù)、通訊技術(shù)等先進(jìn)的學(xué)科技術(shù)。經(jīng)過40多年的發(fā)展變遷，PLC已然成為最重要、最可靠、應(yīng)用環(huán)境最廣泛的工業(yè)控制領(lǐng)域的微型計(jì)算機(jī)[7]。PLC執(zhí)行內(nèi)部程序的存儲是由一種可以編程的存儲器完成的，同時還可以執(zhí)行順序控制、邏輯運(yùn)算、計(jì)數(shù)、定時和其他算術(shù)操作等面向用戶的指令。PLC控制各種類型機(jī)械的生產(chǎn)過程是通過模擬量或數(shù)字量的輸入與輸出完成的[8]。它具有易于編程、使用方便、控制功能強(qiáng)、可靠性高以及擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)[9]。

1.1.1 PLC的硬件組成

PLC硬件一般由五部分組成，包括中央處理器CPU、輸入和輸出模塊、存儲器、編程器和電源[10]。其中，輸入模塊包括開關(guān)或傳感器、繼電器觸點(diǎn)和行程開關(guān)等；輸出模塊包括電磁裝置指示燈和電動機(jī)以及其他執(zhí)行裝置。

可編程邏輯控制器是一種采用數(shù)字采樣的控制系統(tǒng)，它與處理壓力、溫度、流量等模擬量的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)(DCS)有很大不同。它是通過中央處理單元與存儲器的緊密配合，進(jìn)行控制以及運(yùn)算功能[11]。

1.1.2 PLC的工作原理

PLC的掃描周期采用一種快速往復(fù)巡回的方式，如圖1所示。PLC每重復(fù)一次這四個階段所有的時間就是一個掃描周期。

圖1 PLC的掃描周期

PLC主要采用循環(huán)掃描的工作方式，其一個采樣周期一般在10 ms到20 ms之間，同時也可以根據(jù)現(xiàn)場不同的被控對象的需求來選擇更短的采樣周期。

某些新型的可編程邏輯控制器應(yīng)運(yùn)而生，其掃描周期的精確度可以達(dá)到十分之一個毫秒的級別。PLC的中央處理單元是利用分時操作的方式處理各項(xiàng)任務(wù)，從PLC的外部輸入、輸出過程來看，運(yùn)算速度高，可瞬時完成處理要求[12]。在PLC中的CPU每次掃描分步完成以下工作：

(1)讀入數(shù)據(jù)：把實(shí)驗(yàn)開關(guān)量的各種輸入信號和數(shù)據(jù)參數(shù)分別錄入在數(shù)據(jù)寄存器和輸入寄存器中。

(2)解釋用戶程序：產(chǎn)生對應(yīng)的控制信號控制有關(guān)的電路在PLC內(nèi)部，同時可進(jìn)行存取數(shù)據(jù)、傳送數(shù)據(jù)以及處理數(shù)據(jù)的工作，之后參照運(yùn)算結(jié)果將各個相關(guān)寄存器的內(nèi)容更新[13]。

(3)輸出數(shù)據(jù)：輸出模塊將接收到由輸出寄存器存儲的內(nèi)容來驅(qū)動和控制外部設(shè)備。

若干條不同指令組成了PLC的用戶程序，這些指令在儲存器中是按照步進(jìn)序列號順序排列儲存。當(dāng)程序沒有使用跳轉(zhuǎn)指令時，CPU執(zhí)行的第一條指令將會從程序的第一條指令開始，按照順序依次來執(zhí)行用戶程序，直到整個程序結(jié)束。然后，程序返回至開始的第一條指令，同時重新開始掃描整個程序。這樣不斷重復(fù)上述掃描就是PLC的循環(huán)過程，從而完成對控制對象的實(shí)時操控任務(wù)[14]。一套PLC系統(tǒng)硬件部分還包括許多模塊。除了一般模擬量和數(shù)字量輸入輸出模塊外，對于I/O模板來說，目前還發(fā)展出具有特殊功能系列的I/O模板，如高速計(jì)數(shù)模板應(yīng)用在機(jī)械加工領(lǐng)域和運(yùn)動控制領(lǐng)域、PID模板應(yīng)用在控制系統(tǒng)中反饋控制使用，以及中斷輸入處理模板、單軸或多軸位置控制模板等。這些特殊模板一般由PLC中的CPU來執(zhí)行分析和處理，自身僅提供硬件支持環(huán)境的模板的通訊接口。

