電動(dòng)鉆機(jī)氣控系統(tǒng)集成化和自動(dòng)化改進(jìn)設(shè)計(jì)

陳 建,董云飛,廖文青

(江蘇石油勘探局鉆井處,江蘇揚(yáng)州225261) ①

電動(dòng)鉆機(jī)氣控系統(tǒng)集成化和自動(dòng)化改進(jìn)設(shè)計(jì)

陳 建,董云飛,廖文青

(江蘇石油勘探局鉆井處,江蘇揚(yáng)州225261)①

通過(guò)對(duì)江蘇油田在用ZJ30DB、ZJ40D、ZJ50D和ZJ70D型電動(dòng)鉆機(jī)氣控系統(tǒng)故障率高、操作不方便、維修困難、冬季氣瓶每隔30 min需要人工放水等問(wèn)題的分析和研究,對(duì)ZJ70DB型電動(dòng)鉆機(jī)氣控系統(tǒng)進(jìn)行了完善和設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)鉆機(jī)盤剎、風(fēng)動(dòng)旋扣器、轉(zhuǎn)盤慣剎、自動(dòng)送鉆離合、防碰釋放、游車防碰、氣喇叭、氣動(dòng)卡瓦以及鉆臺(tái)上氣罐自動(dòng)放水等的集中控制和自動(dòng)控制。改進(jìn)后的氣控系統(tǒng)具有動(dòng)作靈敏、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝維護(hù)方便、操作容易、正壓防爆和使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

氣控系統(tǒng);電動(dòng)鉆機(jī);集成化;智能化

近年來(lái),隨著鉆機(jī)自動(dòng)化和智能化的程度越高,鉆機(jī)空氣系統(tǒng)的問(wèn)題就越顯得突出[1]。

a) 傳統(tǒng)的鉆機(jī)氣控系統(tǒng)均由司鉆控制房?jī)?nèi)的手動(dòng)換向氣閥來(lái)控制。由于手動(dòng)換向閥均為手柄式的,司鉆在操作時(shí)容易造成誤操作,從而發(fā)生嚴(yán)重的生產(chǎn)事故;另外,由于手動(dòng)換向氣閥體積大,占用司鉆操作臺(tái)的面積大,使司鉆控制房的空間狹窄,給維護(hù)和使用都帶來(lái)不便。

b) 傳統(tǒng)的鉆機(jī)空氣系統(tǒng)在防碰天車起作用時(shí),會(huì)切斷氣路控制盤剎液壓站工作使盤剎剎死,而這時(shí)絞車電機(jī)沒(méi)有得到停止工作的信號(hào)而繼續(xù)工作,從而產(chǎn)生憋電機(jī)事故。

c) 在冬季低溫時(shí),空氣系統(tǒng)的氣瓶容易積水、凍結(jié),所以每隔30 min就需要對(duì)氣瓶人工放水。由于氣瓶大多在鉆臺(tái)面底下,放水時(shí)不僅上下不方便,還因?yàn)殂@臺(tái)離地面較高容易發(fā)生高空墜落事故。

本文提出的集成化、自動(dòng)化氣控系統(tǒng)具有優(yōu)良的控制性能,改變了傳統(tǒng)的控制方式,采用冗余系統(tǒng)控制[2],不僅節(jié)約了氣控系統(tǒng)的占用空間,也解決了氣控系統(tǒng)性能不穩(wěn)定、操作不方便、故障率高、自動(dòng)化程度低、安全性低以及在冬季氣瓶需要人工放水等問(wèn)題。

1 氣控系統(tǒng)集成

氣控系統(tǒng)的集成是將盤剎、風(fēng)動(dòng)旋扣器、轉(zhuǎn)盤慣剎、自動(dòng)送鉆離合、防碰釋放、游車防碰、氣喇叭、氣動(dòng)卡瓦以及鉆臺(tái)上氣罐自動(dòng)放水等的電控?fù)Q向閥集中設(shè)計(jì)在一個(gè)閥組里,采用特殊設(shè)計(jì)的控制閥以保證其能用于各種場(chǎng)合,并具有很長(zhǎng)的使用壽命。改進(jìn)設(shè)計(jì)的ZJ70DB型電動(dòng)鉆機(jī)氣控系統(tǒng)采用的閥組由10個(gè)閥組成,每一個(gè)閥為一個(gè)二位三通閥,閥組功能如圖1。

