基于PLC的修井機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

李帥帥，狄樂蒙，燕居懷

（威海海洋職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，山東 威海264300）

0 引言

石油修井機(jī)是由一臺(tái)或者兩臺(tái)動(dòng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)絞車和轉(zhuǎn)盤，絞車用動(dòng)力機(jī)、絞車、井架（含天車、游車大鉤、大繩等）均安裝在汽車載重底盤、專用底盤或牽引式底盤上的石油修井裝置。

隨著近年油田開發(fā)的不斷深入，油氣開發(fā)難度不斷加大，使用戶對(duì)修井機(jī)的安全性、穩(wěn)定性、舒適性和經(jīng)濟(jì)性越來越看重，這對(duì)傳統(tǒng)的繼電器控制型修井機(jī)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。通過研究目前的電控系統(tǒng)的特點(diǎn)和客戶需求，本文提出了一種基于PLC的修井機(jī)電氣控制系統(tǒng)，相比目前的繼電器控制系統(tǒng)，可大幅減少系統(tǒng)故障點(diǎn)，增加MCC（Motor Control Center）軟啟動(dòng)的冗余功能，提高工作效率與可靠性，并可根據(jù)客戶需求，集成電子防碰、一體化鉆井儀表等功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)和報(bào)警記錄，進(jìn)一步增強(qiáng)修井機(jī)的安全和實(shí)用性。

1 傳統(tǒng)柴驅(qū)修井機(jī)電控系統(tǒng)分析

1.1 硬件組成

柴油機(jī)因其油耗低、經(jīng)濟(jì)性好、故障少而在鉆井行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)階段大部分修井機(jī)產(chǎn)品基本采用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)。柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的修井機(jī)（簡(jiǎn)稱“柴驅(qū)修井機(jī)”）的電控系統(tǒng)主要包括發(fā)電機(jī)并車系統(tǒng)和MCC控制系統(tǒng)兩部分。

（1）發(fā)電機(jī)并車系統(tǒng)，采用兩臺(tái)高性能的數(shù)字并車模塊，采集發(fā)電機(jī)電壓、轉(zhuǎn)速等信號(hào)，并分別控制兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的電壓和轉(zhuǎn)速，模塊之間通過專用電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，最終實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)同步和負(fù)載分配功能。

（2）MCC控制系統(tǒng)是由多個(gè)斷路器、中間繼電器和接觸器等元器件組成，采用硬線方式來實(shí)現(xiàn)控制功能，完成對(duì)井場(chǎng)電機(jī)、井場(chǎng)照明等用電設(shè)備的控制。電機(jī)啟動(dòng)方式包括直接啟動(dòng)與軟啟動(dòng)。軟啟動(dòng)器在使用中不僅可以實(shí)現(xiàn)平滑啟動(dòng)，有效降低電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流，最大程度避免啟動(dòng)電流對(duì)機(jī)械以及電網(wǎng)的沖擊，還能有效延長(zhǎng)系統(tǒng)的平均使用壽命，降低系統(tǒng)造價(jià)，并提高其運(yùn)行的可靠性[1]。通常MCC房?jī)?nèi)設(shè)置兩面MCC柜，每面柜子軟啟動(dòng)采用一拖四方式。典型的電控系統(tǒng)單線圖如圖1所示。

圖1 典型修井機(jī)電控系統(tǒng)單線圖

1.2 傳統(tǒng)電控系統(tǒng)功能及特點(diǎn)

整個(gè)電控系統(tǒng)能夠完成發(fā)電機(jī)并車、MCC控制和電源分配等功能，能夠滿足正常鉆修井的基本需要。但仍存在以下局限：

（1）采用了大量的中間繼電器和時(shí)間繼電器，占用柜體空間大，機(jī)械觸點(diǎn)數(shù)量多，故障隱患點(diǎn)多。

（2）兩面MCC柜的軟啟動(dòng)器分開運(yùn)作，如若其中一臺(tái)軟起動(dòng)出現(xiàn)故障，這一面柜子的4個(gè)電機(jī)都不能實(shí)現(xiàn)軟啟功能，除非人工替換成另一臺(tái)軟啟動(dòng)器。

（3）只實(shí)現(xiàn)了最基本的供配電和MCC控制，較難拓展其他功能，如鉤載監(jiān)測(cè)、電子游車防碰和一體化鉆井儀表系統(tǒng)等。

