改進(jìn)型石油鉆機(jī)電-氣控制系統(tǒng)

陳 健

(中石化石油工程機(jī)械有限公司第四機(jī)械廠，湖北 荊州 434024)

改進(jìn)型石油鉆機(jī)電-氣控制系統(tǒng)

陳 健

(中石化石油工程機(jī)械有限公司第四機(jī)械廠，湖北 荊州 434024)

介紹中石化石油工程機(jī)械有限公司第四機(jī)械廠設(shè)計(jì)的石油鉆機(jī)電-氣控制系統(tǒng)，給出了PLC和總線型閥島的選型，介紹雙PLC冷備冗余控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的構(gòu)成，以及控制系統(tǒng)組態(tài)、安全聯(lián)鎖、PLC軟件和監(jiān)控軟件流程的設(shè)計(jì)。

電-氣控制系統(tǒng) 石油鉆機(jī) 冗余控制 軟件組態(tài)

石油工業(yè)是燃料工業(yè)之一，包括勘探、開采到加工石油一系列過程。為國民經(jīng)濟(jì)提供各種燃料油，包括天然石油和油頁巖的勘探、開采、煉制、儲(chǔ)運(yùn)等。相關(guān)技術(shù)人員對(duì)于石油工業(yè)的各方面進(jìn)行了各類深入研究。殷國華和侯作富通過SilidWorks中的Simulation軟件對(duì)鉆井分流器殼體進(jìn)行分析，在額定工作壓力和靜水壓試驗(yàn)壓力下分別分析殼體受壓應(yīng)力區(qū)，驗(yàn)證殼體的設(shè)計(jì)的合理性，進(jìn)而對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化[1]。石油鉆機(jī)井架作為典型的大型鋼結(jié)構(gòu)長期處于野外環(huán)境，經(jīng)受風(fēng)雨和冰凍侵蝕，搬運(yùn)過程中的磕碰和擠壓變形，長期積累造成井架主體結(jié)構(gòu)損傷，嚴(yán)重影響到石油鉆井的安全生產(chǎn)。實(shí)際上井架的實(shí)驗(yàn)研究受到現(xiàn)場施工環(huán)境和高成本制約。婁燕敏等按照相似理論確定相似比系數(shù)，完成石油井架相似模型設(shè)計(jì)，通過模擬鉆井工況，進(jìn)行相似模型的承載力實(shí)驗(yàn)，獲得結(jié)論推演真實(shí)結(jié)構(gòu)的承載力分布規(guī)律，通過K型井架模型設(shè)計(jì)驗(yàn)證誤差在10%之內(nèi)，該研究方法將為在役井架承載力評(píng)價(jià)，特別是未來沙漠鉆機(jī)和深海鉆機(jī)井架的承載力研究提供理論依據(jù)[2]。

石油鉆機(jī)電-氣控制系統(tǒng)是鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)鉆機(jī)的控制中樞，也是復(fù)合驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)和直流鉆機(jī)控制系統(tǒng)不可或缺的部分。在直流驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)中，電-氣控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)絞車和轉(zhuǎn)盤檔位、剎車系統(tǒng)及安全聯(lián)鎖等的控制；在鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)鉆機(jī)和復(fù)合驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)中，還增加了柴油機(jī)的離合和調(diào)速控制功能。

隨著電氣自動(dòng)化和氣動(dòng)傳動(dòng)技術(shù)的高速發(fā)展和有效結(jié)合，石油鉆機(jī)的電-氣控制系統(tǒng)經(jīng)歷了控制部分為氣動(dòng)開關(guān)、電控開關(guān)的發(fā)展階段。目前發(fā)展到采用雙PLC冷備冗余控制取代單PLC+旁路控制的模式，利用總線型閥島取代傳統(tǒng)電控閥島，用總線通信取代多芯電纜傳遞控制信號(hào)[3]。現(xiàn)就該方案在改進(jìn)型石油鉆機(jī)電-氣控制系統(tǒng)中的具體設(shè)計(jì)方案加以說明。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)①

