武龍

（天水天傳電氣工程有限責(zé)任公司，甘肅 天水 741020）

絞車(chē)系統(tǒng)作為石油鉆井里的三大系統(tǒng)之一（即提升系統(tǒng)，另外兩種為循環(huán)系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)），在整套系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。目前絞車(chē)提升系統(tǒng)的保護(hù)有失電剎車(chē)、上碰下砸、電子防碰等。這些看似安全可靠的保護(hù)系統(tǒng)，卻忽略了對(duì)絞車(chē)軸的監(jiān)測(cè)，導(dǎo)致保護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)危險(xiǎn)的系統(tǒng)漏洞。直至鉆井現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)絞車(chē)軸突然斷裂，大鉤及游車(chē)做自由落體運(yùn)動(dòng)，致使速度加速下降，當(dāng)系統(tǒng)保護(hù)激活時(shí)，盤(pán)剎已無(wú)法及時(shí)剎住，致使大鉤及游車(chē)下砸鉆臺(tái)面，對(duì)設(shè)備造成了不小的損害，因此維修整改在所難免。斷軸事故將增加斷軸保護(hù)這一功能擺在了研發(fā)的首要位置，但針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)已投入設(shè)備，用戶不愿增加成本而是作為整改項(xiàng)提出，如何在不增加成本或盡量減少成本的情況下，利用現(xiàn)有配置解決這一問(wèn)題，需首先考慮。

在與現(xiàn)場(chǎng)操作人員了解情況時(shí)我們得知，在操作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)懸重突然驟降至趨于0ton，緊接著大鉤及游車(chē)帶著鉆桿快速降落，操作人員緊急將給定速度回零，但大鉤及游車(chē)仍不見(jiàn)減速，依舊加速降落，又立即拍下緊急剎車(chē)按鈕，設(shè)備開(kāi)始減速，但由于速度過(guò)快，導(dǎo)致剎車(chē)的減速長(zhǎng)度加長(zhǎng)，最終無(wú)法避免地下砸鉆臺(tái)面。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)人員的描述，我們不難發(fā)現(xiàn)：絞車(chē)斷軸以后，滾筒失去了動(dòng)力，死繩固定器處承受的重力也隨之減小，趨于0，反映到現(xiàn)有檢測(cè)裝置上的話，即為懸重趨于0。可否利用懸重的變化來(lái)進(jìn)行邏輯判斷，以達(dá)到檢測(cè)絞車(chē)斷軸的目的。因?yàn)閼抑乇旧砭褪潜仨毑杉男盘?hào)之一，這樣就減少了對(duì)于硬件的增加，只需考慮在程序中進(jìn)行邏輯判斷即可。

1 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用的是S7-300的模塊化小型PLC系統(tǒng)，主要面向制造工程的系統(tǒng)解決方案。各種單獨(dú)的模塊之間可以進(jìn)行廣泛組合構(gòu)成不同要求的系統(tǒng)，集成了方便的人機(jī)界面（HMI）服務(wù)，使得人機(jī)對(duì)話的編程要求大大減少；具備強(qiáng)大的通訊功能，S7-300 PLC可通過(guò)編程軟件Step7的用戶界面提供通訊組態(tài)功能，這使得組態(tài)非常容易、簡(jiǎn)單。[1]

系統(tǒng)中，主PLC選用CPU 315-2 DP（6ES7 315-2AH14-0AA0），作為系統(tǒng)的可編程控制中心，控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行；電源選用PS 307 5A（6ES7 307-1EA01-0AA0），為CPU提供可靠的電源支持；還配有32路DI模塊（6ES7 321-1BL00-0AA0）和32路DO模塊（6ES7 322-1BL00-0AA0），用以接收輸出信號(hào);從站選用IM153（6ES7 153-1AA03-0XB0），用以將鉆臺(tái)上的信號(hào)傳遞給PLC進(jìn)行處理控制，從站還包含32路DI模塊（6ES7 321-1BL00-0AA0）、32路DO模塊（6ES7 322-1BL00-0AA0）、8路AI（6ES7 331-7KF02-0AB0）和一塊用以計(jì)算大鉤高度的計(jì)數(shù)器模塊FM350（6ES7 350-1AH03-0AE0）；絞車(chē)的控制器為S120系列的CU310-2 DP,接收PLC的指令，并將自己的運(yùn)行信息傳遞給PLC；HMI觸摸屏顯示界面選用TP1200,能夠?qū)崟r(shí)將PLC收集處理的信號(hào)在HMI上顯示，并控制PLC的動(dòng)作。

死繩固定器上的傳壓包采集的懸重信號(hào)，通過(guò)壓力變送器將壓力信號(hào)（10MP）轉(zhuǎn)換成4-20mA的電流信號(hào)，再通過(guò)4-20mA轉(zhuǎn)0-10V的隔離模塊，送給PLC從站的模擬量輸入模塊AI（6ES7 331-7KF02-OABO），便可得到實(shí)際懸重值，但由于機(jī)械信號(hào)與電信號(hào)存在誤差，為保證電信號(hào)與機(jī)械信號(hào)懸重值的一致性，系統(tǒng)加入了矯正系數(shù)，矯正系數(shù)通過(guò)上下箭頭增加或者減少來(lái)達(dá)到矯正的效果，默認(rèn)值為100%。得到準(zhǔn)確的懸重值后，PLC將其與斷軸懸重閾值進(jìn)行對(duì)比，從而判斷絞車(chē)是否斷軸。若系統(tǒng)判斷絞車(chē)斷軸，則通過(guò)PLC輸出控制指令，控制指令通過(guò)從站的DO模塊傳遞給繼電器，由繼電器的觸點(diǎn)將信號(hào)傳遞給司鉆房電磁閥；用繼電器傳遞信號(hào)能夠很好地保證本系統(tǒng)與盤(pán)剎系統(tǒng)的獨(dú)立，任何一方的損壞都不會(huì)影響對(duì)方的系統(tǒng)。電磁閥接收到信號(hào)以后，通過(guò)氣路傳遞給盤(pán)剎控制系統(tǒng)，盤(pán)剎控制系統(tǒng)通過(guò)自身邏輯控制盤(pán)式剎車(chē)做出相應(yīng)的動(dòng)作，從而確保絞車(chē)斷軸時(shí)能及時(shí)剎車(chē)，保證設(shè)備及人員的安全。

