陳 健

(中石化石油工程機械有限公司第四機械廠，湖北 荊州 434024)

改進型石油鉆機電-氣控制系統(tǒng)

陳 健

(中石化石油工程機械有限公司第四機械廠，湖北 荊州 434024)

介紹中石化石油工程機械有限公司第四機械廠設計的石油鉆機電-氣控制系統(tǒng)，給出了PLC和總線型閥島的選型，介紹雙PLC冷備冗余控制系統(tǒng)的設計特點和網絡控制系統(tǒng)的構成，以及控制系統(tǒng)組態(tài)、安全聯鎖、PLC軟件和監(jiān)控軟件流程的設計。

電-氣控制系統(tǒng) 石油鉆機 冗余控制 軟件組態(tài)

石油工業(yè)是燃料工業(yè)之一，包括勘探、開采到加工石油一系列過程。為國民經濟提供各種燃料油，包括天然石油和油頁巖的勘探、開采、煉制、儲運等。相關技術人員對于石油工業(yè)的各方面進行了各類深入研究。殷國華和侯作富通過SilidWorks中的Simulation軟件對鉆井分流器殼體進行分析，在額定工作壓力和靜水壓試驗壓力下分別分析殼體受壓應力區(qū)，驗證殼體的設計的合理性，進而對其設計進行優(yōu)化[1]。石油鉆機井架作為典型的大型鋼結構長期處于野外環(huán)境，經受風雨和冰凍侵蝕，搬運過程中的磕碰和擠壓變形，長期積累造成井架主體結構損傷，嚴重影響到石油鉆井的安全生產。實際上井架的實驗研究受到現場施工環(huán)境和高成本制約。婁燕敏等按照相似理論確定相似比系數，完成石油井架相似模型設計，通過模擬鉆井工況，進行相似模型的承載力實驗，獲得結論推演真實結構的承載力分布規(guī)律，通過K型井架模型設計驗證誤差在10%之內，該研究方法將為在役井架承載力評價，特別是未來沙漠鉆機和深海鉆機井架的承載力研究提供理論依據[2]。

石油鉆機電-氣控制系統(tǒng)是鏈式傳動鉆機的控制中樞，也是復合驅動鉆機和直流鉆機控制系統(tǒng)不可或缺的部分。在直流驅動鉆機中，電-氣控制系統(tǒng)負責絞車和轉盤檔位、剎車系統(tǒng)及安全聯鎖等的控制；在鏈式傳動鉆機和復合驅動鉆機中，還增加了柴油機的離合和調速控制功能。

隨著電氣自動化和氣動傳動技術的高速發(fā)展和有效結合，石油鉆機的電-氣控制系統(tǒng)經歷了控制部分為氣動開關、電控開關的發(fā)展階段。目前發(fā)展到采用雙PLC冷備冗余控制取代單PLC+旁路控制的模式，利用總線型閥島取代傳統(tǒng)電控閥島，用總線通信取代多芯電纜傳遞控制信號[3]?，F就該方案在改進型石油鉆機電-氣控制系統(tǒng)中的具體設計方案加以說明。

1 系統(tǒng)總體結構①

改進型石油鉆機電-氣控制系統(tǒng)(圖1)，設計了雙PLC冷備冗余控制[4]，當在線PLC發(fā)生故障時，通過司鉆面板上的PLC切換開關切至離線PLC，讓離線PLC代替原在線PLC成為在線PLC繼續(xù)工作，提高了系統(tǒng)的可靠性；同時將所有的閥島箱采用總線型閥島，每一個閥島箱作為PLC的一個遠程從站，通過Profibus-DP總線通信[5]。

2 主要硬件選型

根據石油鉆機電-氣控制系統(tǒng)的輸入輸出控制量的點數和系統(tǒng)大小，其控制核心選用S7-300 PLC CPU314C-2DP，此PLC設有24個數字量輸入、16個數字量輸出、4個模擬量輸入和兩個模擬量輸出。完全可以滿足系統(tǒng)的輸入輸出需求，同時也兼顧了各種控制點的余量。

石油鉆機電-氣控制系統(tǒng)系統(tǒng)中包含的3個閥島箱的選型如下：

a. 轉盤閥島箱，Profibus-DP通信模塊CPX-FB13、4位數字量輸入模塊CPX-4DE、32位數字量輸出模塊ISO Plug-In DIL4[32DO]；

b. 絞車閥島箱，Profibus-DP通信模塊CPX-FB13、4位數字量輸入模塊CPX-4DE、32位數字量輸出模塊ISO Plug-In DIL4[32DO]；

圖1 改進型石油鉆機電-氣控制系統(tǒng)總體結構框圖

c. 并車閥島箱，Profibus-DP通信模塊CPX-FB13、2通道模擬量輸出模塊CPX-2AA-U/I、32位數字量輸出模塊ISO Plug-In DIL4[32DO]。

