楊鯤鵬，黃進(jìn)云

(中石化中原石油工程有限公司 鉆井工程技術(shù)研究院，河南 濮陽(yáng) 457001)

在石油鉆井過(guò)程中，由于地層壓力的突然升高，極有可能造成井內(nèi)鉆井液溢流，如果不及時(shí)控制溢流，就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的井噴事故，危及鉆井現(xiàn)場(chǎng)人員及設(shè)備安全。因此，往往在鉆井現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)備大量高密度鉆井液用于壓井，防止溢流。但是鉆井液儲(chǔ)備過(guò)多，就會(huì)造成巨大的資源浪費(fèi)。利用快速配漿系統(tǒng)可以快速配制高密度泥漿，從而減少高密度泥漿的儲(chǔ)備量，既能避免資源浪費(fèi)，節(jié)省鉆井成本，又能達(dá)到保障鉆井安全的目的。

電控系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)是快速配漿系統(tǒng)裝置研發(fā)的關(guān)鍵?？焖倥錆{電控系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)包括需求分析，由主電路、手動(dòng)控制電路和PLC自動(dòng)控制電路組成的系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)，PLC編程及人機(jī)界面(HMI)組態(tài)，硬件選型，控制柜設(shè)計(jì)，布線和調(diào)試等。

1　電控系統(tǒng)需求分析

詳細(xì)的需求分析是系統(tǒng)能夠順利構(gòu)建的必要條件，如果事先不做詳細(xì)的需求分析，在系統(tǒng)的構(gòu)建過(guò)程中可能增加新的需求，從而會(huì)給系統(tǒng)研發(fā)造成一定的混亂，甚至影響工作的進(jìn)度。通過(guò)詳細(xì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，整理并提出主要現(xiàn)場(chǎng)需求如下：

1) 混漿裝置采用3臺(tái)75 kW交流電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，其中1臺(tái)用于進(jìn)漿和配漿，自動(dòng)模式下，先啟動(dòng)先關(guān)停；1臺(tái)負(fù)責(zé)將混合好的鉆井液輸送給泥漿儲(chǔ)備罐，自動(dòng)模式下，后啟動(dòng)后關(guān)停；剩余1臺(tái)作為備用。這3臺(tái)電機(jī)的功能可以通過(guò)管道閥門切換實(shí)現(xiàn)互相轉(zhuǎn)換。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)互鎖電路來(lái)確保同時(shí)只能有2臺(tái)電機(jī)投入工作狀態(tài)。另外，每臺(tái)電機(jī)配備1塊電流表用于觀察負(fù)載電流的變化情況。

2) 電控系統(tǒng)包括手動(dòng)和自動(dòng)模式，通過(guò)選擇開關(guān)進(jìn)行切換。

3) 手動(dòng)模式利用按鈕來(lái)人工啟停工作電機(jī)。

4) 在自動(dòng)模式下，通過(guò)科氏流量計(jì)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配漿密度，通過(guò)稱重系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)灰灌剩余藥品量，并根據(jù)在PLC中事先設(shè)定的若干參數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行，包括工作電機(jī)的啟停，電動(dòng)蝶閥的開合，故障判斷與報(bào)警等。由于客觀上3臺(tái)電機(jī)需要互為替代，這就增加了PLC電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，需要設(shè)計(jì)出6種工作方式，根據(jù)用戶的不同需求靈活選擇。同時(shí)，系統(tǒng)可對(duì)用戶的選擇設(shè)置自動(dòng)做出邏輯判斷，避免不必要的設(shè)置錯(cuò)誤。

2　電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電控系統(tǒng)主要包括主電路、繼電器控制電路、PLC控制電路、HMI組態(tài)和工作模式切換電路。

