徐富軍，陳 弓

(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

石油是世界各國比較重要的能源之一，直接決定一個國家的綜合實(shí)力和整體發(fā)展水平。而傳統(tǒng)的石油機(jī)械產(chǎn)品無法滿足時代發(fā)展需求，為了更好地發(fā)揮石油機(jī)械液壓控制系統(tǒng)的優(yōu)勢，就需要加強(qiáng)對PLC技術(shù)的應(yīng)用，并將其與石油機(jī)械液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行有效結(jié)合，以此來提高石油機(jī)械運(yùn)行效率。以下對PLC技術(shù)、石油機(jī)械液壓控制系統(tǒng)以及兩者的實(shí)際運(yùn)用情況給予詳細(xì)闡述。

1 PLC技術(shù)

PLC是可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)的簡稱，其內(nèi)部的存儲器屬于核心零件，集編程、運(yùn)算、計(jì)數(shù)、計(jì)時、控制順序等于一體，當(dāng)上述程序?qū)崿F(xiàn)后，將結(jié)果通過模擬信號傳輸至后續(xù)的控制器，從而更好地滿足用戶需求。通過對PLC的構(gòu)成與作用進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，其在工業(yè)生產(chǎn)方面可以被當(dāng)作微型計(jì)算機(jī)來使用，主要是由于其擁有了微型計(jì)算機(jī)所有的特征，然而PLC技術(shù)也具備一些獨(dú)特之處，如功能較多、易于編程、性能良好、極強(qiáng)的抵抗干預(yù)能力和較高的可靠性等，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。

PLC技術(shù)的結(jié)構(gòu)主要包含電源、存儲器、CPU、結(jié)構(gòu)模塊、功能模塊和輸入輸出接口電路等，并通過電源總線、控制總線、數(shù)據(jù)總線等構(gòu)成統(tǒng)一整體。

1)PLC技術(shù)選擇了簡明的邏輯圖、梯形圖或語句表作為編程語言，不需要具備計(jì)算機(jī)知識就能夠操作，同時系統(tǒng)開發(fā)周期比較短，容易進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試。此外，可在線對PLC技術(shù)的程序進(jìn)行修改，在對控制方案進(jìn)行調(diào)整時無需拆動硬件。

2)如今，PLC產(chǎn)品開始趨于系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，并且各種硬件裝置品種齊全，可供不同用戶進(jìn)行選擇。同時，用戶可以對系統(tǒng)配置進(jìn)行靈活方便的調(diào)整，從而組成不同規(guī)模、不同功能的系統(tǒng)。PLC技術(shù)接線安裝也比較方便，可以通過接線端子與外部接線進(jìn)行連接。同時PLC技術(shù)還具備比較強(qiáng)的帶負(fù)載能力，能夠直接驅(qū)動小型交流接觸器和一般的電磁閥。

3)通常情況下，在一臺小型PLC內(nèi)，包含了大量可供用戶進(jìn)行編程的元件，能夠完成相對復(fù)雜的控制功能。通過與功能相同的繼電器進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，其具有比較高的性價比。通過通信聯(lián)網(wǎng)，PLC技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)集中管理，分散控制。

4)由于PLC用軟件取代了時間繼電器和中間繼電器等大量的繼電器控制系統(tǒng)，從而降低了控制柜的設(shè)計(jì)、安裝工作量。同時PLC的梯形圖程序選擇了順序控制設(shè)計(jì)理念，具有比較強(qiáng)的規(guī)律性，因此掌握和操作起來很容易。如果控制系統(tǒng)比較復(fù)雜時，設(shè)計(jì)梯形圖的時間要遠(yuǎn)低于相同功能繼電器系統(tǒng)的電路圖設(shè)計(jì)所需時間。在實(shí)驗(yàn)室可以通過PLC 的用戶程序來進(jìn)行模擬調(diào)試，用小開關(guān)來模擬輸入信號，借助PLC上的發(fā)光二極管來對輸出信號狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時、動態(tài)觀察。在系統(tǒng)安裝和接線后，如果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在問題時，可以通過程序修改的方式來給予解決，并且與繼電器系統(tǒng)相比，PLC技術(shù)的調(diào)試時間少很多。