鑒于傳統(tǒng)的繼電器控制電路的諸多局限性，需要探索一種新的控制方式。

2 基于PLC的電控系統(tǒng)研究

2.1 硬件組成及優(yōu)化

新的電控系統(tǒng)采用西門子全新一代智能邏輯控制器S7-1200作為主控制器。西門子S7-1200是西門子最新推出的基本型邏輯控制器，充分考慮了系統(tǒng)、控制器、人機(jī)界面和軟件的無縫整合和高效協(xié)調(diào)的需求。集成以太網(wǎng)接口、強(qiáng)大的集成工藝功能和靈活的可擴(kuò)展性等特點(diǎn)，為各種工藝任務(wù)提供了簡(jiǎn)單的通信和有效地解決方案，滿足中小型自動(dòng)化的系統(tǒng)需求[2]。使得控制系統(tǒng)更加完善，故障診斷更充分，可靠性更高，為實(shí)現(xiàn)修井操作數(shù)字化、智能化創(chuàng)造了條件[3]。整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 全新修井機(jī)電控系統(tǒng)拓?fù)鋱D

采用PLC控制后，MCC系統(tǒng)減少了中間繼電器，取消了時(shí)間繼電器，控制系統(tǒng)占用柜體空間大大減小，可減少一面柜體。新系統(tǒng)在不增加擴(kuò)展功能的時(shí)候，就可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有電控系統(tǒng)的所有功能，并且成本略低于現(xiàn)有的電控系統(tǒng)。

2.2 基本功能升級(jí)

（1）新的MCC系統(tǒng)軟啟控制采用二拖八的形式，如圖3所示，即八臺(tái)電機(jī)分別啟動(dòng)的時(shí)候，兩臺(tái)軟啟動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)輪詢工作，一定程度上防止單臺(tái)軟啟連續(xù)啟動(dòng)出現(xiàn)過載過熱故障出現(xiàn)，進(jìn)而影響使用壽命。并且能夠?qū)崿F(xiàn)如果一臺(tái)軟啟動(dòng)器意外故障，系統(tǒng)自動(dòng)切換到另一臺(tái)軟啟動(dòng)器，不影響現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)的正常啟動(dòng)。同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警，提示維修人員盡快檢修。

圖3 新系統(tǒng)MCC軟啟部分單線圖

（2）采用了PLC控制后，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的記錄，方便維護(hù)人員進(jìn)行統(tǒng)計(jì)診斷。例如，軟啟動(dòng)的使用次數(shù)，電機(jī)的啟動(dòng)次數(shù)和運(yùn)行時(shí)間等。

2.3 擴(kuò)展功能

采用PLC作為控制中心便于擴(kuò)展和集成多種功能。如鉤載超限保護(hù)，增加的硬件成本很低，可一定程度上避免事故的發(fā)生；如電子游車防碰，相比PLC系統(tǒng)集成，外購其他廠家的產(chǎn)品存在價(jià)格高、功能受限、國(guó)際防爆要求難以滿足及接口預(yù)留難度大等問題。雖然這些功能有時(shí)候并非客戶強(qiáng)制要求，但作為一個(gè)技術(shù)亮點(diǎn)，受到客戶的青睞。圖4為擴(kuò)張功能的控制系統(tǒng)連接圖。

圖4 擴(kuò)展功能布線圖

擴(kuò)展的功能有：

（1）信號(hào)采集處理、報(bào)警及連鎖保護(hù)：采集發(fā)電機(jī)參數(shù)、鉤載、機(jī)泵組油溫和油壓等若干參數(shù)，通過PLC處理，實(shí)現(xiàn)報(bào)警的顯示和記錄，實(shí)現(xiàn)鉤載超限保護(hù)、機(jī)泵組與潤(rùn)滑系統(tǒng)順序聯(lián)鎖等各種聯(lián)鎖保護(hù)控制。

（2）集成電子游車防碰功能：通過編碼器采集絞車滾筒轉(zhuǎn)速信號(hào)，控制絞車剎車及離合器，完成游車高度、游車速度的顯示，實(shí)現(xiàn)防碰預(yù)警和超限自動(dòng)剎車功能。

（3）集成一體化鉆井儀表功能：通過各類現(xiàn)場(chǎng)傳感器采集鉤載、泵壓等信號(hào)，經(jīng)過PLC分析處理后，可實(shí)現(xiàn)各類鉆井參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示、超限報(bào)警和記錄分析功能。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)一定程度上決定了控制系統(tǒng)的智能化程度和先進(jìn)性。在前面硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用西門子開發(fā)的高集成度工程組態(tài)軟件TIA Portal為開發(fā)平臺(tái)，進(jìn)行修井機(jī)電控系統(tǒng)的程序組態(tài)設(shè)計(jì)。圖5為控制軟件編程界面。SIMATIC S7-1200和HMI面板采用以太網(wǎng)通信端口互聯(lián)，而且還可實(shí)現(xiàn)與并車模塊之間以太網(wǎng)通信。無線路由器的添加，可實(shí)現(xiàn)在營(yíng)房對(duì)井場(chǎng)情況的檢測(cè)。

