淺談西門子1200PLC在礦用壓裂泵組的應(yīng)用

蘇建東，黃海榮，蒲 凱

（重慶水泵廠有限責(zé)任公司，重慶 400033）

壓裂泵組是煤層氣開采技術(shù)中不可替代的技術(shù)要求高、使用工況復(fù)雜、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、研制難度大的一種關(guān)鍵設(shè)備。煤礦井下壓裂泵組則是煤礦井下進(jìn)行水力壓裂強(qiáng)化煤層氣抽采技術(shù)的核心組成設(shè)備。BYW78-400型煤礦井下壓裂壓裂泵組的研制完全依靠國內(nèi)力量自主開發(fā)、自主創(chuàng)新，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，該壓裂泵組的成功研制是所有參與單位共同智慧的結(jié)晶。

1 背景

2012年重慶市經(jīng)信委、市國資委組織市國資高新技術(shù)企業(yè)赴涪陵頁巖氣開采基地考察為公司打開了思路，重慶市能源投資集團(tuán)引入煤礦井下水力壓力技術(shù)為重泵公司發(fā)展壓裂泵組提供了平臺。由于煤礦井下工作環(huán)境的特殊性，使得壓裂泵組的工作環(huán)境處于瓦斯突出區(qū)和高壓區(qū)的“雙危環(huán)境”中，不僅要保證設(shè)備運(yùn)行的安全性、可靠性，更要保障操作施工人員的人身安全，需要設(shè)備具有遠(yuǎn)程操作性能和遠(yuǎn)傳視頻功能。因此，整個泵組的電氣自動化控制系統(tǒng)采用西門子1200PLC來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

2 電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

BYW78-400型壓裂泵組整個電氣控制系統(tǒng)可分為四個部分，第一部分為控制機(jī)構(gòu)、第二部分為執(zhí)行機(jī)構(gòu)、第三部分為監(jiān)控機(jī)構(gòu)、第四部分為視頻機(jī)構(gòu)，主要包括防爆主電機(jī)及防爆軟啟動器、輔助電機(jī)及壓裂泵組防爆PLC控制箱、防爆儀表、防爆計(jì)算機(jī)、光纖、防爆錄像機(jī)、防爆硬盤、防爆光端機(jī)、防爆顯示器等幾個部分組成。電氣系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

壓裂泵組防爆控制箱內(nèi)配置輔助電機(jī)動力系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)，PLC包括S7-1200CPU模塊、I/O模塊、通訊模塊以及就地HMI顯示器。

圖1 電氣系統(tǒng)拓?fù)鋱D

西門子S7-1200系列PLC作為整個電氣控制的控制機(jī)構(gòu)，對整個系統(tǒng)的完整控制可實(shí)現(xiàn)輔助油泵、閥門、主泵進(jìn)行就地、遠(yuǎn)程操作及泵組各項(xiàng)數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳等功能。S7-1200系列PLC一方面實(shí)現(xiàn)輔助電機(jī)的啟動、控制；另一方面實(shí)現(xiàn)整個泵組電機(jī)的電參數(shù)采集、整個泵組的壓力、流量、溫度、速度等物理量采集、泵組配備的液力變速箱的檔位控制、信號傳輸?shù)裙δ?。就地HMI畫面顯示如圖2所示。

圖2 就地HMI畫面顯示圖

軟啟動器作為整個電氣控制系統(tǒng)的傳動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它具有主電機(jī)軟啟功能以及過載，缺相，欠壓等完善的保護(hù)功能。西門子S7-1200PLC通過硬接線輕松完成軟啟動器的啟停等控制。

通過壓裂泵組防爆控制箱內(nèi)配置的CPU模塊實(shí)現(xiàn)控制箱和主電機(jī)防爆啟動器之間的數(shù)據(jù)傳輸功能。通過光纖將壓裂泵組的控制和監(jiān)控參數(shù)傳輸至安全區(qū)域的上位機(jī)HMI，上位HMI使用西門子TIA博圖軟件對其進(jìn)行畫面組態(tài)，操作人員可以在遠(yuǎn)方直觀監(jiān)控整個設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，支持查詢運(yùn)行參數(shù)以及故障記錄。

硬盤錄像系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)操作人員在遠(yuǎn)方就可以清楚地看到泵組的運(yùn)行狀態(tài)以及泵組周邊環(huán)境，與HMI畫面的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了互補(bǔ)。

3 PLC I/O點(diǎn)配置

PLC的主要IO配置如表1所示。

表1 PLC主要IO配置表

4 軟件實(shí)現(xiàn)

S7-1200PLC系統(tǒng)負(fù)責(zé)：潤滑油泵的啟動和停止；電機(jī)的過載、過熱保護(hù)；手動分閘/合閘功能；主泵的壓力信號采集和顯示；流量（瞬時流量和累計(jì)流量）的信號采集和顯示；潤滑油溫的信號采集和顯示；潤滑油壓的信號采集和顯示；轉(zhuǎn)速傳感器的信號采集；電動調(diào)節(jié)閥的開度調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)出口壓力。

另外，PLC還具有完善的保護(hù)功能，如當(dāng)主泵出水壓力高于壓力設(shè)定上限報(bào)警 。潤滑油溫高于設(shè)定上限報(bào)警，高于設(shè)定上上限主泵電機(jī)停機(jī)。

5 結(jié)語

文章討論了BYW78-400型煤礦井下壓裂泵組采用S7-1200系列PLC對整個泵組進(jìn)行監(jiān)控以及數(shù)據(jù)采集，全面完成整個井下壓裂泵組中主電機(jī)、輔助電機(jī)、液力變速箱、潤滑油路系統(tǒng)、壓力管道系統(tǒng)的控制和參數(shù)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制，具有較高的使用安全性、可靠性。