1.1.3 PLC的控制系統(tǒng)

基于PLC的井控遠(yuǎn)程控制臺實(shí)物仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中，培訓(xùn)人員的操作動作信號的采集、傳輸與PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是該仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的核心部分，因此提供的硬件必須具有較高的擴(kuò)展性、可靠性、可維護(hù)性以及良好的人機(jī)接口。其硬件部分主要有以下部分：PLC的CPU及其功能模塊，信號傳感器以及信號傳輸部分，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 井控遠(yuǎn)程臺的設(shè)計(jì)

1.2.1 井控遠(yuǎn)程控制臺的組成

目前，國內(nèi)現(xiàn)場使用的控制裝置，它們的工作原理與結(jié)構(gòu)組成以及操作要領(lǐng)基本相同。該控制裝置可以控制一臺環(huán)形防噴器、一臺雙閘板防噴器、一臺單閘板防噴器、一個液動閥、一個備用控制線路，共計(jì)可控制6個對象。

該裝置的蓄能器組是由8個蓄能器組成，單瓶公稱容器801，因此蓄能器公稱總?cè)莘e為6 401。井口防噴器開關(guān)動作所需的液壓油由蓄能器提供，蓄能器所儲存的液壓油則由電泵與氣泵供應(yīng)與補(bǔ)充[15]。

遠(yuǎn)程控制臺上除氣源壓力表外還裝有3個油壓表，即蓄能器壓力表、環(huán)形防噴器供油壓力表、閘板防噴器供油壓力表。為使司鉆控制臺上的操作者能隨時了解遠(yuǎn)程控制臺上的油壓變化情況，蓄能器裝置上安裝有3個氣動壓力變送器。氣動壓力變送器的作用是將油壓的變化轉(zhuǎn)為氣壓訊號。氣管線將氣壓訊號傳輸至司鉆控制臺上的二次儀表，由二次儀表顯示油壓值。

1.2.2 井控遠(yuǎn)程控制臺工作的原理

氣控液型控制裝置的工作過程分為：

(1)液壓能源的制備與儲存；

(2)控制裝置的液控流程—壓力油的調(diào)節(jié)與流向的控制；

(3)氣壓遙控：壓縮空氣經(jīng)分水濾氣器、油霧器后，經(jīng)氣源總閥輸送至各空氣換向閥，控制儲能器裝置上二位氣缸動作，推動相應(yīng)的換向閥手柄，間接控制防噴器開關(guān)。

1.2.3 井控遠(yuǎn)程控制臺的改造

為實(shí)現(xiàn)井控遠(yuǎn)程臺設(shè)備操作的流程，滿足高頻次的培訓(xùn)需要，同時針對設(shè)備帶壓狀態(tài)下的操作磨損，采用非真實(shí)液壓油進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制。根據(jù)以上需求對井控遠(yuǎn)程控制臺進(jìn)行設(shè)計(jì)改造。該仿真培訓(xùn)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)是對原有井控設(shè)備遠(yuǎn)程臺進(jìn)行改造，主要是對遠(yuǎn)程臺上各功能儀表和各關(guān)鍵閥門進(jìn)行改造。

首先，將現(xiàn)有由氣動壓力變送器作用使油壓轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈮河嵦柕男钅芷鲏毫Ρ?、管匯壓力表等壓力信號儀表改為電信號儀表，使連續(xù)的氣動壓力信號轉(zhuǎn)換為離散的電信號。其次，在各關(guān)鍵閥門處安裝相應(yīng)傳感器等設(shè)備，實(shí)時采集操作者操作動作、視角與設(shè)備狀況信號。同時，傳感器采集的信號通過PLC控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析整理后，反饋至音效仿真單元與教師控制計(jì)算機(jī)上。最終，控制計(jì)算機(jī)根據(jù)操作者動作行為進(jìn)行過程記錄、結(jié)果評價、語音提示，以及設(shè)備內(nèi)部動作三維動畫播放等操作。

其中，改造的設(shè)備分三類：用于信號采集的手動旋轉(zhuǎn)閥門手動開關(guān)等設(shè)備，用于數(shù)據(jù)輸出和顯示的各功能儀表設(shè)備，用于操作的遠(yuǎn)程控制臺上的各種閥門設(shè)備。這些都是該系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)的硬件設(shè)備。

1.3 傳感器的選型和設(shè)計(jì)