5)通常情況下，傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)選擇了大量的時間繼電器和中間繼電器，因?yàn)橛|點(diǎn)接觸不良，增加了故障的發(fā)生率。PLC技術(shù)可以用軟件來取代時間繼電器和中間繼電器，僅保留了與輸入和輸出相對應(yīng)的部分硬件元件，接線可以下降至繼電器控制系統(tǒng)的1/10～1/100，大大降低了由于觸點(diǎn)接觸不良而引發(fā)的運(yùn)行故障。PLC技術(shù)選擇了一系列軟件和硬件抗干擾措施，從而使其抗干擾能力較強(qiáng)，平均無故障時間超過了數(shù)萬小時，在強(qiáng)烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場得到了廣泛應(yīng)用。

6)PLC技術(shù)具有比較低的故障率，而且具備完善的顯示和自診斷功能，當(dāng)PLC或外部的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和輸入裝置出現(xiàn)故障時，能夠借助PLC上的編程器或發(fā)光二極管提供的信息來對故障原因進(jìn)行分析，并通過更換模塊的方式來使故障得到有效排除。

2 石油機(jī)械液壓控制系統(tǒng)分析

通常情況下，石油機(jī)械液壓控制系統(tǒng)要想確保各項(xiàng)功能的順利實(shí)現(xiàn)，少不了位于下面和上面的液壓缸，其中最典型的運(yùn)作形式是手動、半自動與調(diào)整。實(shí)際上，石油機(jī)械液壓控制系統(tǒng)各方面工藝的實(shí)現(xiàn)更多依賴于頂出缸活塞與活動橫梁間的協(xié)作，其工作原理如圖1所示。

圖1 石油機(jī)械液壓控制系統(tǒng)工作原理圖

通常情況下，石油機(jī)械液壓控制系統(tǒng)自身存在操作技術(shù)簡單、傳輸功率大、調(diào)節(jié)方便和傳輸可靠穩(wěn)定、沖擊力小等一系列的特點(diǎn)，因此在機(jī)械工程領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，尤其是在高空作業(yè)車、鉆井、修井機(jī)、鉆機(jī)等石油機(jī)械產(chǎn)品中，其既能夠使勞動者的工作強(qiáng)度降低，而且還可以提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。但是，在實(shí)際應(yīng)用過程中，更多的仍然局限于傳統(tǒng)的手動、液壓控制、氣動和電磁等控制模式，從而增加了石油機(jī)械液壓控制系統(tǒng)運(yùn)行的難度。但是，現(xiàn)有石油機(jī)械液壓控制方法探究更多的局限于以往的手動、氣動、電磁和液壓控制，無形之中給現(xiàn)有工作研究和開展產(chǎn)生不利影響，其各種控制方式所具有的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 手動、氣動、電磁和液壓控制對比

在實(shí)際應(yīng)用過程中，不同控制模式所具有的優(yōu)缺點(diǎn)不同，其不僅會對石油機(jī)械中液壓控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍產(chǎn)生影響，而且還會影響石油機(jī)械自動化控制進(jìn)程，進(jìn)而影響石油機(jī)械運(yùn)行效率。隨著現(xiàn)代社會機(jī)械化、知識化、工業(yè)化、自動化和智能化的發(fā)展，社會各界對石油機(jī)械產(chǎn)品運(yùn)行的可靠性、安全性和自動化程度的要求不斷提高，并使得石油機(jī)械設(shè)備自身所涉及的系統(tǒng)和構(gòu)件變得越發(fā)復(fù)雜?；诖耍瑐鹘y(tǒng)石油機(jī)械液壓控制技術(shù)開始無法更好地滿足時代發(fā)展需求，亟需在日常工作中加強(qiáng)對新設(shè)備、新技術(shù)的應(yīng)用，更好地發(fā)揮石油機(jī)械液壓控制系統(tǒng)的作用。

3 石油機(jī)械液壓控制中PLC技術(shù)應(yīng)用的意義

對于石油機(jī)械液壓控制系統(tǒng)而言，通過對PLC技術(shù)的科學(xué)、合理的應(yīng)用，可以有效擺脫傳統(tǒng)手動、半自動與調(diào)整的限制，并通過一定的壓邊力來進(jìn)行操作，壓邊力一般是在溢流時缸液壓油拉深板材頂出時產(chǎn)生的，此過程并非可簡單控制，需要結(jié)合實(shí)際情況對之前的液壓系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。由于PLC技術(shù)的應(yīng)用，頂出缸不僅可以提供穩(wěn)定的壓邊力，而且還可以隨狀況進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，進(jìn)而更好地發(fā)揮PLC技術(shù)的優(yōu)勢，提高石油機(jī)械液壓控制效果。