改進(jìn)型石油鉆機(jī)電-氣控制系統(tǒng)(圖1)，設(shè)計(jì)了雙PLC冷備冗余控制[4]，當(dāng)在線PLC發(fā)生故障時(shí)，通過司鉆面板上的PLC切換開關(guān)切至離線PLC，讓離線PLC代替原在線PLC成為在線PLC繼續(xù)工作，提高了系統(tǒng)的可靠性；同時(shí)將所有的閥島箱采用總線型閥島，每一個(gè)閥島箱作為PLC的一個(gè)遠(yuǎn)程從站，通過Profibus-DP總線通信[5]。

2 主要硬件選型

根據(jù)石油鉆機(jī)電-氣控制系統(tǒng)的輸入輸出控制量的點(diǎn)數(shù)和系統(tǒng)大小，其控制核心選用S7-300 PLC CPU314C-2DP，此PLC設(shè)有24個(gè)數(shù)字量輸入、16個(gè)數(shù)字量輸出、4個(gè)模擬量輸入和兩個(gè)模擬量輸出。完全可以滿足系統(tǒng)的輸入輸出需求，同時(shí)也兼顧了各種控制點(diǎn)的余量。

石油鉆機(jī)電-氣控制系統(tǒng)系統(tǒng)中包含的3個(gè)閥島箱的選型如下：

a. 轉(zhuǎn)盤閥島箱，Profibus-DP通信模塊CPX-FB13、4位數(shù)字量輸入模塊CPX-4DE、32位數(shù)字量輸出模塊ISO Plug-In DIL4[32DO]；

b. 絞車閥島箱，Profibus-DP通信模塊CPX-FB13、4位數(shù)字量輸入模塊CPX-4DE、32位數(shù)字量輸出模塊ISO Plug-In DIL4[32DO]；

圖1 改進(jìn)型石油鉆機(jī)電-氣控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

c. 并車閥島箱，Profibus-DP通信模塊CPX-FB13、2通道模擬量輸出模塊CPX-2AA-U/I、32位數(shù)字量輸出模塊ISO Plug-In DIL4[32DO]。

德國FESTO公司的CPX-FB13型基于現(xiàn)場總線技術(shù)的總線型閥島，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、性能優(yōu)，同一片電磁閥集成兩個(gè)通道[6]，所有閥都采用先導(dǎo)式控制，在調(diào)試時(shí)也能進(jìn)行手動(dòng)控制，所有功能都可以互相組合。每一個(gè)總線型閥島就相當(dāng)于PLC系統(tǒng)的遠(yuǎn)程I/O。CPX-FB13型閥島提供了各種數(shù)字量和模擬量輸入輸出模塊，可以任意組合搭配。另外，這種總線型閥島可以通過總線與PLC進(jìn)行總線通信。

3 軟件部分

3.1控制系統(tǒng)組態(tài)

石油鉆機(jī)電-氣控制系統(tǒng)組態(tài)的關(guān)鍵是總線型閥島CPX-FB13的組態(tài)[7]，組態(tài)界面如圖2所示。具體步驟如下：

a. 在Step7中安裝CPX-FB13對(duì)應(yīng)的電子設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件(GSD文件)；

b. 在Step7中創(chuàng)建好主站并生成Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)后，點(diǎn)擊CATALOG->Profibus->Additional field Devices->Valves->Festo CPX-Terminal，將之拖拽到已建立好的DP網(wǎng)絡(luò)；

c. 設(shè)置好每一個(gè)總線閥島箱的DP從站地址，這個(gè)地址與硬件上的DIL開關(guān)所對(duì)應(yīng)的地址必須相同；

d. 在屏幕下方的區(qū)域內(nèi)添加每一個(gè)閥島箱內(nèi)所選擇安裝的模塊，包括通信模塊CPX-FB13、DP-Slave和各種輸入輸出模塊，然后保存并編譯。