關(guān)于斷軸懸重閾值的設(shè)置：雖然絞車(chē)斷軸以后游車(chē)與大鉤做自由落體運(yùn)動(dòng)，懸重趨于0，但為了保證系統(tǒng)能夠在絞車(chē)斷軸時(shí)做出快速響應(yīng)，斷軸懸重閾值需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行設(shè)置。在矯正好電信號(hào)的懸重與機(jī)械懸重一致，以及上碰下砸點(diǎn)與減速點(diǎn)的情況下，我們不帶鉆具，將游車(chē)和大鉤升到最高位，然后拉滿手柄（交流鉆機(jī)），讓大鉤及懸重快速下放，此時(shí)不用減速，游車(chē)和大鉤會(huì)在減速點(diǎn)開(kāi)始減速，下砸點(diǎn)進(jìn)行停車(chē)。在這一過(guò)程中觀察懸重的變化，用最小值-3t作為斷軸懸重閾值即可，反復(fù)此過(guò)程，以便找到合適的數(shù)值，以免在操作過(guò)程中出現(xiàn)誤報(bào)警而停機(jī)。

本系統(tǒng)考慮到設(shè)備在纏繩時(shí)，懸重會(huì)出現(xiàn)低于斷軸懸重閾值的情況，通過(guò)更改斷軸懸重閾值而解除保護(hù)不太方便，所以在人機(jī)界面HMI中加入了【絞車(chē)短軸保護(hù)解除】按鈕，以便在需要纏繩時(shí)出現(xiàn)誤動(dòng)作解除保護(hù)，能夠更加方便快捷地進(jìn)行操作。其系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖

本系統(tǒng)包括硬件組態(tài)模塊、邏輯判斷模塊、觸摸屏操作顯示模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 具體實(shí)施方式

2.1 硬件組態(tài)模塊

可編程控制器PLC（S7-300）通訊端口與絞車(chē)控制系統(tǒng)（S120）的通訊端口、觸摸屏（TP1200）通訊端口、PLC從站（IM153）通訊端口通過(guò)DP總線方式連接起來(lái)，構(gòu)成總線通訊網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和程序運(yùn)行。可編程控制器PLC的開(kāi)關(guān)量輸出端（或模擬量輸出端）與絞車(chē)剎車(chē)控制系統(tǒng)中的（液壓）控制閥連接，（液壓）控制閥用于控制滾筒本體剎車(chē)機(jī)構(gòu)回路，使其按照程序動(dòng)作，完成剎車(chē)功能，絞車(chē)控制系統(tǒng)與剎車(chē)控制系統(tǒng)之間為連鎖關(guān)系。其系統(tǒng)硬件組態(tài)如圖3所示。

圖3 硬件組態(tài)

2.2 邏輯判斷與設(shè)備控制模塊

懸重通過(guò)壓力變送器將4-20mA信號(hào)通過(guò)PLC從站傳給可編程控制器PLC,CPU將其進(jìn)行規(guī)格化處理，再與【斷軸懸重閾值】進(jìn)行比較，【絞車(chē)短軸保護(hù)解除】未激活的情況下，懸重小于【斷軸懸重閾值】時(shí)，斷軸保護(hù)激活，CUP輸出控制信號(hào)，通過(guò)剎車(chē)驅(qū)動(dòng)回路輸出至剎車(chē)機(jī)構(gòu)，來(lái)精確控制剎車(chē)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。具體程序編寫(xiě)如圖4所示。

圖4 程序編寫(xiě)

2.3 HMI顯示模塊

TP1200觸摸屏上有懸重矯正按鈕，能更加準(zhǔn)確地顯示實(shí)際懸重，以保證采集信號(hào)的準(zhǔn)確可靠；【斷軸懸重閾值】與【絞車(chē)短軸保護(hù)解除】使得設(shè)備的使用更具人性化及可操作性。如圖5、圖6所示。

圖5 斷軸懸重閾值填寫(xiě)

圖6 絞車(chē)斷軸保護(hù)解除按鈕

3 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)利用原系統(tǒng)現(xiàn)有硬件配置，在程序及控制畫(huà)面上加入邏輯判斷及設(shè)置與控制按鈕，最大程度地減少了優(yōu)化成本，使設(shè)備安全性能得到了大幅提升。通過(guò)PLC對(duì)懸重的檢測(cè)判斷，從而將盤(pán)剎控制信號(hào)輸出，利用盤(pán)剎將滾筒剎住，以防止鉆機(jī)提升系統(tǒng)在絞車(chē)斷軸后，使?jié)L筒失去動(dòng)力，致使游車(chē)、大鉤及頂驅(qū)設(shè)備做快速自由落體運(yùn)動(dòng)，從而下砸鉆臺(tái)，損壞設(shè)備。這一簡(jiǎn)單的應(yīng)用為鉆機(jī)電控系統(tǒng)又增加了一道防護(hù)，使得鉆機(jī)設(shè)備的運(yùn)行更加安全可靠。