陸地石油鉆機(jī)大鉤高度保護(hù)系統(tǒng)

趙 芳，諶海云，易 偉，唐 敏，李 靜

（1.西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都 610500；2.四川昆侖石油設(shè)備制造有限公司，四川成都 610500；3.吐哈油田三塘湖采油廠，新疆哈密 839000；4.中原油田普光分公司采氣廠，四川達(dá)州 636150）

1 引言

大鉤是陸地石油鉆機(jī)配套的設(shè)備，主要是用于油田深、淺鉆井作業(yè)中提升和下放管柱的工具，是鉆井作業(yè)中必不可少的起重設(shè)備。由于鉆桿很重，即大鉤的負(fù)荷很重，若不控制大鉤的高度，上碰可能會(huì)撞壞石油鉆機(jī)天車，下砸可能會(huì)砸壞轉(zhuǎn)盤，造成不能生產(chǎn)。因此，確保大鉤的高度在一定范圍內(nèi)的意義重大。之前的石油鉆機(jī)會(huì)在絞車上裝一個(gè)過卷閥，機(jī)械上保證不會(huì)上碰天車，但不能保證不下砸，功能不齊全，并且精度差，容易誤動(dòng)作。本次設(shè)計(jì)完全根據(jù)大鉤的位置來準(zhǔn)確控制，讓大鉤在上碰點(diǎn)和下砸點(diǎn)之間運(yùn)動(dòng)，避免事故的發(fā)生。

本次設(shè)計(jì)采用的編碼器是增量型編碼器RHI90N-OIAK1R61N-1024，此為高精度編碼器，在大鉤上下多次來回運(yùn)行后仍然能保持零位。因此，不用經(jīng)常去校核零位。而國內(nèi)的同類產(chǎn)品其精度相對(duì)較低，且在大鉤上下運(yùn)行后不能歸零，這樣來回次數(shù)多了就會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差。

本系統(tǒng)使用的S7-300是模塊化小型PLC系統(tǒng)，主要面向制造工程的系統(tǒng)解決方案［1］。各種單獨(dú)的模塊之間可進(jìn)行廣泛組合構(gòu)成不同要求的系統(tǒng)。與S7-200 PLC相比較，S7-300 PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，具備高速（0.6-0.1μs）的指令運(yùn)算速度；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)大的通信功能，S7-300 PLC可通過編程軟件Step 7的用戶界面提供通信組態(tài)功能，這使得組態(tài)非常容易、簡單。S7-300 PLC具有多種不同的通信接口，如多點(diǎn)接口（MPI）集成在CPU中，用于同時(shí)連接編程器、PC機(jī)、人機(jī)界面系統(tǒng)及其他SIMATIC S7／M7／C7等自動(dòng)化控制系統(tǒng)［2］。

2 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過對(duì)編碼器數(shù)據(jù)的讀取，將其轉(zhuǎn)換為大鉤的實(shí)際高度，實(shí)現(xiàn)對(duì)大鉤高度的精確測量。對(duì)測量的大鉤實(shí)際高度與設(shè)定的大鉤保護(hù)上行下行點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，通過PLC輸出控制指令，控制司鉆房氣路電磁閥的動(dòng)作控制盤式剎車做出相應(yīng)的動(dòng)作，確保大鉤不超出設(shè)定范圍，其系統(tǒng)流程如圖1所示。

本系統(tǒng)包括了硬件組態(tài)模塊、邏輯判斷模塊等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

硬件組態(tài)模塊是指編輯人員根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況編輯硬件組態(tài)。進(jìn)行正確的編輯后，編譯保存再執(zhí)行下載。在線診斷可查看網(wǎng)絡(luò)連接和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)是否正確。另外在線時(shí)，如果編輯保存的組態(tài)與CPU中保存的內(nèi)容不一致，則會(huì)給出提示。

邏輯判斷模塊主要是判斷經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的大鉤位置和設(shè)定的位置輸出控制電磁閥，電磁閥動(dòng)作盤剎剎車。

設(shè)備控制模塊的功能是滿足輸出條件，則由本系統(tǒng)給出指令控制相應(yīng)的設(shè)備。如果通過反饋得知系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備未執(zhí)行輸出，則重啟輸出或報(bào)警。

HMI（人機(jī)界面）顯示是通過觸摸屏實(shí)時(shí)顯示本系統(tǒng)所屬各個(gè)設(shè)備的電氣運(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)，讓操作人員隨時(shí)掌握鉆機(jī)設(shè)備的運(yùn)行情況和數(shù)據(jù)，方便操作人員的操作和設(shè)備維護(hù)人員的診斷。