圖1 閥組功能

閥組控制電源為24 V DC,整個(gè)閥組安裝在1個(gè)正方形箱子里,采用正壓防爆,具有動(dòng)作靈敏、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝維護(hù)方便、操作容易等優(yōu)點(diǎn)。另外,在氣體進(jìn)入閥組之前要經(jīng)過(guò)40μm級(jí)過(guò)濾器過(guò)濾,閥組的工作氣路通過(guò)一個(gè)統(tǒng)一的對(duì)外接口板送至對(duì)應(yīng)的控制管線來(lái)控制各個(gè)工作點(diǎn),既減小了控制閥所占空間,也方便了維護(hù)和保養(yǎng)。

閥組的控制信號(hào)線統(tǒng)一連接到箱體的一個(gè)多芯電纜接頭上,使用時(shí)只需將多芯電纜兩端分別連接到閥組箱的多芯電纜接頭和司鉆房底下的多芯電纜接頭上即可。

該氣控系統(tǒng)閥組控制分別使用面板控制和觸摸屏2種控制方式,如圖2。面板控制和觸摸屏控制的功能完全相同,二者都與PLC連接,通過(guò)一系列邏輯來(lái)控制閥組,以實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的各種功能。當(dāng)司鉆臺(tái)上的控制按鈕失效時(shí),采用觸摸屏控制也可以實(shí)現(xiàn)其控制功能,從而實(shí)現(xiàn)了氣控系統(tǒng)控制的冗余設(shè)計(jì)。

圖2 閥組箱控制方式

在每個(gè)閥上還設(shè)有手動(dòng)按扭,按動(dòng)閥組上相應(yīng)的按扭就可以實(shí)現(xiàn)在沒(méi)有電源的情況下控制閥組,以實(shí)現(xiàn)閥組的部分控制功能。當(dāng)PLC出現(xiàn)故障時(shí),為了保證鉆機(jī)仍能正常工作,PLC單元還設(shè)有旁路,即繼電器控制單元來(lái)保證面板控制的功能不喪失。

2 氣控系統(tǒng)自動(dòng)化

該氣控系統(tǒng)采用的控制電路與原電動(dòng)鉆機(jī)控制系統(tǒng)一樣都是24 V DC電源,所以可直接從電動(dòng)鉆機(jī)的控制系統(tǒng)中取電[3]。在司鉆臺(tái)操作面板上設(shè)有防碰釋放、氣動(dòng)卡瓦控制、轉(zhuǎn)盤慣剎控制、氣喇叭控制、風(fēng)動(dòng)上卸扣、自動(dòng)送鉆離合控制、氣瓶自動(dòng)放水以及備用開關(guān)按鈕,當(dāng)司鉆操作時(shí),將24 V DC電源信號(hào)送入 PLC數(shù)據(jù)輸入模塊,然后經(jīng)過(guò)PLC的邏輯計(jì)算后,在數(shù)據(jù)輸出模塊上輸出相應(yīng)的控制信號(hào),控制信號(hào)通過(guò)多芯控制電纜傳給閥組,閥組動(dòng)作。

