快速配漿系統(tǒng)的電控設計與研究

楊鯤鵬，黃進云

(中石化中原石油工程有限公司 鉆井工程技術研究院，河南 濮陽 457001)

在石油鉆井過程中，由于地層壓力的突然升高，極有可能造成井內(nèi)鉆井液溢流，如果不及時控制溢流，就會發(fā)生嚴重的井噴事故，危及鉆井現(xiàn)場人員及設備安全。因此，往往在鉆井現(xiàn)場儲備大量高密度鉆井液用于壓井，防止溢流。但是鉆井液儲備過多，就會造成巨大的資源浪費。利用快速配漿系統(tǒng)可以快速配制高密度泥漿，從而減少高密度泥漿的儲備量，既能避免資源浪費，節(jié)省鉆井成本，又能達到保障鉆井安全的目的。

電控系統(tǒng)研發(fā)設計是快速配漿系統(tǒng)裝置研發(fā)的關鍵?？焖倥錆{電控系統(tǒng)的研發(fā)設計包括需求分析，由主電路、手動控制電路和PLC自動控制電路組成的系統(tǒng)電路的設計，PLC編程及人機界面(HMI)組態(tài)，硬件選型，控制柜設計，布線和調試等。

1　電控系統(tǒng)需求分析

詳細的需求分析是系統(tǒng)能夠順利構建的必要條件，如果事先不做詳細的需求分析，在系統(tǒng)的構建過程中可能增加新的需求，從而會給系統(tǒng)研發(fā)造成一定的混亂，甚至影響工作的進度。通過詳細現(xiàn)場調研，整理并提出主要現(xiàn)場需求如下：

1) 混漿裝置采用3臺75 kW交流電動機作為動力，其中1臺用于進漿和配漿，自動模式下，先啟動先關停；1臺負責將混合好的鉆井液輸送給泥漿儲備罐，自動模式下，后啟動后關停；剩余1臺作為備用。這3臺電機的功能可以通過管道閥門切換實現(xiàn)互相轉換。在電路設計時，通過互鎖電路來確保同時只能有2臺電機投入工作狀態(tài)。另外，每臺電機配備1塊電流表用于觀察負載電流的變化情況。

2) 電控系統(tǒng)包括手動和自動模式，通過選擇開關進行切換。

3) 手動模式利用按鈕來人工啟停工作電機。

4) 在自動模式下，通過科氏流量計來實時監(jiān)測配漿密度，通過稱重系統(tǒng)實時監(jiān)測現(xiàn)場灰灌剩余藥品量，并根據(jù)在PLC中事先設定的若干參數(shù)，來實現(xiàn)系統(tǒng)的自動運行，包括工作電機的啟停，電動蝶閥的開合，故障判斷與報警等。由于客觀上3臺電機需要互為替代，這就增加了PLC電控系統(tǒng)的設計難度，需要設計出6種工作方式，根據(jù)用戶的不同需求靈活選擇。同時，系統(tǒng)可對用戶的選擇設置自動做出邏輯判斷，避免不必要的設置錯誤。

2　電控系統(tǒng)設計

電控系統(tǒng)主要包括主電路、繼電器控制電路、PLC控制電路、HMI組態(tài)和工作模式切換電路。

2.1　主電路與繼電器控制電路設計與仿真

大功率異步電機需要通過降壓來啟動。降壓啟動有多種方式，綜合考慮，采用比較常用的星三角(Y-△)降壓啟動方式，主電路如圖1a)所示。每臺電機采用3個交流接觸器，考慮到短時耐受電流，用于短時啟動接入的交流接觸器KM2，其額定電流可適當選小一些，以便節(jié)省成本和安裝空間。PA1為電流表，通過與其相匹配的交流互感器來測量線電流的大小，為了減小啟動電流的沖擊，利用交流接觸器KM3的常閉觸點將電流表在啟動時進行短路。根據(jù)三相異步電機的額定電流選擇適當型號的熱繼電器進行過載保護，為了方便檢修和預防短路電流，每臺電機的電源端分別接入1個斷路器，控制電機主電路的通斷。