2.1　主電路與繼電器控制電路設(shè)計(jì)與仿真

大功率異步電機(jī)需要通過(guò)降壓來(lái)啟動(dòng)。降壓?jiǎn)?dòng)有多種方式，綜合考慮，采用比較常用的星三角(Y-△)降壓?jiǎn)?dòng)方式，主電路如圖1a)所示。每臺(tái)電機(jī)采用3個(gè)交流接觸器，考慮到短時(shí)耐受電流，用于短時(shí)啟動(dòng)接入的交流接觸器KM2，其額定電流可適當(dāng)選小一些，以便節(jié)省成本和安裝空間。PA1為電流表，通過(guò)與其相匹配的交流互感器來(lái)測(cè)量線電流的大小，為了減小啟動(dòng)電流的沖擊，利用交流接觸器KM3的常閉觸點(diǎn)將電流表在啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行短路。根據(jù)三相異步電機(jī)的額定電流選擇適當(dāng)型號(hào)的熱繼電器進(jìn)行過(guò)載保護(hù)，為了方便檢修和預(yù)防短路電流，每臺(tái)電機(jī)的電源端分別接入1個(gè)斷路器，控制電機(jī)主電路的通斷。

本文以控制3臺(tái)電機(jī)中的1臺(tái)為例來(lái)說(shuō)明繼電器控制電路的設(shè)計(jì)方法。繼電器控制電路如圖1b)所示，交流接觸器常閉觸點(diǎn)KM4與KM7并聯(lián)，交流接觸器KM4和KM7分別控制其余2臺(tái)電機(jī)的電源，構(gòu)成電機(jī)互鎖電路,以確保同時(shí)只能有2臺(tái)電機(jī)投入工作狀態(tài)。如果對(duì)應(yīng)的其余2臺(tái)電機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)，常閉觸點(diǎn)KM4和KM7就會(huì)同時(shí)處于開路狀態(tài)，那么交流接觸器KM1的控制線圈就無(wú)法導(dǎo)通，此時(shí)該電機(jī)就無(wú)法啟動(dòng)。如果其余2臺(tái)電機(jī)中有1臺(tái)出現(xiàn)故障處于停機(jī)狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的常閉觸點(diǎn)KM4或KM7就會(huì)處于常閉狀態(tài)，那么交流接觸器KM1就可以通過(guò)啟動(dòng)按鈕SB2來(lái)實(shí)現(xiàn)上電導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)該電機(jī)的降壓?jiǎn)?dòng)。常閉觸點(diǎn)KM2和KM3用于交流接觸器KM2和KM3的互鎖，防止其同時(shí)閉合導(dǎo)致短路。常開觸點(diǎn)KA1用于手動(dòng)模式與自動(dòng)模式切換；在手動(dòng)模式下，通過(guò)選擇開關(guān)給繼電器KA1通電，觸點(diǎn)KA1全部閉合。在自動(dòng)模式下，繼電器KA1斷電，觸點(diǎn)KA1全部斷開，并在Q0.0，Q0.1，Q0.2處接入PLC控制電路，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)交流接觸器KM1，KM2，KM3的通斷控制。

圖1　主電路與繼電器控制電路

利用仿真軟件來(lái)輔助設(shè)計(jì)電路能夠加快系統(tǒng)的構(gòu)建，達(dá)到事半功倍的效果。在該設(shè)計(jì)中，利用了CADe_SIMU軟件對(duì)繼電器控制電路進(jìn)行了仿真，可以比較直觀地觀察各個(gè)繼電器的動(dòng)作，防止設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的發(fā)生。

2.2　PLC控制電路設(shè)計(jì)與HMI組態(tài)

系統(tǒng)的自動(dòng)模式主要通過(guò)PLC來(lái)構(gòu)建，整個(gè)系統(tǒng)需要9個(gè)驅(qū)動(dòng)交流接觸器線圈以及3個(gè)電動(dòng)蝶閥，綜合考慮所需要的數(shù)字量輸入(DI)、模擬量輸入(AI)和繼電器輸出(DQ)等，選擇了CPU1212C+SM1223模塊作為運(yùn)算和控制單元，利用KTP精簡(jiǎn)面板作為人機(jī)交互終端。同時(shí)考慮到科氏流量計(jì)所需的1.3 A直流電流超出了CPU模塊所能提供的0.3 A最大直流電流，因而增加1個(gè)電源模塊 PM1207，用于單獨(dú)為傳感器提供直流24 V電源。對(duì)于模擬量輸入，采用安全隔離柵將其與外部不安全環(huán)境進(jìn)行隔離。另外，為應(yīng)對(duì)電壓異常波動(dòng)對(duì)PLC控制電路的影響，增加了電涌保護(hù)器。