圖5 SIMATICS7-1200編程界面

通過分析電控系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，選擇系統(tǒng)控制參數(shù)和輸入輸出變量，編寫PLC程序。電控系統(tǒng)PLC程序中包含的主要組織塊和功能塊為：

（1）OB1：主程序塊，實(shí)現(xiàn)各功能塊的循環(huán)調(diào)用；

（2）FC1：MCC控制子程序，實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)控制；

（3）FC2：模擬量處理子程序，實(shí)現(xiàn)傳感器、鉤載等模擬量輸入的轉(zhuǎn)換；

（4）FC3：電子防碰子程序，完成游車高度標(biāo)定、游車高度和速度計(jì)算等功能，實(shí)現(xiàn)電子防碰功能；

（5）FC4：發(fā)電通訊子程序，完成與發(fā)電機(jī)并車模塊的參數(shù)交互；

（6）其他子程序：完成邏輯保護(hù)、報(bào)警輸出等其他輔助功能。

該系統(tǒng)采用ET-208（STAHL 7）作為司控臺(tái)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行，以工控機(jī)安裝TIA WINCC作為后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)視、記錄歸檔和打印輸出。通過對(duì)畫面進(jìn)行組態(tài)完成狀態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)置和故障報(bào)警等功能。PLC控制流程圖如圖6所示。

圖6 控制流程圖

2.5 系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行

在SIMATIC STEP7 Basic平臺(tái)上編寫好PLC程序，將其下載到SIMATIC S7-1200的控制器CPU1214C中。在TIA Portal開發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)好的上位機(jī)的監(jiān)控畫面的組態(tài)程序下載到HMI中。將設(shè)置好的并車模塊程序表通過端口線下載到并車模塊，然后將各部分以以太網(wǎng)端口進(jìn)行互聯(lián)。首先在車間進(jìn)行系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)聯(lián)試，然后拉到井場(chǎng)做現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試[4]?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試場(chǎng)景如圖7所示。

圖7 修井機(jī)井場(chǎng)測(cè)試

首先測(cè)試兩臺(tái)軟啟動(dòng)器的輪詢啟動(dòng)特性，測(cè)試軟啟動(dòng)器的自動(dòng)切換及故障報(bào)警功能及啟動(dòng)數(shù)據(jù)的查詢功能。經(jīng)測(cè)試軟啟功能正常，參數(shù)顯示正常。發(fā)電機(jī)參數(shù)、機(jī)泵組參數(shù)的采集、顯示正常，模擬故障時(shí)有報(bào)警產(chǎn)生。鉤載超限時(shí)是有報(bào)警產(chǎn)生，并自動(dòng)停機(jī)。機(jī)泵組電機(jī)和潤(rùn)滑油泵電機(jī)的啟動(dòng)測(cè)試，順序啟動(dòng)連鎖保護(hù)功能正常，逆序啟動(dòng)無法啟動(dòng)。游車工作數(shù)據(jù)的采集、顯示功能正常，游車防碰的預(yù)警、保護(hù)功能均能實(shí)現(xiàn)。一體化鉆井儀表的鉤載、泵壓信號(hào)采集和顯示功能正常。所有的檢測(cè)數(shù)據(jù)均能在司控臺(tái)觸摸屏和營(yíng)房區(qū)工控機(jī)正常顯示。

3 結(jié)束語

本文通過對(duì)現(xiàn)有的柴驅(qū)修井機(jī)電控系統(tǒng)的硬件組成和功能特點(diǎn)的分析，針對(duì)該系統(tǒng)存在的諸多問題，在傳統(tǒng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種基于PLC的柴驅(qū)修井機(jī)電控系統(tǒng)控制方式，可為客戶量身打造所需的擴(kuò)展功能，可大幅減少系統(tǒng)故障點(diǎn)，增加控制柜（MCC）軟啟動(dòng)的冗余功能，提高工作效率與可靠性，并可根據(jù)客戶需求，集成電子防碰、一體化鉆井儀表等功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)和報(bào)警記錄，進(jìn)一步增強(qiáng)修井機(jī)的安全和實(shí)用性，為今后鉆井行業(yè)全電動(dòng)修井機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)，進(jìn)一步推動(dòng)修井機(jī)的數(shù)字化和智能化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。