當(dāng)今信息技術(shù)以飛一般的速度在大時代的浪潮中前行，這與傳感器所發(fā)揮的作用是息息相關(guān)的，其在數(shù)據(jù)采集和處理過程中所起到的作用是無可取代的，更是獲取信息的有效手段。傳感器其實(shí)是一種測量器件(或者裝置)，它為系統(tǒng)提供一定的需求，采用被測量轉(zhuǎn)換為其他的物理量的方法。盡管不同的傳感器其功能、組成、工作原理以及應(yīng)用范疇都存在差異，但是都是由轉(zhuǎn)換原件、測量電路和敏感元件三部分構(gòu)成。

在鉆井井控過程中，依靠不同的傳感器對待遠(yuǎn)程控制臺上的不同信息進(jìn)行檢測。首先，檢測蓄能器截止閥操作閥門的起始位置和手動操作旋轉(zhuǎn)的終止位置，采用加裝編碼器用于檢測閥門旋轉(zhuǎn)度，模擬操作者對閥門的準(zhǔn)確控制動作過程，使旋轉(zhuǎn)式閥門在操作過程中能夠使操作者的操作狀態(tài)達(dá)到真實(shí)的效果，可方便地轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳輸給PLC；其次，檢測三位四通換向閥、旁通閥、儲能器截止閥等閥門開關(guān)狀態(tài)，采用加裝磁力傳感器的方法，用于檢測手動閥門位置，模擬操作者控制動作。此傳感器的使用是最為巧妙的方案，并不是磁力傳感器本身有什么特殊的長處，而是磁力傳感器與旁通閥以及多個三位四通轉(zhuǎn)換閥的巧妙結(jié)合，利用了磁力傳感器的特點(diǎn)和三位四通轉(zhuǎn)換閥以及旁通閥的工作原理和結(jié)構(gòu)特征，選擇將兩者結(jié)合在一起能夠逼真地實(shí)現(xiàn)實(shí)物設(shè)備的仿真培訓(xùn)；再次，采用加裝紅外傳感器的方法用于模擬操作者視角變化，便于教師的考核與評分。選擇了SHARP公司的紅外測距傳感器GP2Y0A02YK0F系列產(chǎn)品，其可測距離20～150 cm，電源電壓4.5～5.5 V[16]。然后，(基于PLC控制的氣密液壓檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn))遠(yuǎn)程控制臺正常運(yùn)行過程中真實(shí)的內(nèi)部操作都是由油壓和氣動壓力完成的，因此，壓力信號采集是整個系統(tǒng)的核心，壓力傳感器的精度是關(guān)系到整個系統(tǒng)檢測的重要因素。采用精度較高的壓力傳感器以用于提高系統(tǒng)的檢測精度，減小誤差，得到更精確的檢測結(jié)果。最后，將檢測到的電信號傳輸?shù)絇LC控制器和計(jì)算機(jī)上進(jìn)行分析和計(jì)算[17]。

基于PLC井控遠(yuǎn)程臺實(shí)物仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)前文所述，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成主要由PC機(jī)、傳感器、PLC、井控遠(yuǎn)程臺設(shè)備四部分組成。整個設(shè)計(jì)由兩部分組成，分別為上位機(jī)與下位機(jī)。上位機(jī)采用紫金橋組態(tài)軟件，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理?？稍O(shè)定和修改壓力值、閥門旋轉(zhuǎn)度等電信號的標(biāo)準(zhǔn)值與報(bào)警值，查詢歷史記錄、顯示歷史曲線圖以及分析每一次操作的分步數(shù)據(jù)，檢查各監(jiān)測點(diǎn)的信息狀況，完成數(shù)據(jù)的自動記錄；利用教師計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)時數(shù)據(jù)的監(jiān)測、設(shè)定數(shù)據(jù)極限值，如果釆集到的數(shù)據(jù)超出或不滿足設(shè)定的范圍，系統(tǒng)會給出提示信息。PLC是下位機(jī)的主控制器，完成信號的采集、傳輸、數(shù)據(jù)的整理分析，并將教師培訓(xùn)系統(tǒng)、機(jī)械隨動和音效仿真系統(tǒng)以及重點(diǎn)部位影像投放系統(tǒng)等功能與原有功能相結(jié)合共同發(fā)揮作用，實(shí)現(xiàn)在實(shí)際設(shè)備上的仿真培訓(xùn)功能。

圖4為實(shí)物仿真培訓(xùn)系統(tǒng)原理圖。

圖4 實(shí)物仿真培訓(xùn)系統(tǒng)原理圖

該井控遠(yuǎn)程臺實(shí)物仿真培訓(xùn)中，主要對三個工況做出設(shè)計(jì)，它們是：在遠(yuǎn)程臺操作電氣泵進(jìn)行壓力油制備，在遠(yuǎn)程臺操作三位四通換向閥進(jìn)行防噴器及放噴閥開關(guān)操作，在遠(yuǎn)程臺操作手動與氣動減壓閥進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)。這三個工況在該實(shí)物仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)有相似之處，所以這里選擇其中一個操作流程設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)說明。