2.1 絞車盤剎過(guò)卷防碰和天車防碰控制

使用絞車時(shí),天車防碰、過(guò)卷防碰、盤剎緊急剎車、絞車主電機(jī)故障、電子防碰、鉆機(jī)急停均為正常狀態(tài),且絞車A、B電機(jī)減速箱掛擋信號(hào)同在高速或低速時(shí),經(jīng)PLC程序計(jì)算,PLC給閥組閥1(如圖1)信號(hào),閥1打開給盤剎供氣,盤剎釋放可操作。當(dāng)使用自動(dòng)送鉆且有自動(dòng)送鉆離合器反饋時(shí),PLC也會(huì)給閥1信號(hào),閥1打開給盤剎供氣,盤剎釋放也可操作。當(dāng)天車防碰氣路作用或過(guò)卷防碰氣路作用時(shí),將供氣信號(hào)給閥組箱內(nèi)的壓力開關(guān),壓力開關(guān)接收氣信號(hào)后發(fā)出天車防碰或過(guò)卷防碰信號(hào)給PLC,PLC斷開閥1電信號(hào),閥1關(guān)閉排氣盤剎剎車,同時(shí)PLC還發(fā)出控制信號(hào)控制電機(jī)減速停機(jī)。如果使用自動(dòng)送鉆,PLC還會(huì)斷開閥3電信號(hào),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送鉆離合摘離。當(dāng)盤剎緊急剎車、主電機(jī)和送鉆電機(jī)出現(xiàn)故障、或游車運(yùn)行到電子防碰設(shè)定的高度、鉆機(jī)急停、送鉆離合器破裂或絞車滾筒兩端變速箱掛擋錯(cuò)誤時(shí),PLC斷開閥1電信號(hào),閥1關(guān)閉排氣后盤剎剎車。絞車盤剎電磁閥控制程序如圖3。

圖3 絞車盤剎電磁閥控制程序

上述功能不僅在PLC工作時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn),在PLC出現(xiàn)故障時(shí)還設(shè)計(jì)了繼電器系統(tǒng)作為備用,只需要在司鉆操作臺(tái)上把控制方式由PLC模式切換為旁路模式就能夠?qū)崿F(xiàn)。另外,空氣系統(tǒng)的控制采用司鉆臺(tái)控制面板和觸摸屏控制雙控制方式,實(shí)現(xiàn)了氣控系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì),解決了1種控制出現(xiàn)故障時(shí)而使氣控系統(tǒng)無(wú)法工作的問(wèn)題。采用該種控制,在盤剎緊急剎車、主電機(jī)和送鉆電機(jī)出現(xiàn)故障、游車運(yùn)行到電子防碰設(shè)定高度、鉆機(jī)急停、送鉆離合器破裂或絞車滾筒兩端變速箱掛擋錯(cuò)誤時(shí),不僅能夠給盤剎發(fā)出信號(hào),還能給電控系統(tǒng)發(fā)出信號(hào),使絞車電機(jī)不能啟動(dòng),避免絞車憋電機(jī)等現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2 轉(zhuǎn)盤慣剎控制

轉(zhuǎn)盤慣剎控制可以選擇手動(dòng),也可以選擇自動(dòng)。當(dāng)慣剎開關(guān)處于手動(dòng)慣剎位置時(shí),輸出電信號(hào)到PLC,PLC斷開閥組閥2電信號(hào),閥2打開輸出信號(hào)給轉(zhuǎn)盤電機(jī)使電機(jī)停止,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤慣剎;當(dāng)轉(zhuǎn)盤慣剎開關(guān)處于自動(dòng)位置,同時(shí)轉(zhuǎn)盤電機(jī)停機(jī)或斷電時(shí),輸出電信號(hào)到PLC,鉆機(jī)急停PLC,輸出電信號(hào)同時(shí)斷開閥2電信號(hào),閥2打開輸出氣信號(hào)到轉(zhuǎn)盤慣剎離合器剎住轉(zhuǎn)盤,只有當(dāng)開關(guān)置于自動(dòng)慣剎位置時(shí),電機(jī)才可以再次啟動(dòng)。轉(zhuǎn)盤慣剎控制程序如圖4。