本文以控制3臺電機中的1臺為例來說明繼電器控制電路的設計方法。繼電器控制電路如圖1b)所示，交流接觸器常閉觸點KM4與KM7并聯(lián)，交流接觸器KM4和KM7分別控制其余2臺電機的電源，構成電機互鎖電路,以確保同時只能有2臺電機投入工作狀態(tài)。如果對應的其余2臺電機進入工作狀態(tài)，常閉觸點KM4和KM7就會同時處于開路狀態(tài)，那么交流接觸器KM1的控制線圈就無法導通，此時該電機就無法啟動。如果其余2臺電機中有1臺出現(xiàn)故障處于停機狀態(tài)，對應的常閉觸點KM4或KM7就會處于常閉狀態(tài)，那么交流接觸器KM1就可以通過啟動按鈕SB2來實現(xiàn)上電導通，從而實現(xiàn)該電機的降壓啟動。常閉觸點KM2和KM3用于交流接觸器KM2和KM3的互鎖，防止其同時閉合導致短路。常開觸點KA1用于手動模式與自動模式切換；在手動模式下，通過選擇開關給繼電器KA1通電，觸點KA1全部閉合。在自動模式下，繼電器KA1斷電，觸點KA1全部斷開，并在Q0.0，Q0.1，Q0.2處接入PLC控制電路，進而實現(xiàn)對交流接觸器KM1，KM2，KM3的通斷控制。

圖1　主電路與繼電器控制電路

利用仿真軟件來輔助設計電路能夠加快系統(tǒng)的構建，達到事半功倍的效果。在該設計中，利用了CADe_SIMU軟件對繼電器控制電路進行了仿真，可以比較直觀地觀察各個繼電器的動作，防止設計錯誤的發(fā)生。

2.2　PLC控制電路設計與HMI組態(tài)

系統(tǒng)的自動模式主要通過PLC來構建，整個系統(tǒng)需要9個驅動交流接觸器線圈以及3個電動蝶閥，綜合考慮所需要的數(shù)字量輸入(DI)、模擬量輸入(AI)和繼電器輸出(DQ)等，選擇了CPU1212C+SM1223模塊作為運算和控制單元，利用KTP精簡面板作為人機交互終端。同時考慮到科氏流量計所需的1.3 A直流電流超出了CPU模塊所能提供的0.3 A最大直流電流，因而增加1個電源模塊 PM1207，用于單獨為傳感器提供直流24 V電源。對于模擬量輸入，采用安全隔離柵將其與外部不安全環(huán)境進行隔離。另外，為應對電壓異常波動對PLC控制電路的影響，增加了電涌保護器。

PLC控制電路設計與HMI組態(tài)過程中的注意事項如下：

1) 電機運行狀態(tài)分析。對電機運行狀態(tài)進行分析，實際上也是對被控對象進行數(shù)學建模。從單臺電機來看，每臺電機所處的運行狀態(tài)有三種： 啟動、工作和停機。對單臺電機的控制可通過控制PLC繼電器的輸出來實現(xiàn)。當2臺電機共同工作時，由于它們的啟動順序不同，在啟動和關停時，又有一定的時間間隔要求，即不是同時啟動和關停。如圖2所示，把系統(tǒng)所處的運行狀態(tài)分為4種： 啟動、工作、關停和停機，這么做的目的主要是為了明確工作流程，簡化設計，方便PLC程序進行自動處理。在圖2中，t1，t2為電機的降壓啟動時間，ts為2臺電機的啟動間隔時間，tc為2臺電機關停間隔時間。這4種工作狀態(tài)按順序循環(huán)工作，并根據(jù)自定義的規(guī)則，通過PLC系統(tǒng)自動監(jiān)測和記錄系統(tǒng)所處的工作狀態(tài)。在啟動狀態(tài)，約定不允許再次啟動，也不允許軟關停，但可通過急停按鈕關停；在工作和關停狀態(tài)，也不允許啟動。

2) 模塊化編程。系統(tǒng)的PLC程序設計主要采用模塊化編程。利用模塊化編程，可以將1個復雜的任務分解為若干個不同的功能模塊來逐一實現(xiàn)，程序的可讀性強，便于調試。