4 合理選擇PLC技術(shù)

對于石油企業(yè)而言，在機(jī)械液壓控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中，要在對各方面因素給予綜合考慮的基礎(chǔ)上進(jìn)行PLC選型，這些因素包括系統(tǒng)工作特點(diǎn)、系統(tǒng)控制任務(wù)、控制要求和控制范圍。只有對上述因素給予具體明確后，才能夠開展后續(xù)的相關(guān)操作和動作。同時，結(jié)合控制要求對輸入和輸出點(diǎn)數(shù)進(jìn)行估算，并根據(jù)外部器件的特性和所需的存儲容量對PLC功能進(jìn)行確定，最后優(yōu)選出性價較高的PLC和控制系統(tǒng)。

4.1 預(yù)算輸入和輸出點(diǎn)數(shù)

在PLC技術(shù)選擇過程中，預(yù)算輸入與輸出點(diǎn)數(shù)是比較關(guān)鍵的一項(xiàng)因素，在對其進(jìn)行預(yù)算時，需要對余量因素給予綜合考慮。實(shí)際上，適宜的PLC余量一般是預(yù)算所得的輸入和輸出點(diǎn)數(shù)乘以1.1或1.2這個數(shù)字倍數(shù)。通常情況下，在程序操作時余量的作用是確保具備充足的物理存儲空間范圍，以確保該程序在正常運(yùn)作過程中不會遭遇物理存儲空間帶來的影響。在預(yù)算輸入和輸出點(diǎn)數(shù)過程中，要合理評估系統(tǒng)程序的范圍大小，由此來確定最適宜的PLC余量，避免因?yàn)槲锢泶鎯臻g存在不足而導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不暢。

4.2 預(yù)算存儲器的容量

在預(yù)算完輸入和輸出點(diǎn)數(shù)后，就需要開展預(yù)算存儲器容量工作，這一步驟也尤為關(guān)鍵。只有對存儲器進(jìn)行科學(xué)、準(zhǔn)確的預(yù)算，才能在PLC技術(shù)下，更好地確保石油機(jī)械液壓控制安全、高效地運(yùn)行。對于存儲器而言，如果與程序啟動和運(yùn)轉(zhuǎn)所需容量相比，其可供給的總體容量比較小時，將會對系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生干擾，甚至還有可能直接導(dǎo)致系統(tǒng)停止運(yùn)行。因此，在預(yù)算存儲器的容量時，要對系統(tǒng)需要的真實(shí)容量給予綜合考慮，并保證所預(yù)算的容量大于需求的數(shù)量。然而，大多數(shù)情況下，對石油機(jī)械液壓控制系統(tǒng)的真實(shí)容量無法進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)算，從而增加了PLC選擇的難度。

4.3 選擇適宜的CPU

在獲得存儲器容量預(yù)算結(jié)果后，才會進(jìn)行CPU的選擇。通常情況下，CPU大小要求超過真實(shí)需要，并保證其本身的演算速率與處理技能滿足用戶要求。同時，在通信接口與形式上，CPU存在一定的差異，因此應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況來對CPU進(jìn)行科學(xué)、合理的選擇。此外，為了確保系統(tǒng)主站可以順利地與子站進(jìn)行連接，還需要對石油機(jī)械液壓控制系統(tǒng)與PLC的總體構(gòu)造給予綜合考慮。

4.4 合理分配I/O

由于PLC具有運(yùn)算速度較快、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在分配I/O的過程中要對整個系統(tǒng)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)給予綜合考慮，以此更好地發(fā)揮PLC的技術(shù)優(yōu)勢。西門子公司生產(chǎn)的S7-200系CPU226型PLC，其I/O指令和功能系統(tǒng)可以更好地滿足石油機(jī)械液壓控制要求。實(shí)際上，控制按鈕、壓力繼電器及各處的行程開關(guān)等開關(guān)量信號將與PLC的輸入端子進(jìn)行直接相連，并且PLC的開關(guān)量輸出端子將與各個電磁閥直接相連，通過外接24 V電源驅(qū)動或PLC上所帶的24 V電源來進(jìn)行驅(qū)動，進(jìn)而達(dá)到預(yù)期的控制效果。