在遠(yuǎn)程臺操作手動與氣動減壓閥進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)時：

第一，由教師在教師控制計(jì)算機(jī)上分別選擇“調(diào)節(jié)壓力對象(手動、氣手動或司控臺)、操作類型(培訓(xùn)或考核)”等參數(shù)。

第二，操作者根據(jù)調(diào)節(jié)要求分別調(diào)節(jié)手動或氣動減壓閥。調(diào)節(jié)手動減壓閥時，順時針旋轉(zhuǎn)手輪二次油壓調(diào)高；逆時針旋轉(zhuǎn)手輪二次油壓調(diào)低。調(diào)節(jié)氣手動減壓閥時，順時針旋轉(zhuǎn)氣手輪減壓閥手輪二次油壓調(diào)高；逆時針氣手輪減壓閥手輪二次油壓調(diào)低。如需要在司控臺進(jìn)行調(diào)節(jié)時，先將三位四通氣轉(zhuǎn)閥(分配閥)扳向司控臺，氣手動減壓閥由司鉆控制臺遙控。調(diào)節(jié)時順時針旋轉(zhuǎn)手輪二次油壓調(diào)高，逆時針旋轉(zhuǎn)手輪二次油壓調(diào)低，二次油壓最大跳躍值可允許3 MPa。

第三，在手動與氣動操作閥門上均加裝編碼器，檢測閥門旋轉(zhuǎn)度，通過利用傳感器采集的閥門位置檢測信號傳輸?shù)絇LC控制器和計(jì)算機(jī)上并進(jìn)行分析和計(jì)算，輸出的電信號控制電壓表，模擬氣壓、油壓等變化過程，反饋給前臺操作壓力表顯示數(shù)據(jù)，進(jìn)而再根據(jù)此次的數(shù)據(jù)情況進(jìn)行下面的操作。同時，教師計(jì)算機(jī)上已經(jīng)記錄了此次操作是否合格并進(jìn)行評分。

最終，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以下需求：

(1)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制臺的檢查與運(yùn)行等內(nèi)容的真實(shí)操作訓(xùn)練功能；

(2)系統(tǒng)能夠在設(shè)備操作后，自動對操作過程進(jìn)行考核評分；

(3)系統(tǒng)能夠自動檢測操作者視線視角變化；

(4)設(shè)備操作手感、力度、動作、效果仿真實(shí)物操作效果；

(5)控制終端人機(jī)界面良好，圖形、數(shù)據(jù)處理快速有效，系統(tǒng)整體故障率低于5‰。

3 系統(tǒng)流程

首先，教師在PC機(jī)上選擇參數(shù)同時開啟培訓(xùn)或考查過程，然后學(xué)員按照其所選擇的培訓(xùn)項(xiàng)目進(jìn)行操作，完成在遠(yuǎn)程控制臺上的井控操作，如壓力油制備、軟關(guān)井、調(diào)節(jié)閥門開度操作等過程，同時觀察控制臺上各壓力表變化情況與工作狀態(tài)。在進(jìn)行上述操作之前，先給PLC上電，將系統(tǒng)初始化，完成后向PLC發(fā)送數(shù)據(jù)請求。PLC對各關(guān)鍵閥門的傳感器執(zhí)行數(shù)據(jù)釆集控制，把釆集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后，通過邏輯運(yùn)算得到控制結(jié)果和輸出，將結(jié)果傳給計(jì)算機(jī)或輸出到被控設(shè)備，同時進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲和部分控制信息，PLC控制器檢測操作者動作和視角情況，并進(jìn)行聲光效果的仿真。PC機(jī)依靠檢測工況和PLC控制結(jié)果，利用程序設(shè)定進(jìn)行分析和計(jì)算，產(chǎn)生閥門控制和壓力信號進(jìn)行輸出。若操作者的操作值并未達(dá)到指定要求，系統(tǒng)也會進(jìn)行其結(jié)果的輸出目的是使操作者可以反復(fù)進(jìn)行訓(xùn)練操作，那么，再次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，直到所測得的壓力值等在系統(tǒng)規(guī)定范圍內(nèi)為止。若不超標(biāo)則經(jīng)過一定延時，同樣重新進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。最終獲得評價結(jié)果。