3) 多種編程語言混合使用，可簡化設計。PLC編程使用博途軟件平臺，支持梯形圖(LAD)、功能塊圖(FBD)和結構化文本(SCL)編程語言。對于PLC編程來講，通常主要使用LAD編程語言，但如果能夠靈活使用FBD和SCL語言，將會簡化程序設計，增強程序的可讀性。FBD編程語言類似于數(shù)字邏輯門電路，適用于進行邏輯判斷。SCL編程語言語法規(guī)范類似PASCAL語言，適用于數(shù)學計算、程序流程控制和參數(shù)賦值。針對程序模塊不同的功能，可以靈活地選用合適的編程語言。

翻譯過程中，如果在源語的認知模式中，源認知域與目的認知域的映射關系不能被目的語認知經(jīng)驗所理解和接受，那么只得依據(jù)其目的認知域，改變譯出語源認知域中的價元，以符合譯入語的認知經(jīng)驗 (王子穎，2015)。也就是說仍使用源認知域進行表達，采用異化譯法，保留源語言中已有的認知概念或表達方式，通過改變目的認知域的價元來匹配源認知域中的隱喻部分，即變價映射。

圖2　電機運行狀態(tài)分析示意

4) 長期斷電后導致參數(shù)保持性失效的處理。程序的啟動運行離不開一些初始參數(shù)，而在程序的運行過程中，還會對這些參數(shù)進行更改。雖然PLC內(nèi)部帶有大容量的電容來維持參數(shù)的保持性，但如果長期斷電，參數(shù)的保持性也會喪失，也就是之前保留的數(shù)據(jù)會被清零。當系統(tǒng)的初始化參數(shù)都會被清零時，將給系統(tǒng)造成不可預知的影響。針對這種情況，預先設置1個默認參數(shù)表(程序循環(huán)OB)和一個保持性標志位，也可是一個非零變量，在程序啟動OB時，檢測保持性標志位值，如果判斷為保持性喪失，就自動加載默認參數(shù)。這樣做雖然不能恢復之前的設置值，但可以在喪失保持性時，自動恢復系統(tǒng)的默認參數(shù)值，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

5) HMI組態(tài)。用于人機交互終端的精簡面板具有1個集成的Profinet網(wǎng)絡接口，通過該接口與PLC CPU模塊進行通信，并傳輸參數(shù)設置數(shù)據(jù)和組態(tài)數(shù)據(jù)。該設計中，使用博途軟件平臺內(nèi)置的WinCC Basic對HMI精簡面板進行了組態(tài)。組態(tài)畫面主要包括主界面、控制界面、參數(shù)設置界面、數(shù)據(jù)顯示界面和報警界面等。

2.3　工作模式切換電路設計

整個電控系統(tǒng)既有手動控制模式，又有自動控制模式，這就需要在2種工作模式之間實現(xiàn)控制電路的切換。切換電路的設計相對簡單，主要通過1個選擇開關來控制若干個切換繼電器來實現(xiàn)。在繼電器控制電路中串聯(lián)切換繼電器的觸點開關，例如在圖1b)中的常開觸點KA1，用于實現(xiàn)工作模式的切換。由于在手動工作模式下，仍然需要PLC來采集并顯示一些數(shù)據(jù)，如密度和灰灌藥品質量等，因而仍然需要給PLC系統(tǒng)上電，但此時又需要自動控制模式失效。為解決該問題，需要通過切換繼電器來給PLC系統(tǒng)提供1個工作模式信號，PLC系統(tǒng)通過該信號來判斷是否啟動自動控制模式。

3　結束語

隨著現(xiàn)場自動化水平需求的不斷提高，PLC控制技術的應用也越來越廣泛。PLC控制器體積小，功能強大，可以根據(jù)需求靈活配置。在具體設計過程中，除了考慮具體電氣指標的要求，還要結合各種因素，如實際最高環(huán)境溫度、防爆、抗干擾等，靈活地設計電路并保留一定的安全冗余度。

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