3 FM350計(jì)數(shù)模塊

FM350-1是一款用于高速計(jì)數(shù)的單通道智能計(jì)數(shù)模板，可以連接源型、漏型以及推挽式接口的編碼器，具有軟件門和硬件門控制計(jì)數(shù)和測量，帶比較值輸出?？梢栽贗MI53-1、IMI53-2、S7-300系統(tǒng)中使用。

3.1 硬件組態(tài)

在SIMATIC Manager中新建一個(gè)項(xiàng)目，雙擊“Hardware”進(jìn)入硬件組態(tài)界面后，按照所需模塊進(jìn)行硬件組態(tài)，如圖3所示。插入FM350模塊，進(jìn)行FM350-1的參數(shù)配置，其參數(shù)配置如圖4所示。

其中Encoder是用來設(shè)置編碼器類型的選擇、最高計(jì)數(shù)頻率等信息。確認(rèn)完相關(guān)參數(shù)后，保存配置信息，在硬件組態(tài)窗口中下載系統(tǒng)的硬件組態(tài)到CPU。

圖3 硬件組態(tài)

圖4 參數(shù)配置

3.2 程序編寫

安裝完組態(tài)包后，在STEP7的庫中添加庫程序，在編程之前需要將庫程序中的所有內(nèi)容復(fù)制到項(xiàng)目中。對(duì)于FM350-1，使用UDT-2創(chuàng)建一個(gè)共享DB塊。在DB1中，分別寫入模塊地址和通道地址。設(shè)置好OB1、FC2、DB1并下載到CPU中。創(chuàng)建一個(gè)背景數(shù)據(jù)塊DB用于HMI顯示用。

4 系統(tǒng)的組態(tài)與仿真

WinCC flexible與WinCC十分類似，都是組態(tài)軟件，而前者基于觸摸屏，后者基于工控機(jī)。本系統(tǒng)采用了WinCC flexible組態(tài)軟件，它是一種前瞻性的面向機(jī)器的自動(dòng)化概念的HMI軟件，具有舒適而高效的設(shè)計(jì)。WinCC flexible用于組態(tài)用戶界面，建立的組態(tài)數(shù)據(jù)包括：①過程畫面：用于顯示過程。②變量：用于運(yùn)行時(shí)在PLC和HMI設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)。③報(bào)警：運(yùn)行中發(fā)生故障時(shí)顯示報(bào)警狀態(tài)。④記錄：用于保存過程值和報(bào)警［3］。圖5所示為本系統(tǒng)的仿真圖。

圖5 系統(tǒng)的仿真

WinCC flexible支持多個(gè)不同自動(dòng)化概念的組態(tài)。本次設(shè)計(jì)中HMI設(shè)備通過PROFIBUS總線與PLC連接［4］。在 WinCC flexible中，與 SIMATIC STEP 7的集成，其過程標(biāo)簽提供了PLC和HMI系統(tǒng)之間的通訊連接。如果沒有全集成自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)，每個(gè)變量必須定義兩次，一次用于PLC，一次用于HMI系統(tǒng)。SIMATIC STEP 7與組態(tài)用戶界面中的集成將降低出錯(cuò)率并減少組態(tài)工作量。WinCC flexible通過變量和區(qū)域指針控制HMI和PLC之間的通迅。在WinCC flexible中，變量包括外部變量和內(nèi)部變量。外部變量是HMI設(shè)備和PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的媒介。在WinCC flexible中創(chuàng)建一個(gè)外部變量，必須為其指定與PLC程序中相同的地址，這樣HMI設(shè)備和PLC可以訪問同一映像寄存器，實(shí)現(xiàn)HMI設(shè)備與PLC之間的通信。

通常情況下，為了防止未經(jīng)制授權(quán)的操作，需要通過用戶管理設(shè)置安全系統(tǒng)。在WinCC flexible軟件中，在運(yùn)行系統(tǒng)管理里根據(jù)用戶的需要定義包括操作、監(jiān)視、管理等權(quán)限。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)可對(duì)陸地石油鉆機(jī)的大鉤高度進(jìn)行精確的測量，對(duì)測量大鉤實(shí)際高度與設(shè)定的大鉤保護(hù)的上碰下砸點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，通過PLC輸出控制指令，通過控制司鉆房氣路電磁閥的動(dòng)作控制盤式剎車，確保大鉤不超出設(shè)定范圍。從仿真的效果來看，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的。

［1］郁漢琪等.電氣控制與可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)，南京：華南大學(xué)出版社，2003.

［2］西門子（中國）自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán).深入淺出西門子S7-300PLC.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

［3］劉華波，王雪等.組態(tài)軟件WinCC及其應(yīng)用，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［4］崔堅(jiān)，李佳.西門子工業(yè)網(wǎng)通信指南［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.