德國FESTO公司的CPX-FB13型基于現場總線技術的總線型閥島，結構緊湊、體積小、性能優(yōu)，同一片電磁閥集成兩個通道[6]，所有閥都采用先導式控制，在調試時也能進行手動控制，所有功能都可以互相組合。每一個總線型閥島就相當于PLC系統(tǒng)的遠程I/O。CPX-FB13型閥島提供了各種數字量和模擬量輸入輸出模塊，可以任意組合搭配。另外，這種總線型閥島可以通過總線與PLC進行總線通信。

3 軟件部分

3.1控制系統(tǒng)組態(tài)

石油鉆機電-氣控制系統(tǒng)組態(tài)的關鍵是總線型閥島CPX-FB13的組態(tài)[7]，組態(tài)界面如圖2所示。具體步驟如下：

a. 在Step7中安裝CPX-FB13對應的電子設備數據庫文件(GSD文件)；

b. 在Step7中創(chuàng)建好主站并生成Profibus-DP網絡后，點擊CATALOG->Profibus->Additional field Devices->Valves->Festo CPX-Terminal，將之拖拽到已建立好的DP網絡；

c. 設置好每一個總線閥島箱的DP從站地址，這個地址與硬件上的DIL開關所對應的地址必須相同；

d. 在屏幕下方的區(qū)域內添加每一個閥島箱內所選擇安裝的模塊，包括通信模塊CPX-FB13、DP-Slave和各種輸入輸出模塊，然后保存并編譯。

圖2 石油鉆機電-氣控制系統(tǒng)組態(tài)界面

3.2安全聯鎖

安全是石油鉆機鉆井作業(yè)的重中之重。石油鉆機電-氣控制的軟件部分設計了安全聯鎖功能，收集過卷防碰報警、高低速互鎖報警、井架防碰報警及電磁渦流剎車報警等聯鎖邏輯。當有報警信息時，司鉆房蜂鳴報警，同時剎盤動作；程序中設置一種操作的兩種狀態(tài)互鎖——應急電機離合器、鎖檔控制、轉盤慣剎和離合、換檔控制、滾筒離合、氣動旋扣器和氣動卡瓦，在程序上避免兩種狀態(tài)同時產生；總離合掛合的同時啟動絞車潤滑油泵電機，確保絞車傳動部分的潤滑；轉盤離合掛合的同時啟動轉盤潤滑電機，確保轉盤傳動部分的潤滑；泥漿泵掛合的同時啟動相應的噴淋泵和灌注泵，以滿足泥漿循環(huán)系統(tǒng)的正常運行。

3.3PLC軟件和監(jiān)控軟件

石油鉆機電-氣控制系統(tǒng)包括鉆機控制的邏輯程序設計，現場各種數據的采集與計算，設備狀態(tài)的顯示，以及各種安全聯鎖程序的設計等。

鑒于系統(tǒng)的功能劃分，將監(jiān)控頁面劃分為換檔操作、油門操作、車泵操作、輔助操作和變量監(jiān)視頁面。主要的操作與顯示界面如圖3所示。

圖3 操作與顯示界面

變量監(jiān)視界面(圖4)可以方便地指導現場調試，發(fā)現故障、判斷并解除故障。界面上的操作與

圖4 變量監(jiān)視界面

司鉆房操作面板基本相同，界面上和圖片是隨動的，不管是面板操作還是觸摸屏操作，均可以顯示當前狀態(tài)，方便操作者監(jiān)視各部分的實際狀態(tài)。

4 結束語

改進型石油鉆機電-氣控制系統(tǒng)采用雙PLC冷備冗余技術和總線閥島技術，極大地減少了故障點，同時減少了工人的勞動強度。目前，該系統(tǒng)已經在中石化石油工程機械有限公司第四機械廠生產的ZJ20LDB、ZJ20L、ZJ30L、ZJ40LDB、ZJ40D、ZJ50L、ZJ50LDB、ZJ50D和ZJ70D型石油鉆機上成功應用，改進效果良好，受到了用戶的好評。

[1] 殷國華，侯作富.鉆井分流器殼體的有限元分析[J].化工機械,2013,40(3):376～378.

[2] 婁燕敏，趙琪月，王玥，等.在役石油鉆機井架相似模型設計[J].化工機械,2013,40(5):608～611.

[3] 鄭蕓哲,齊明俠,沈蓉,等.基于西門子PLC的司鉆控制系統(tǒng)[J].石油礦場機械,2008,37(5):53～56.

[4] 郭肖永.控制系統(tǒng)的冗余選擇[J].化工自動化及儀表,1999,26(1):40～45.

[5] 盧晨,陳新龍,劉洪亮,等.一種可編程邏輯控制鉆機液氣路的裝置[P].中國:ZL 201320405284.3,2014-05-14.

[6] 陳劍波.閥島及其控制技術[J].科技信息,2009,(19):83～84.

[7] 吉順平.西門子現場總線通信原理與應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.

2015-06-30(修改稿)

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1000-3932(2016)04-0446-03