圖4 轉(zhuǎn)盤慣剎控制閥控制程序

2.3 自動(dòng)送鉆離合控制

當(dāng)自動(dòng)送鉆離合器在“合”位置時(shí),輸出電信號(hào)給PLC,PLC檢測(cè)絞車主電機(jī)是否有停機(jī)信號(hào),若主電機(jī)停機(jī),又無(wú)防碰信號(hào)、盤剎緊急剎車信號(hào)、故障信號(hào)和鉆機(jī)急停信號(hào)的情況下,PLC給閥組閥3送電信號(hào),閥3打開輸出氣信號(hào),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送鉆離合[4]。自動(dòng)送鉆離合控制程序如圖5。

圖5 自動(dòng)送鉆離合控制程序

2.4 風(fēng)動(dòng)旋扣器控制

2.4.1 風(fēng)動(dòng)上扣

當(dāng)風(fēng)動(dòng)旋扣器面板控制開關(guān)旋至上扣位置時(shí),開關(guān)發(fā)出電信號(hào)到PLC,PLC給閥組閥5輸出電信號(hào),閥5開啟輸出氣信號(hào),打開井架上風(fēng)動(dòng)旋扣器繼氣器,氣源經(jīng)過(guò)風(fēng)動(dòng)旋扣繼氣器供給水龍頭風(fēng)動(dòng)馬達(dá)實(shí)現(xiàn)風(fēng)動(dòng)上扣。

2.4.2 風(fēng)動(dòng)卸扣

當(dāng)風(fēng)動(dòng)旋扣器面板控制開關(guān)旋至卸扣位置時(shí),開關(guān)發(fā)出電信號(hào)到PLC,PLC給閥組閥4輸出電信號(hào),閥4開啟延時(shí)3 s后給閥5信號(hào),閥5打開,閥4和閥5分別控制風(fēng)動(dòng)旋扣器換向閥和繼氣器實(shí)現(xiàn)風(fēng)動(dòng)卸扣。

風(fēng)動(dòng)上扣和風(fēng)動(dòng)卸扣功能是互鎖的。

2.5 防碰釋放控制

當(dāng)游車上升到緊急高度時(shí),盤剎剎車。若要讓游車下放,按下面板上的防碰釋放開關(guān),輸出電信號(hào)給PLC,PLC給閥組閥1電信號(hào),閥1打開,盤剎釋放可操作,同時(shí)PLC給閥6電信號(hào),閥6關(guān)閉排氣,放掉防碰回路中的控制氣信號(hào)。司鉆通過(guò)防碰釋放開關(guān)盒絞車控制手柄緩慢下放游車,防碰釋放開關(guān)可復(fù)位。當(dāng)游車下放到安全高度以下后,松開防碰釋放按鈕開關(guān),同時(shí)將絞車防碰過(guò)卷閥和天車防碰器復(fù)位至工作位置,鉆機(jī)能正常使用。

2.6 氣喇叭控制

當(dāng)司鉆需要提醒工作人員注意時(shí),按住面板上氣喇叭開關(guān),開關(guān)輸出電信號(hào)到PLC,PLC給閥組閥7電信號(hào),閥7打開供氣給氣喇叭,氣喇叭鳴叫,松開后信號(hào)消失,氣喇叭停止鳴叫。

2.7 氣動(dòng)卡瓦控制

當(dāng)氣動(dòng)卡瓦控制旋鈕旋至松開位置時(shí),開關(guān)發(fā)出電信號(hào)到PLC,PLC經(jīng)過(guò)計(jì)算后給閥組閥8電信號(hào),閥8打開供氣給氣動(dòng)卡瓦,氣動(dòng)卡瓦松開。當(dāng)氣動(dòng)卡瓦控制旋鈕旋至卡緊位置時(shí),開關(guān)發(fā)出電信號(hào)到PLC,PLC經(jīng)過(guò)計(jì)算后斷開閥8電信號(hào),閥8關(guān)閉斷開氣動(dòng)卡瓦的氣信號(hào),氣動(dòng)卡瓦卡緊鉆桿。

