張 青，胡小剛，馬永恒，芮 暉，方陳靖，霍春亮，廉 哲

（1.中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司石油機械廠，河北滄州 062550；2.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第二鉆井工程分公司，河北廊坊 065006）

0 引言

目前國內(nèi)石油鉆機固控系統(tǒng)配備振動篩、砂泵等用電設(shè)備數(shù)量眾多，現(xiàn)場工作強度大，設(shè)備無法及時監(jiān)測能耗及故障監(jiān)測，實際使用中缺乏有效節(jié)能手段、設(shè)備輔助維護系統(tǒng)及設(shè)備集成控制與故障診斷。隨著石油工業(yè)要求“標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化、機械化、信息化”的四化建設(shè)、石油鉆采技術(shù)的不斷發(fā)展及國家對裝備智能化的要求，石油鉆機固控裝備系統(tǒng)信息化應(yīng)運而生?，F(xiàn)階段石油鉆機固控系統(tǒng)實際工況存在粗放型管理模式，固控裝備存在自動化程度低、使用不規(guī)范、監(jiān)測不到位、粗放使用、故障提前診斷不到位等問題，現(xiàn)階段狀況都會影響固控設(shè)備故障，嚴(yán)重影響石油采油效率。為加快石油鉆采行業(yè)信息化建設(shè)，加快我國石油工業(yè)的信息化，搭建一個能夠在石油鉆采固控系統(tǒng)中在線監(jiān)測與診斷的系統(tǒng)是十分重要[1]。

1 研究現(xiàn)狀

針對現(xiàn)階段石油鉆機固控系統(tǒng)，建立一個以無線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、終端設(shè)備采集、PLC 遠(yuǎn)程節(jié)能控制、數(shù)據(jù)的儲存、故障的在線診斷等功能融合的自動化系統(tǒng)來實現(xiàn)在線監(jiān)測與診斷。在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)控制監(jiān)測層與數(shù)據(jù)輔助診斷層。通過物聯(lián)網(wǎng)與PLC 實現(xiàn)控制、檢測與診斷固控設(shè)備[2-3]。

目前，石油鉆機固控系統(tǒng)向信息化與智能化必將是采油裝備中的前沿方向之一。

2 數(shù)據(jù)采集層

主要用于石油鉆機固控供配電設(shè)備狀態(tài)信號的數(shù)據(jù)采集和控制。設(shè)備層由智能監(jiān)測控制動作器集成在終端隔爆、防爆箱內(nèi)，且集成可靠無線傳輸模塊PROFINET 進(jìn)行通信，達(dá)到對檢測設(shè)備的狀態(tài)、能耗、控制等數(shù)據(jù)信息可靠傳輸與接收[4]。

3 數(shù)據(jù)傳輸層

網(wǎng)絡(luò)傳輸層是系統(tǒng)信息交換的橋梁，使系統(tǒng)能適應(yīng)不同的通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。主要由終端無線收發(fā)設(shè)備、上位機數(shù)據(jù)交換機、數(shù)據(jù)存儲等組成。傳輸采用工業(yè)級無線傳輸AP（終端無線接入點），通過無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對數(shù)據(jù)快速傳輸與采集。

數(shù)據(jù)傳輸層實現(xiàn)與數(shù)據(jù)采集層的設(shè)備通信，收集固控設(shè)備的信息，同時實現(xiàn)與上位機信息交換，傳輸對設(shè)備的檢測與控制信息。

4 實時監(jiān)測與診斷系統(tǒng)

論述的是對鉆采固控系統(tǒng)用電設(shè)備的在線監(jiān)測與診斷，從數(shù)據(jù)的采集、傳輸、儲存與處理搭建一套智能信息化PLC 系統(tǒng)[5]。由于鉆采環(huán)境及使用環(huán)境惡劣，場地受限，噪聲及干擾嚴(yán)重，所以搭建可靠使用便捷的智能系統(tǒng)主要分為硬件與軟件系統(tǒng)[6]。

4.1 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)由上位機防爆觸摸一體電腦、S7-1500 PLC、交換機、硬盤錄像機組成，上位機防爆觸摸一體電腦、S7-1500 PLC與硬盤錄像機之間通過交換機通信，PLC 控制系統(tǒng)硬件配置如圖1 所示。

圖1 PLC 控制系統(tǒng)

4.1.1 設(shè)備終端無線采集與控制

防爆控制箱由無線網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)關(guān)電源、斷路器、接觸器控制器、接觸器、熱過載繼電器組成，攪拌器終端控制如圖2 所示。

圖2 攪拌器終端控制

4.1.2 PLC 上位機控制系統(tǒng)

PLC 采用西門子S7-1500 PLC 控制器，S7-1500 PLC 控制板如圖3 所示。

圖3 PLC 控制板

4.1.3 攪拌器間歇節(jié)能智能控制系統(tǒng)

通過智能型控制終端可以控制攪拌器電機間歇工作，系統(tǒng)具備電機過載、過流保護，可實現(xiàn)攪拌器按照程序自動運行。攪拌器間歇控制電路如圖4 所示。

圖4 攪拌器間歇控制

4.2 軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)輸入為終端采集信息，經(jīng)過發(fā)送無線數(shù)據(jù)包，經(jīng)過無線上位機系統(tǒng)分析來對所有固控設(shè)備運行進(jìn)行在線監(jiān)測與診斷。通過PLC 順序邏輯編程軟件確定各個控制與檢測邏輯順序，最后由軟件自生成軟件程序。

軟件系統(tǒng)通過提取的設(shè)備運行電壓信號、電流信號等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，同時可對設(shè)備間歇節(jié)能控制、啟停遠(yuǎn)程控制、故障報告、維護提醒。

4.2.1 固控系統(tǒng)采集應(yīng)用

以鉆探ZJ80 鉆機為依托，應(yīng)用實時在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)，井場固控系統(tǒng)信息采集方案平面如圖5 所示。

圖5 井場固控平面

4.2.2 實施結(jié)果

（1）電能質(zhì)量監(jiān)測：可顯示線路諧波、相角矢量圖，實時監(jiān)測運行狀況與能耗（圖6）。

圖6 在線實時運行與能耗監(jiān)測界面

（2）電氣設(shè)備監(jiān)測與存儲：運行數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)報表等進(jìn)行查詢和展示功能。設(shè)備實時監(jiān)測與存儲界面如圖7 所示，監(jiān)測數(shù)據(jù)歷史曲線界面如圖8 所示。

圖7 設(shè)備實時監(jiān)測與存儲界面

圖8 監(jiān)測數(shù)據(jù)歷史曲線界面

（3）攪拌器節(jié)能間歇控制系統(tǒng)：實現(xiàn)攪拌器智能化、定時攪拌、交替運行的控制，攪拌器間歇控制系統(tǒng)界面如圖9 所示。

圖9 攪拌器間歇控制系統(tǒng)界面

（4）輔助故障診斷及維護提醒：故障提醒管理主要通過對設(shè)備的運行狀況與運行時間進(jìn)行輔助診斷與維護提醒，設(shè)備運行超過一定時間需要維護保養(yǎng)，設(shè)備運行時突然停機故障做到輔助診斷，通過上位機直觀反應(yīng)故障信息。

5 結(jié)束語

通過軟件與硬件的結(jié)合，基于PLC 平臺建立一個能夠顯著提升固控現(xiàn)場管理、在線監(jiān)測與診斷的系統(tǒng)，此系統(tǒng)信息化、直觀化、自動化程度高，同時可顯著降低勞動強度，輔助工人診斷初期突發(fā)性故障診斷，保障了石油鉆采設(shè)備運行，提高了鉆井效率。