4.5 合理選擇輸入與輸出模塊

對于石油機(jī)械液壓控制系統(tǒng)而言，在選擇PLC過程中，需要根據(jù)實(shí)際需求合理選擇輸入與輸出模塊，并綜合考慮總體的運(yùn)用要求，以確保其正常運(yùn)行。對輸入模塊而言，要求做好信號電平、信號隔離、供給信號方式及信號運(yùn)送距離等方面的需求分析。對輸出模塊而言，要對其壽命的長短、價格的合理性、電壓的區(qū)間及性價比等內(nèi)容進(jìn)行分析。實(shí)際上，良好性能的輸入與輸出模塊價格比較高，此時最好根據(jù)真實(shí)需求來進(jìn)行合理選擇，并保證輸出模塊最終傳輸方式滿足應(yīng)用程序的需求。

4.6 控制功能的選擇

1)控制功能。其涵蓋了前饋補(bǔ)償控制運(yùn)算、PID控制運(yùn)算、比值控制運(yùn)算等，此時最好結(jié)合控制要求進(jìn)行確定。在石油機(jī)械液壓控制系統(tǒng)中，PLC控制器側(cè)重于順序邏輯控制，且在大部分場合選擇了多回路或單回路控制器，從而使模擬量的控制問題得到有效解決，必要的時候也會選擇專用的智能輸入輸出單元，進(jìn)而在節(jié)省存儲器容量的同時，提高PLC控制器的處理速度。

2)運(yùn)算功能。在石油機(jī)械液壓控制系統(tǒng)中，PLC技術(shù)的運(yùn)算功能主要包括計(jì)時和計(jì)數(shù)、邏輯運(yùn)算功能。在設(shè)計(jì)選型時，最好在對實(shí)際情況給予綜合考慮后對所需運(yùn)算功能進(jìn)行合理選用，以此來更好地提高運(yùn)算水平。

3)通信功能。PLC技術(shù)可以支持多種標(biāo)準(zhǔn)通信和現(xiàn)場總線協(xié)議(如TCP/IP)，并且在具體應(yīng)用階段最好與工廠管理網(wǎng)進(jìn)行連接。通信協(xié)議需要滿足ISO/IEEE通信標(biāo)準(zhǔn)，并構(gòu)建開放的通信網(wǎng)絡(luò)。通常情況下，PLC技術(shù)通信接口應(yīng)包括RIO通信接口、串行和并行通信接口、常用DCS接口等。通信總線應(yīng)滿足國際標(biāo)準(zhǔn)，通信距離符合裝置實(shí)際控制要求。

4)診斷功能。PLC技術(shù)的診斷功能側(cè)重于軟件和硬件的診斷，其中軟件診斷又包括了內(nèi)診斷和外診斷，前者主要是借助軟件對PLC內(nèi)部功能和性能進(jìn)行診斷，而外診斷是借助軟件對PLC的CPU和外部輸入輸出進(jìn)行診斷。硬件診斷主要是借助硬件的邏輯判斷來查明硬件存在的故障位置，進(jìn)而及時采取有效措施給予處理。

在石油機(jī)械液壓控制過程中，PLC控制技術(shù)的應(yīng)用尚處在剛剛起步階段，CPU、傳感器、伺服液壓件等相關(guān)配套件可能存在或多或少的缺陷與不足，因此需要注意以下幾個方面的問題。①軟件編程。在進(jìn)行編程設(shè)計(jì)過程中，需要對各種條件給予綜合考慮，盡可能避免出現(xiàn)程序bedbug及盲區(qū)。②選型。要結(jié)合實(shí)際情況做好各方面的調(diào)查工作，盡可能選擇符合要求的傳感器、伺服馬達(dá)、伺服液壓缸及控制閥等。③仿真試驗(yàn)。需要按照要求反復(fù)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，對可能出現(xiàn)的問題給予綜合考慮。④前期投入。做好前期試驗(yàn)、研制費(fèi)用的預(yù)算工作，以確保后續(xù)操作的順利開展。

5 結(jié)語

在石油機(jī)械液壓控制過程中，要做好PLC 控制技術(shù)的選擇和應(yīng)用工作，這樣既可以使傳統(tǒng)液壓控制系統(tǒng)中存在的問題得到有效解決，還可以提高設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性，進(jìn)而有效提高石油機(jī)械液壓控制效果。