電動(dòng)修井機(jī)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)研究

寇斯奇

【摘 要】改革開(kāi)放至今，我國(guó)經(jīng)濟(jì)得到了顯著提高，各行各業(yè)都得到了顯著提升，都要以能源作為自身行業(yè)發(fā)展的保障。石油對(duì)國(guó)家來(lái)說(shuō)非常重要，是發(fā)展的動(dòng)力來(lái)源，掌握了石油，就等于掌握了一個(gè)國(guó)家的命脈。2006年，《十一五規(guī)劃綱要》提出節(jié)能減排，并逐步成為基本國(guó)策。修井機(jī)作為開(kāi)采油田的必備且重要的機(jī)械設(shè)備自然也要滿足國(guó)家需要，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。本文對(duì)電動(dòng)修井機(jī)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。

【關(guān)鍵詞】自動(dòng)化控制系統(tǒng)；電動(dòng)修井機(jī)；通信；PLC

修井機(jī)在開(kāi)采石油中扮演著重要角色，能夠在快速開(kāi)采石油的同時(shí)，確保開(kāi)采的安全性，是石油開(kāi)采行業(yè)中不可忽缺的設(shè)備之一。修井機(jī)的作用是維修抽油泵、下放油管等，此外對(duì)于采油過(guò)程中出現(xiàn)的故障進(jìn)行排查與處理，將沉落在油井底的物品打撈上來(lái)，對(duì)井口設(shè)備進(jìn)行安裝等。我國(guó)修井作業(yè)過(guò)程中，使用的修井機(jī)通常都柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，雖然柴油發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率高、故障較少、保養(yǎng)容易、工作可靠等，但其工作效率低、轉(zhuǎn)速低，制造修井機(jī)的費(fèi)用較高，出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)很難處理，工作時(shí)會(huì)發(fā)出巨大的噪音，并且啟動(dòng)時(shí)也比較困難等。如果發(fā)動(dòng)機(jī)的工作時(shí)間超過(guò)允許工作時(shí)間的最大范圍，發(fā)動(dòng)機(jī)表面就極易出現(xiàn)裂痕

使得發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)漏油的現(xiàn)象。上訴原因不僅阻礙了修井機(jī)的工作效率，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的污染。在“節(jié)能減排”的大環(huán)境下，要對(duì)現(xiàn)有修井機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，電動(dòng)修井機(jī)與自動(dòng)化控制系統(tǒng)的結(jié)合也然成為一種趨勢(shì)。

一、修井機(jī)目前的現(xiàn)狀及問(wèn)題

（一）柴油機(jī)的使用效率低。柴油機(jī)通過(guò)燃燒，將熱能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，但在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，大量熱能會(huì)被消耗，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換率不高。

（二）柴油機(jī)的功率使用率較低。在具體工作中，對(duì)油管進(jìn)行提升與下放，都要對(duì)油管進(jìn)行裝卸，需要大量時(shí)間。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地勘察得知，對(duì)油管進(jìn)行提升與下放所需要的時(shí)間為裝卸油管所需時(shí)間的二分之一。這就表示，柴油機(jī)有最少一半的時(shí)間處于空載狀態(tài)，這也是為什么柴油機(jī)的功率使用率較低的主要因素。

（三）柴油機(jī)會(huì)對(duì)自然環(huán)境造成一定的污染。工作時(shí)修井機(jī)會(huì)排放有毒氣體，如二氧化碳、一氧化碳等，會(huì)對(duì)環(huán)境造成十分嚴(yán)重的破壞，工作人員吸入大量有害氣體會(huì)造成頭腦眩暈，會(huì)給工作帶來(lái)極其嚴(yán)重的不安全性；修井機(jī)在工作時(shí)所發(fā)出的噪音比一般工程施工發(fā)出的噪音還要大。

二、電動(dòng)修井機(jī)主電路設(shè)計(jì)

對(duì)于主電路來(lái)說(shuō)，要按照一定的工藝要求對(duì)主電動(dòng)機(jī)、液壓鉗油泵電機(jī)以及剎車油泵電機(jī)進(jìn)行操作，進(jìn)而控制這些設(shè)備的啟停。所使用的變頻器為VACON公司的NXS系列變頻器；主電機(jī)使用的是三相異步電動(dòng)機(jī)，這里對(duì)電動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)有一些要求，額定電壓380V、額定轉(zhuǎn)速500r/min、額定頻率50HZ、額定電流240A。軟啟動(dòng)器裝置則使用的是ABB公司的PTST834，啟動(dòng)功率30kW，PLC能夠控制散熱風(fēng)機(jī)M1、安全鉗泵M4等都按照既定順序啟動(dòng)、停止。QM為斷路器，能夠保護(hù)過(guò)載電流；FR為熱繼電器，當(dāng)電動(dòng)機(jī)溫度超高時(shí)，對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。

三、電動(dòng)修井機(jī)控制系統(tǒng)的組成與功能

（一）電動(dòng)修井機(jī)控制系統(tǒng)功能

電動(dòng)修井機(jī)控制系統(tǒng)包括：剎車油泵驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、輔助電動(dòng)機(jī)、變空氣壓縮機(jī)、變頻器控制電路。還包括其他輔助系統(tǒng)，如空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等。其功能包括：第一，對(duì)油管進(jìn)行提升與下降，提升電動(dòng)修井機(jī)?？刂齐妱?dòng)和變頻器的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。第二，一般來(lái)說(shuō)，用液壓鉗油泵進(jìn)行油管裝卸工作，接觸器能夠?qū)ι鲜鲅b置進(jìn)行自動(dòng)控制，控制其開(kāi)啟與停止。第三，對(duì)液壓閥進(jìn)行控制。第四，能夠顯示系統(tǒng)溫度、電壓、電流等參數(shù)。如果出現(xiàn)異常，如電流過(guò)大、電機(jī)超載、溫度持續(xù)增加等問(wèn)題，能夠?qū)Υ祟惉F(xiàn)象進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，遇到問(wèn)題時(shí)也會(huì)及時(shí)發(fā)出警報(bào)。第五，能夠?qū)ο到y(tǒng)中的輔助系統(tǒng)，如照明、空調(diào)系統(tǒng)等進(jìn)行控制。

