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力和整體發(fā)展水平。而傳統(tǒng)的石油機械產(chǎn)品無法滿足時代發(fā)展需求，為了更好地發(fā)揮石油機械液壓控制系統(tǒng)的優(yōu)勢，就需要加強對PLC技術(shù)的應(yīng)用，并將其與石油機械液壓控制系統(tǒng)進行有效結(jié)合，以此來提高石油機械運行效率。以下對PLC技術(shù)、石油機械液壓控制系統(tǒng)以及兩者的實際運用情況給予詳細闡述。

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、運算、計數(shù)、計時、控制順序等于一體，當上述程序?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)成與作用進行分析可以發(fā)現(xiàn)，其在工業(yè)生產(chǎn)方面可以被當作微型計算機來使用，主要是由于其擁有了微型計算機所有的特征，然而PLC技術(shù)也具備一些獨特之處，如功能較多、易于編程、性能良好、極強的抵抗干預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，不需要具備計算機知識就能夠操作，同時系統(tǒng)開發(fā)周期比較短，容易進行現(xiàn)場調(diào)試。此外，可在線對PLC技術(shù)的程序進行修改，在對控制方案進行調(diào)整時無需拆動硬件。

2)如今，PLC產(chǎn)品開始趨于系列化、標準化、模塊化，并且各種硬件裝置品種齊全，可供不同用戶進行選擇。同時，用戶可以對系統(tǒng)配置進行靈活方便的調(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行連接。同時PLC技術(shù)還具備比較強的帶負載能力，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行編程的元件，能夠完成相對復雜的控制功能。通過與功能相同的繼電器進行對比發(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、安裝工作量。同時PLC的梯形圖程序選擇了順序控制設(shè)計理念，具有比較強的規(guī)律性，因此掌握和操作起來很容易。如果控制系統(tǒng)比較復雜時，設(shè)計梯形圖的時間要遠低于相同功能繼電器系統(tǒng)的電路圖設(shè)計所需時間。在實驗室可以通過PLC 的用戶程序來進行模擬調(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)進行實時、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，因為觸點接觸不良，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接觸不良而引發(fā)的運行故障。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，平均無故障時間超過了數(shù)萬小時，在強烈干擾的工業(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PLC或外部的執(zhí)行機構(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 石油機械液壓控制系統(tǒng)分析

通常情況下，石油機械液壓控制系統(tǒng)要想確保各項功能的順利實現(xiàn)，少不了位于下面和上面的液壓缸，其中最典型的運作形式是手動、半自動與調(diào)整。實際上，石油機械液壓控制系統(tǒng)各方面工藝的實現(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 石油機械液壓控制系統(tǒng)工作原理圖

通常情況下，石油機械液壓控制系統(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，因此在機械工程領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，尤其是在高空作業(yè)車、鉆井、修井機、鉆機等石油機械產(chǎn)品中，其既能夠使勞動者的工作強度降低，而且還可以提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。但是，在實際應(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，從而增加了石油機械液壓控制系統(tǒng)運行的難度。但是，現(xiàn)有石油機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)缺點如表1所示。

表1 手動、氣動、電磁和液壓控制對比

在實際應(yīng)用過程中，不同控制模式所具有的優(yōu)缺點不同，其不僅會對石油機械中液壓控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍產(chǎn)生影響，而且還會影響石油機械自動化控制進程，進而影響石油機械運行效率。隨著現(xiàn)代社會機械化、知識化、工業(yè)化、自動化和智能化的發(fā)展，社會各界對石油機械產(chǎn)品運行的可靠性、安全性和自動化程度的要求不斷提高，并使得石油機械設(shè)備自身所涉及的系統(tǒng)和構(gòu)件變得越發(fā)復雜。基于此，傳統(tǒng)石油機械液壓控制技術(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對新設(shè)備、新技術(shù)的應(yīng)用，更好地發(fā)揮石油機械液壓控制系統(tǒng)的作用。