系統(tǒng)流程如圖5所示。

該實(shí)物仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中，三個主要的工況流程有相似之處，在此只是介紹其中一種工況的流程，就可以體現(xiàn)出基于PLC的井控遠(yuǎn)程臺實(shí)物仿真培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，以及該系統(tǒng)能夠更加接近于真實(shí)的操作，發(fā)揮實(shí)物仿真培訓(xùn)的重大作用。

在遠(yuǎn)程臺操作手動與氣動減壓閥進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)的流程如下：

(1)操作者打開電源，啟動泵制備壓力油，手動啟動電動機(jī)檢查電機(jī)轉(zhuǎn)向，閥門位置檢測傳感器，檢測閥門旋轉(zhuǎn)度，通過利用傳感器采集此次的閥門位置檢測信號傳輸?shù)絇LC控制器和計(jì)算機(jī)上并進(jìn)行分析和計(jì)算。

(2)教師計(jì)算機(jī)上在操作開始時已經(jīng)設(shè)定好此次操作的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，讓實(shí)際數(shù)據(jù)同標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)做差運(yùn)算，利用運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行判斷：

①如果結(jié)果在操作允許的范圍內(nèi)則合格，那么就將正確的操作者的實(shí)際數(shù)據(jù)結(jié)果顯示在電壓表、模擬氣壓表或是模擬油壓表上，反饋給操作人員使其及時進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，維持系統(tǒng)穩(wěn)定的狀態(tài)。

②如果結(jié)果不在操作允許的范圍內(nèi)則不合格，那么依然將操作者的實(shí)際數(shù)據(jù)結(jié)果顯示在電壓表、模擬氣壓表或是模擬油壓表上，反饋給操作者讓其進(jìn)行重新的更正操作，直至教師機(jī)上的運(yùn)算在可允許的范圍內(nèi)，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)為止。

其中，流程內(nèi)含有一個閉環(huán)控制流程，閉環(huán)控制是被控的電表、擬壓力表和油壓表的顯示數(shù)據(jù)為輸出，其以一定方式返回到作為控制的輸入端，即顯示給操作者，操作者根據(jù)上一次的操作結(jié)果進(jìn)行再一次的操作作為輸入并對輸入端施加控制影響的一種控制關(guān)系，完成一次反饋循環(huán)流程，直至操作數(shù)據(jù)達(dá)到規(guī)定的范圍內(nèi)，即達(dá)到收斂極值，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

文中針對當(dāng)今石油鉆井工業(yè)的迫切需求，并依靠現(xiàn)已成為主流、必備的工具，具備靈活、可擴(kuò)展、多用途的實(shí)物仿真技術(shù)，提出了基于PLC的井控遠(yuǎn)程臺實(shí)物仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的研制策略。利用實(shí)物仿真技術(shù)與PLC的特點(diǎn)和優(yōu)勢，迅速建立了可交互的井控遠(yuǎn)程臺實(shí)物仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)有著現(xiàn)場培訓(xùn)和虛擬的軟件仿真培訓(xùn)無法比擬的優(yōu)勢，培訓(xùn)人員需要大量的演練、訓(xùn)練與考核。硬仿真操作讓學(xué)員有非常逼真的臨場感，使操作者真實(shí)地接觸操作設(shè)備，更能夠提高培訓(xùn)人員的技術(shù)水平。

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Design of a Training System for Long Range of Well Control Physical Simulation Based on PLC

ZHANG Wen-jing，ZHANG Fang-zhou，MA Rui-min，LI Qiang，SUN Rui-xue

(College of Computer and Information Technology,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China)

Oil production well control safety is the biggest security problem.Aiming at the shortage of lack of hands-on training for oil drilling well control security,the design of physical simulation training system of well control of remote station based on PLC was proposed.Building a physical simulation platform of well control training system of remote station will be used for well control training system for the remote station to learn and study.The design method was discussed in detail for well control physical simulation training systems based on PLC controller as the core development and from the PLC work principle and the basic structure,operating conditions of remote station of well control,and the system work principle,the control system design,the flowing of system conducted a detailed introduction.Well control physical simulation training system can achieve real operation training and assessment score and other features,which let the operator apply the environment for simulation as similar as the real operating well control equipment to improve the standardization of drilling well control operations.

PLC；long range of well control；material simulation；training system

2015-05-30

2015-09-04

時間：2016-01-26

黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目(JG2013010153)作者簡介：張文晶(1990-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；張方舟，教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)仿真、人工智能；馬瑞民，教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160126.1522.078.html

TP302.1

A

1673-629X(2016)02-0174-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.02.039