PLC控制電路設(shè)計(jì)與HMI組態(tài)過(guò)程中的注意事項(xiàng)如下：

1) 電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)分析。對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，實(shí)際上也是對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。從單臺(tái)電機(jī)來(lái)看，每臺(tái)電機(jī)所處的運(yùn)行狀態(tài)有三種： 啟動(dòng)、工作和停機(jī)。對(duì)單臺(tái)電機(jī)的控制可通過(guò)控制PLC繼電器的輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)2臺(tái)電機(jī)共同工作時(shí)，由于它們的啟動(dòng)順序不同，在啟動(dòng)和關(guān)停時(shí)，又有一定的時(shí)間間隔要求，即不是同時(shí)啟動(dòng)和關(guān)停。如圖2所示，把系統(tǒng)所處的運(yùn)行狀態(tài)分為4種： 啟動(dòng)、工作、關(guān)停和停機(jī)，這么做的目的主要是為了明確工作流程，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，方便PLC程序進(jìn)行自動(dòng)處理。在圖2中，t1，t2為電機(jī)的降壓?jiǎn)?dòng)時(shí)間，ts為2臺(tái)電機(jī)的啟動(dòng)間隔時(shí)間，tc為2臺(tái)電機(jī)關(guān)停間隔時(shí)間。這4種工作狀態(tài)按順序循環(huán)工作，并根據(jù)自定義的規(guī)則，通過(guò)PLC系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)和記錄系統(tǒng)所處的工作狀態(tài)。在啟動(dòng)狀態(tài)，約定不允許再次啟動(dòng)，也不允許軟關(guān)停，但可通過(guò)急停按鈕關(guān)停；在工作和關(guān)停狀態(tài)，也不允許啟動(dòng)。

2) 模塊化編程。系統(tǒng)的PLC程序設(shè)計(jì)主要采用模塊化編程。利用模塊化編程，可以將1個(gè)復(fù)雜的任務(wù)分解為若干個(gè)不同的功能模塊來(lái)逐一實(shí)現(xiàn)，程序的可讀性強(qiáng)，便于調(diào)試。

3) 多種編程語(yǔ)言混合使用，可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。PLC編程使用博途軟件平臺(tái)，支持梯形圖(LAD)、功能塊圖(FBD)和結(jié)構(gòu)化文本(SCL)編程語(yǔ)言。對(duì)于PLC編程來(lái)講，通常主要使用LAD編程語(yǔ)言，但如果能夠靈活使用FBD和SCL語(yǔ)言，將會(huì)簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)，增強(qiáng)程序的可讀性。FBD編程語(yǔ)言類似于數(shù)字邏輯門電路，適用于進(jìn)行邏輯判斷。SCL編程語(yǔ)言語(yǔ)法規(guī)范類似PASCAL語(yǔ)言，適用于數(shù)學(xué)計(jì)算、程序流程控制和參數(shù)賦值。針對(duì)程序模塊不同的功能，可以靈活地選用合適的編程語(yǔ)言。

翻譯過(guò)程中，如果在源語(yǔ)的認(rèn)知模式中，源認(rèn)知域與目的認(rèn)知域的映射關(guān)系不能被目的語(yǔ)認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)所理解和接受，那么只得依據(jù)其目的認(rèn)知域，改變譯出語(yǔ)源認(rèn)知域中的價(jià)元，以符合譯入語(yǔ)的認(rèn)知經(jīng)驗(yàn) (王子穎，2015)。也就是說(shuō)仍使用源認(rèn)知域進(jìn)行表達(dá)，采用異化譯法，保留源語(yǔ)言中已有的認(rèn)知概念或表達(dá)方式，通過(guò)改變目的認(rèn)知域的價(jià)元來(lái)匹配源認(rèn)知域中的隱喻部分，即變價(jià)映射。