圖2 石油鉆機(jī)電-氣控制系統(tǒng)組態(tài)界面

3.2安全聯(lián)鎖

安全是石油鉆機(jī)鉆井作業(yè)的重中之重。石油鉆機(jī)電-氣控制的軟件部分設(shè)計(jì)了安全聯(lián)鎖功能，收集過卷防碰報(bào)警、高低速互鎖報(bào)警、井架防碰報(bào)警及電磁渦流剎車報(bào)警等聯(lián)鎖邏輯。當(dāng)有報(bào)警信息時(shí)，司鉆房蜂鳴報(bào)警，同時(shí)剎盤動(dòng)作；程序中設(shè)置一種操作的兩種狀態(tài)互鎖——應(yīng)急電機(jī)離合器、鎖檔控制、轉(zhuǎn)盤慣剎和離合、換檔控制、滾筒離合、氣動(dòng)旋扣器和氣動(dòng)卡瓦，在程序上避免兩種狀態(tài)同時(shí)產(chǎn)生；總離合掛合的同時(shí)啟動(dòng)絞車潤滑油泵電機(jī)，確保絞車傳動(dòng)部分的潤滑；轉(zhuǎn)盤離合掛合的同時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)盤潤滑電機(jī)，確保轉(zhuǎn)盤傳動(dòng)部分的潤滑；泥漿泵掛合的同時(shí)啟動(dòng)相應(yīng)的噴淋泵和灌注泵，以滿足泥漿循環(huán)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3.3PLC軟件和監(jiān)控軟件

石油鉆機(jī)電-氣控制系統(tǒng)包括鉆機(jī)控制的邏輯程序設(shè)計(jì)，現(xiàn)場各種數(shù)據(jù)的采集與計(jì)算，設(shè)備狀態(tài)的顯示，以及各種安全聯(lián)鎖程序的設(shè)計(jì)等。

鑒于系統(tǒng)的功能劃分，將監(jiān)控頁面劃分為換檔操作、油門操作、車泵操作、輔助操作和變量監(jiān)視頁面。主要的操作與顯示界面如圖3所示。

圖3 操作與顯示界面

變量監(jiān)視界面(圖4)可以方便地指導(dǎo)現(xiàn)場調(diào)試，發(fā)現(xiàn)故障、判斷并解除故障。界面上的操作與

圖4 變量監(jiān)視界面

司鉆房操作面板基本相同，界面上和圖片是隨動(dòng)的，不管是面板操作還是觸摸屏操作，均可以顯示當(dāng)前狀態(tài)，方便操作者監(jiān)視各部分的實(shí)際狀態(tài)。

4 結(jié)束語

改進(jìn)型石油鉆機(jī)電-氣控制系統(tǒng)采用雙PLC冷備冗余技術(shù)和總線閥島技術(shù)，極大地減少了故障點(diǎn)，同時(shí)減少了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在中石化石油工程機(jī)械有限公司第四機(jī)械廠生產(chǎn)的ZJ20LDB、ZJ20L、ZJ30L、ZJ40LDB、ZJ40D、ZJ50L、ZJ50LDB、ZJ50D和ZJ70D型石油鉆機(jī)上成功應(yīng)用，改進(jìn)效果良好，受到了用戶的好評(píng)。

[1] 殷國華，侯作富.鉆井分流器殼體的有限元分析[J].化工機(jī)械,2013,40(3):376～378.

[2] 婁燕敏，趙琪月，王玥，等.在役石油鉆機(jī)井架相似模型設(shè)計(jì)[J].化工機(jī)械,2013,40(5):608～611.

[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].石油礦場機(jī)械,2008,37(5):53～56.

[4] 郭肖永.控制系統(tǒng)的冗余選擇[J].化工自動(dòng)化及儀表,1999,26(1):40～45.

[5] 盧晨,陳新龍,劉洪亮,等.一種可編程邏輯控制鉆機(jī)液氣路的裝置[P].中國:ZL 201320405284.3,2014-05-14.

[6] 陳劍波.閥島及其控制技術(shù)[J].科技信息,2009,(19):83～84.

[7] 吉順平.西門子現(xiàn)場總線通信原理與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

2015-06-30(修改稿)

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1000-3932(2016)04-0446-03