電控氣閥島故障快速智能診斷系統(tǒng)研究與應(yīng)用

梁維剛，袁 健，張慧杰

（1.川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司，陜西西安 710018；2.川慶鉆探工程有限公司國際工程公司，四川成都 610056）

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，自動化、智能化設(shè)備不斷引入鉆井行業(yè)，可編程控制器（PLC）和現(xiàn)場總線技術(shù)在鉆機(jī)控制中得到了普及應(yīng)用。在鉆機(jī)氣電控制系統(tǒng)，利用PLC 的高可靠性、模塊化結(jié)構(gòu)以及編程簡單等特點，將其作為控制器，以電磁閥為執(zhí)行器構(gòu)成控制系統(tǒng)，完成液路、氣路的實時采集和控制任務(wù)。該系統(tǒng)控制響應(yīng)速度快，可靠性高，極大地提高了鉆井效率。但控制邏輯比較復(fù)雜，生產(chǎn)過程中一旦某個控制元件出現(xiàn)故障，定位故障點比較麻煩，再加之多數(shù)石油鉆井行業(yè)作業(yè)人員習(xí)慣純氣路控制系統(tǒng)的日常維修保養(yǎng)，不熟悉電氣控制邏輯及線路故障，導(dǎo)致故障排除時間長，長時間停鉆，影響鉆井生產(chǎn)進(jìn)度。

1 西門子控制系統(tǒng)及觸摸屏概況

1.1 SIMATIC S7-300

PLC S7-300 是一款由西門子為中小型控制系統(tǒng)研發(fā)的小型模塊化PLC 系統(tǒng)，能滿足中等系統(tǒng)控制的應(yīng)用要求?？筛鶕?jù)實際需要選用相應(yīng)的模塊，建立起針對不同控制系統(tǒng)的PLC 控制結(jié)構(gòu)，組合更方便，結(jié)構(gòu)更簡單，具有組合多樣性的特點。

1.2 西門子觸摸屏

SIMATIC 人機(jī)界面（HMI）從對應(yīng)的S7-300 可編程控制器中讀取數(shù)據(jù)，S7-300 可編程控制器按編程人員設(shè)定的刷新速度傳輸數(shù)據(jù)。S7-300 可編程控制器操作系統(tǒng)能通過自動模式處理數(shù)據(jù)的傳輸與接收。

1.3 西門子分布式I/O ET200

模塊化的ET200S 分布式I/O 系統(tǒng)，是離散型、高度靈活的DP 從站，在設(shè)備控制系統(tǒng)中主要與中央控制器CPU 通過現(xiàn)場總線連接。ET200S 模塊支持現(xiàn)場總線PROFIBUS DP，可以將任意數(shù)量的I/O 模擬量、數(shù)字量模塊以任意組合連接到可編程邏輯控制器（PLC）。

2 原控制系統(tǒng)

2.1 原控制系統(tǒng)功能

鉆機(jī)氣路控制系統(tǒng)以西門子S7-300PLC 作為核心控制器，通過司控房操作系統(tǒng)對閥島控制實現(xiàn)各個氣路的動作。系統(tǒng)具備鉆井工藝操作及參數(shù)顯示、報警、系統(tǒng)故障報警及緊急剎車保護(hù)等功能，并且?guī)в腥哂噙壿嬁刂葡到y(tǒng)，保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。氣路控制系統(tǒng)還建立了絞車檔位互鎖保護(hù)、防碰天車保護(hù)，滾筒高低速互鎖保護(hù)、盤剎剎車與滾筒離合保護(hù)等功能，防止誤操作。人機(jī)界面采用西門子公司的寬視角西門子觸摸屏，實現(xiàn)人機(jī)對話，實時顯示系統(tǒng)各部件工作狀態(tài)。

2.2 原控制系統(tǒng)缺點

原控制系統(tǒng)是一個開環(huán)開關(guān)量控制系統(tǒng)，只采集輸入端口信息，按照一定的軟件邏輯控制輸出端口的狀態(tài)并在觸摸屏上顯示輸入輸出狀態(tài)。沒有顯示執(zhí)行器的邏輯也沒有閥島箱執(zhí)行器工作情況的反饋信息，操作人員只能根據(jù)鉆機(jī)的動作判斷執(zhí)行器工作是否正常。有的執(zhí)行器的邏輯比較復(fù)雜，當(dāng)條件達(dá)到時才能動作。而且復(fù)雜的邏輯必須經(jīng)過長時間學(xué)習(xí)才能熟練掌握，由于井隊人員的流動性導(dǎo)致每個新的操作人員和維修人員都要重新學(xué)習(xí)新鉆機(jī)的控制邏輯，才能在鉆井過程中快速排查問題。

3 新控制系統(tǒng)

3.1 概述

新系統(tǒng)通過檢測PLC 端口的輸入與輸出情況，直接在顯示屏上增加每路執(zhí)行器控制邏輯的顯示，可直觀地在顯示屏上觀察到每個執(zhí)行器需要的輸入信號及輸入信號是否正常；同時在閥島箱每路執(zhí)行器控制信號和輸出安裝檢測反饋信息，執(zhí)行器的工作情況通過安裝在閥島箱里的ET200S 采集后與司鉆房PLC 通信，將每路執(zhí)行器的控制信號和輸出反饋信息傳輸PLC供觸摸屏顯示反饋信息，每路執(zhí)行器都形成閉環(huán)，并在屏上直觀顯示。當(dāng)反饋異常時，彈出報警文本，提示故障點位置，維修人員可通過顯示屏直接顯示每路執(zhí)行器的輸入輸出及反饋情況，定位故障點，節(jié)省排查時間。新系統(tǒng)工作流程見圖1。

圖1 新系統(tǒng)工作流程

3.2 閥島箱

在原有氣路閥島控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，每個氣路執(zhí)行器閥片增加一個氣路信號反饋采集器，采集執(zhí)行器閥片動作后的氣源輸出情況，另增加一個執(zhí)行器閥片控制信號采集單元，用于采集執(zhí)行器閥片輸入信號。

3.3 觸摸屏顯示

觸摸屏既可以顯示輸入輸出狀態(tài)，又可以顯示每路執(zhí)行器的控制邏輯，將軟件邏輯以圖形形式在觸摸屏顯示。有輸出時，相應(yīng)執(zhí)行器的輸出控制信號反饋和氣路反饋同時在觸摸屏上顯示。反饋信息異常時，觸摸屏彈出報警畫面提示維修人員故障點位置。

電路反饋代表控制執(zhí)行器的控制信號到達(dá)執(zhí)行器控制信號端，氣路反饋代表執(zhí)行器輸出工作狀態(tài)。

執(zhí)行器出現(xiàn)問題時，首先查看觸摸屏的輸入信號和保護(hù)信號，若輸入信號和保護(hù)信號異常，可檢查出現(xiàn)問題的線路；若輸入和保護(hù)信號正常，查看執(zhí)行器控制信號反饋，控制信號反饋異常代表從控制器輸出端口到執(zhí)行器控制信號有問題，控制信號反饋正常但氣路反饋異常代表執(zhí)行器本身出現(xiàn)了問題，都正常說明控制系統(tǒng)正常，檢查其他機(jī)械問題。

4 結(jié)語

新系統(tǒng)在寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司的50LDB 及40LDB鉆機(jī)上安裝調(diào)試，經(jīng)培訓(xùn)后，現(xiàn)場模擬故障，在操作人員及維護(hù)人員不清楚故障點的情況下，幾分鐘內(nèi)就能判斷出故障點位置，模擬十幾次未出現(xiàn)判斷失誤，達(dá)到了預(yù)期效果。