圖2　電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)分析示意

4) 長(zhǎng)期斷電后導(dǎo)致參數(shù)保持性失效的處理。程序的啟動(dòng)運(yùn)行離不開一些初始參數(shù)，而在程序的運(yùn)行過(guò)程中，還會(huì)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行更改。雖然PLC內(nèi)部帶有大容量的電容來(lái)維持參數(shù)的保持性，但如果長(zhǎng)期斷電，參數(shù)的保持性也會(huì)喪失，也就是之前保留的數(shù)據(jù)會(huì)被清零。當(dāng)系統(tǒng)的初始化參數(shù)都會(huì)被清零時(shí)，將給系統(tǒng)造成不可預(yù)知的影響。針對(duì)這種情況，預(yù)先設(shè)置1個(gè)默認(rèn)參數(shù)表(程序循環(huán)OB)和一個(gè)保持性標(biāo)志位，也可是一個(gè)非零變量，在程序啟動(dòng)OB時(shí)，檢測(cè)保持性標(biāo)志位值，如果判斷為保持性喪失，就自動(dòng)加載默認(rèn)參數(shù)。這樣做雖然不能恢復(fù)之前的設(shè)置值，但可以在喪失保持性時(shí)，自動(dòng)恢復(fù)系統(tǒng)的默認(rèn)參數(shù)值，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

5) HMI組態(tài)。用于人機(jī)交互終端的精簡(jiǎn)面板具有1個(gè)集成的Profinet網(wǎng)絡(luò)接口，通過(guò)該接口與PLC CPU模塊進(jìn)行通信，并傳輸參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)和組態(tài)數(shù)據(jù)。該設(shè)計(jì)中，使用博途軟件平臺(tái)內(nèi)置的WinCC Basic對(duì)HMI精簡(jiǎn)面板進(jìn)行了組態(tài)。組態(tài)畫面主要包括主界面、控制界面、參數(shù)設(shè)置界面、數(shù)據(jù)顯示界面和報(bào)警界面等。

2.3　工作模式切換電路設(shè)計(jì)

整個(gè)電控系統(tǒng)既有手動(dòng)控制模式，又有自動(dòng)控制模式，這就需要在2種工作模式之間實(shí)現(xiàn)控制電路的切換。切換電路的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要通過(guò)1個(gè)選擇開關(guān)來(lái)控制若干個(gè)切換繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)。在繼電器控制電路中串聯(lián)切換繼電器的觸點(diǎn)開關(guān)，例如在圖1b)中的常開觸點(diǎn)KA1，用于實(shí)現(xiàn)工作模式的切換。由于在手動(dòng)工作模式下，仍然需要PLC來(lái)采集并顯示一些數(shù)據(jù)，如密度和灰灌藥品質(zhì)量等，因而仍然需要給PLC系統(tǒng)上電，但此時(shí)又需要自動(dòng)控制模式失效。為解決該問(wèn)題，需要通過(guò)切換繼電器來(lái)給PLC系統(tǒng)提供1個(gè)工作模式信號(hào)，PLC系統(tǒng)通過(guò)該信號(hào)來(lái)判斷是否啟動(dòng)自動(dòng)控制模式。

3　結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化水平需求的不斷提高，PLC控制技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。PLC控制器體積小，功能強(qiáng)大，可以根據(jù)需求靈活配置。在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了考慮具體電氣指標(biāo)的要求，還要結(jié)合各種因素，如實(shí)際最高環(huán)境溫度、防爆、抗干擾等，靈活地設(shè)計(jì)電路并保留一定的安全冗余度。

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