（二）控制系統(tǒng)組成部分

根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)要求與工藝?yán)砟?，?duì)PLC系統(tǒng)進(jìn)行輸入變量、輸出變量參數(shù)選擇。系統(tǒng)的流量、溫度、電流、電壓等參數(shù)能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行控制，這些參數(shù)作為模擬量；將電動(dòng)機(jī)啟停、啟動(dòng)以及停止變頻器、對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)程正反轉(zhuǎn)控制等，都視作系統(tǒng)的數(shù)字控制量。除此之外，系統(tǒng)中的變頻器故障復(fù)位、等都作為控制系統(tǒng)的數(shù)字量輸出。

系統(tǒng)所使用的PLC為SIMATIC S7-300，CPU選擇的是SIMATIC 315-2PN/DP，存儲(chǔ)器的內(nèi)存則是256KB，轉(zhuǎn)載存儲(chǔ)器的內(nèi)存為8MB。數(shù)字量輸入模塊所有使用的則是SM321，具備16點(diǎn)位，輸出模塊使用的則是SM322。

四、電動(dòng)修井機(jī)的程序設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)程序主要包括兩部分，分別是PLC控制程序和人機(jī)監(jiān)控程序和。在自動(dòng)化系統(tǒng)中，系統(tǒng)的人機(jī)界面的觸摸屏為MP277，開(kāi)發(fā)平臺(tái)是4 Basic，PLC的組態(tài)軟件為SGHTDTIC HYS7 V8。用PLC進(jìn)行組態(tài)，人機(jī)界面組態(tài)軟件為WINdows Flexible。此外，還要對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)、顯示畫面等進(jìn)行組態(tài)。

（一）對(duì)PLC控制程序進(jìn)行設(shè)計(jì)

PLC控制程序主要包括修井機(jī)工作主程序、系統(tǒng)頻率輸出子程序等。修井機(jī)工作主程序的功能有很多，主要包括能夠控制變頻器的啟動(dòng)和停止、控制液壓系統(tǒng)泵的啟動(dòng)和停止等；模擬量輸入處理子程序主的功能包括對(duì)流量等進(jìn)行控制，對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換與標(biāo)定；系統(tǒng)頻率輸出子程序則能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)頻率轉(zhuǎn)換以及對(duì)統(tǒng)輸出頻率進(jìn)行限制。

（二）對(duì)人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)

人機(jī)界面能夠操控設(shè)備的運(yùn)行情況，并對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控；能夠根據(jù)需要對(duì)界面進(jìn)行轉(zhuǎn)換，根據(jù)具體情況進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控主要有報(bào)警顯示、查看狀態(tài)主界面等等。顯示界面除了能夠顯示信息以外，還能顯示報(bào)警、顯示故障情況等，操作人員可以根據(jù)實(shí)際需要，實(shí)現(xiàn)各個(gè)界面的任意轉(zhuǎn)換、一旦出現(xiàn)異常情況。系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出報(bào)警顯示，與報(bào)警裝置對(duì)應(yīng)的報(bào)警燈就會(huì)閃爍，此外，與系統(tǒng)相連接的聲音裝置就會(huì)發(fā)出嗡鳴聲。對(duì)系統(tǒng)操作時(shí)，只需要觸屏就能實(shí)現(xiàn)。

五、系統(tǒng)調(diào)試

將通過(guò)STEP 7繪制的梯形圖進(jìn)行下載，拷貝到PLC中，將WINCC Flexible下載到人機(jī)交互界面中，在系統(tǒng)具體調(diào)試中，根據(jù)一定的順序通電，如果打亂順序會(huì)造成設(shè)備出現(xiàn)故障。此外，還要打開(kāi)PLC監(jiān)視系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)PLC系統(tǒng)、人機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)等共同作用，對(duì)輸出量和輸入量等參數(shù)進(jìn)行檢查。接入電壓為24、電流為200mA的電源，對(duì)系統(tǒng)的模擬量進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)設(shè)備實(shí)際動(dòng)作情況、工藝需要和報(bào)警情況，對(duì)程序進(jìn)行編寫，并根據(jù)實(shí)際需要對(duì)程序進(jìn)行改進(jìn)。

六、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文對(duì)電動(dòng)修井機(jī)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。對(duì)電動(dòng)修井機(jī)控制系統(tǒng)的組成與功能、電動(dòng)修井機(jī)主電路設(shè)計(jì)、修井機(jī)目前的現(xiàn)狀及問(wèn)題、系統(tǒng)調(diào)試、電動(dòng)修井機(jī)的程序設(shè)計(jì)進(jìn)行探究，對(duì)原有修井機(jī)工作效率進(jìn)行優(yōu)化，能夠提升能源使用率，降低其對(duì)自然環(huán)境的污染將自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)用到電動(dòng)修井機(jī)中，安全可靠，能夠最大限度提升其工作效率。

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