3 石油機械液壓控制中PLC技術(shù)應(yīng)用的意義

對于石油機械液壓控制系統(tǒng)而言，通過對PLC技術(shù)的科學、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)合實際情況對之前的液壓系統(tǒng)進行調(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行調(diào)整和優(yōu)化，進而更好地發(fā)揮PLC技術(shù)的優(yōu)勢，提高石油機械液壓控制效果。

4 合理選擇PLC技術(shù)

對于石油企業(yè)而言，在機械液壓控制系統(tǒng)運行過程中，要在對各方面因素給予綜合考慮的基礎(chǔ)上進行PLC選型，這些因素包括系統(tǒng)工作特點、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數(shù)進行估算，并根據(jù)外部器件的特性和所需的存儲容量對PLC功能進行確定，最后優(yōu)選出性價較高的PLC和控制系統(tǒng)。

4.1 預算輸入和輸出點數(shù)

在PLC技術(shù)選擇過程中，預算輸入與輸出點數(shù)是比較關(guān)鍵的一項因素，在對其進行預算時，需要對余量因素給予綜合考慮。實際上，適宜的PLC余量一般是預算所得的輸入和輸出點數(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作過程中不會遭遇物理存儲空間帶來的影響。在預算輸入和輸出點數(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，避免因為物理存儲空間存在不足而導致系統(tǒng)運行不暢。

4.2 預算存儲器的容量

在預算完輸入和輸出點數(shù)后，就需要開展預算存儲器容量工作，這一步驟也尤為關(guān)鍵。只有對存儲器進行科學、準確的預算，才能在PLC技術(shù)下，更好地確保石油機械液壓控制安全、高效地運行。對于存儲器而言，如果與程序啟動和運轉(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)的正常運轉(zhuǎn)產(chǎn)生干擾，甚至還有可能直接導致系統(tǒng)停止運行。因此，在預算存儲器的容量時，要對系統(tǒng)需要的真實容量給予綜合考慮，并保證所預算的容量大于需求的數(shù)量。然而，大多數(shù)情況下，對石油機械液壓控制系統(tǒng)的真實容量無法進行準確預算，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算結(jié)果后，才會進行CPU的選擇。通常情況下，CPU大小要求超過真實需要，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)合實際情況來對CPU進行科學、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行連接，還需要對石油機械液壓控制系統(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具有運算速度較快、數(shù)據(jù)處理能力強等特點，在分配I/O的過程中要對整個系統(tǒng)的技術(shù)和經(jīng)濟指標給予綜合考慮，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械液壓控制要求。實際上，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電源來進行驅(qū)動，進而達到預期的控制效果。

4.5 合理選擇輸入與輸出模塊

對于石油機械液壓控制系統(tǒng)而言，在選擇PLC過程中，需要根據(jù)實際需求合理選擇輸入與輸出模塊，并綜合考慮總體的運用要求，以確保其正常運行。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)容進行分析。實際上，良好性能的輸入與輸出模塊價格比較高，此時最好根據(jù)真實需求來進行合理選擇，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。其涵蓋了前饋補償控制運算、PID控制運算、比值控制運算等，此時最好結(jié)合控制要求進行確定。在石油機械液壓控制系統(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)運算功能。在石油機械液壓控制系統(tǒng)中，PLC技術(shù)的運算功能主要包括計時和計數(shù)、邏輯運算功能。在設(shè)計選型時，最好在對實際情況給予綜合考慮后對所需運算功能進行合理選用，以此來更好地提高運算水平。

3)通信功能。PLC技術(shù)可以支持多種標準通信和現(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)進行連接。通信協(xié)議需要滿足ISO/IEEE通信標準，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)滿足國際標準，通信距離符合裝置實際控制要求。

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)部功能和性能進行診斷，而外診斷是借助軟件對PLC的CPU和外部輸入輸出進行診斷。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，進而及時采取有效措施給予處理。

在石油機械液壓控制過程中，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。在進行編程設(shè)計過程中，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、伺服液壓缸及控制閥等。③仿真試驗。需要按照要求反復進行仿真試驗，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、研制費用的預算工作，以確保后續(xù)操作的順利開展。

5 結(jié)語

在石油機械液壓控制過程中，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)備運行的安全性和可靠性，進而有效提高石油機械液壓控制效果。