2.8 鉆臺(tái)上氣罐自動(dòng)放水

氣溫較低時(shí),司鉆可將氣罐放水控制旋鈕旋至自動(dòng)放水位置,開關(guān)發(fā)出信號(hào)到PLC,PLC給氣瓶上的電控閥發(fā)出電信號(hào),電控閥門延時(shí)5 s后(延時(shí)時(shí)間可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)節(jié))自動(dòng)關(guān)閉,此后PLC每過(guò)30 min會(huì)自動(dòng)給氣瓶上的電控閥發(fā)出電信號(hào)。若司鉆想要停止該功能時(shí),只需將氣罐放水控制旋鈕旋至停止放水位置。

2.9 備用開關(guān)

當(dāng)鉆機(jī)需要拓展其他功能時(shí),可啟動(dòng)備用開關(guān)輸出電信號(hào)給PLC,閥組備用閥9和閥10的輸入/輸出邏輯關(guān)系可通過(guò)在PLC內(nèi)輸入增補(bǔ)程序?qū)崿F(xiàn)。當(dāng)閥組內(nèi)的閥1～閥7出問(wèn)題時(shí),可用閥9、閥10代替。

3 結(jié)論

1) 該氣控系統(tǒng)所有的控制氣閥集成在1個(gè)閥組箱里,安裝、維護(hù)方便。

2) 氣控系統(tǒng)采用自動(dòng)化程度較高的 PLC進(jìn)行控制,通過(guò)面板或觸摸屏2種操作方式,實(shí)現(xiàn)了操作系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì),操作方便,安全性高。

3) 閥組設(shè)計(jì)手動(dòng)按扭開關(guān),可以實(shí)現(xiàn)在沒(méi)有電源的情況下手動(dòng)控制閥組。

4) 設(shè)計(jì)繼電器系統(tǒng)作為PLC系統(tǒng)的備用,在PLC出現(xiàn)故障時(shí)氣控系統(tǒng)也能正常工作,提高了氣控系統(tǒng)的可靠性。

5) 設(shè)計(jì)人性化的自動(dòng)氣瓶放水控制系統(tǒng),減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

6) 該氣控系統(tǒng)集成化、自動(dòng)化、智能化程度高,系統(tǒng)穩(wěn)定,安全性高,維護(hù)和操作方便,可最大限度地減少鉆井生產(chǎn)事故。

[1] 張建軍,李耀杰.淺談司鉆控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化,2005(5):23-25.

[2] 廖常初.S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005:47-49.

[3] 鄭蕓哲,齊明俠,沈 蓉,等.基于西門子 PLC的司鉆控制系統(tǒng)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2008,37(5):53-55.

[4] 張曉軍,王建才,戴克文,等.交流變頻電機(jī)自動(dòng)送鉆系統(tǒng)的原理和應(yīng)用[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2007,36(11):32-34.

Integration and Automatization of Air System in Electric Rig

CHEN Jian,DONG Yun-fei,LIAO Wen-qing
(Department of Drilling Engineering,J iangsu Oil Ex ploration Corporation,Yangzhou225261,China)

The air systems of ZJ30DB,ZJ40D,ZJ50D and ZJ70D which are being used in JOECO are featured by the high failure rate,difficult operation and frequent repair.Through the analysis and research,a new air system of ZJ70DB was designed.The new air system is of integration and automatization of controlling the disc brake,the pneumatic make-up and brake-out,the rotary table inertia control,the auto driller clutch,the anti-collision protection,the air trump,the pneumatic slips and the air tank.It is featured by the sensitive action,simple structure,convenient installation and maintenance,easy operation,positive-pressure explosion prevention and the long service life.

air system;electric rig;integration;automatization

1001-3482(2010)10-0051-04

TE922

A

2010-04-11

陳 建(1985-),男,福建周寧人,2007年畢業(yè)于西南石油大學(xué)機(jī)械工程及其自動(dòng)化專業(yè),現(xiàn)從事電動(dòng)鉆機(jī)和頂驅(qū)的維護(hù)和維修工作,E-mail:chenjian5001@163.com。