浅谈PLC在石油钻机中的应用研究

作者:未知

  【摘 要】对于初期的PLC来说,在制定设计方案前首先需要对系统的硬件配置进行明确,而后利用其标准编程软件,即STEP7,生成适应于硬件系统的系统,当完成上述步骤后即可进行软件编程,通过剔除程序上不合理的地方,可减少程序的复杂性,并提升其可读性,使故障得到及时的发现和纠正,进而避免事故的发生,保障石油钻井的安全性。
  【关键词】石油钻机 PLC 应用 研究
  钻井行业是国民经济生产的重要支柱之一,其自动化的发展备受关注。钻机PLC控制系统结合运用了计算机、控制、电子、检测等科技成果,是钻机控制系统发展的主要趋势,也是钻井自动化发展的重要组成部分。钻机PLC控制系统的普遍应用满足了钻井生产高水平的要求,为钻机技术改造打开了新思路。因此,对于钻机PLC控制系统应用的研究,具有很大的现实意义。
  1钻机 PLC控制系统概述
  上世纪七八十年代,钻机控制系统主要是通过气动和液压控制来实现,随着科技的发展,钻机控制系统逐渐发展成为机、电、气、液一体化控制系统。钻机的一体化控制系统主要包括传动控制、动力控制、电力、仪表、电动机控制中心等几个方面。其中,IPC、PLC、HMI为系统核心,结合传感器、控制器、电气元件、电气液动阀件、控制总线等組成执行机构和数据采集系统。司钻控制中心可以通过PLC实现钻机的控制功能,包括绞车电机、钻井泵电机、泥浆泵电机、转盘电机、自动送钻系统以及其他辅助设备的控制,从而实现高标准的恒速、恒压送钻。
  钻机PLC控制系统的工作流程主要有以下几个环节,首先根据功能需求,编写合适的程序,并通过工业控制机存储在PLC中,司钻通过人机界面的触摸屏将指令传输到司钻房中的PLC,指令处理过后通过PROFIBUS总线将信号远距离传送到电气室,电气室的PLC通讯模块接收到信号之后,继续将信号传送到变频器CUVC控制板,最后信号通过变频器输出,并控制最后的执行元件(电机),调节电机的转速和转矩。
  2钻机PLC控制系统的工作原理
  2.1控制系统处于启动或待机状态:如果电源总开关开启时,电源系统就开始正常运作,PLC开始工作,首先进行检测,检查各设备的输入状态并输出的电路,各元件进入运行准备阶段。检测结束后,PLC处于待机状态。
  2.2控制系统的行走控制:钻机处于行走状态时,操作行走手柄,通过PLC的控制,行走电磁阀会导通,液压马达开始工作,可以实现钻机的行进功能。
  2.3控制系统的定位控制。钻机配备定位手柄,并通过PLC的控制,可以控制钻臂的升降、摆动,推进器配合进行位置调整,导通电磁,实现定位控制。
  2.4控制系统的钻进控制。当开关处于钻进位置时,操作钻进调整手柄,通过PLC控制,可以导通电磁,实现钻进功能。
  2.5控制系统的接杆控制。当开关处于接杆位置时,操纵相应手柄,结合PLC的控制,可以导通电磁,完成接杆。
  2.6控制系统的卸杆控制。开关置于卸杆位置时,操作卸杆手柄,结合PLC控制,导通电磁,完成卸杆。
  2.7除此之外,在钻机工作过程中,若果控制系统发生故障,PLC会及时发出警报,操作人员可以迅速按急停按钮,停止钻机的运行,最大程度的降低经济损失,避免安全事故的发生。
  3系统信息
  转盘与绞车在石油钻井当中是极为重要的两部分,这两者如发生故障,短期内将难以恢复,因而若在钻井过程中出现问题,轻则拖延工作进度,重则将可引致重大坍塌事故的发生。因此,为预防该类事故的发生,控制系统具备冗余备份能力。在全套的可编程逻辑控制系统中,存在着2套互备冗余,一为分布式从站,一为主站。分布式从站位于司钻室中,司钻室不仅拥有辅助控制台以及主控制台,且集钻机液、气、电控制于一身,同时还拥有一整套的电控柜,即ET200M,具有电气系统的故障提示、声光警报、监控以及实时的显示钻井参数,操控钻机等功能;主站则位于电控房中,电控房内包括有整流柜、发电机柜、VFD柜和PLC控制柜等设备[1]。
  3.1 硬件组态
  在开始制定关于PLC的控制系统时,应根据系统的硬件配置来制定,比如就S7-300而言,当其通信处理模块、功能模块、输入/输出模块达到八块以上时,在中央机架的基础上还应额外配置接口模块和配置扩展机架。只有明确好系统硬件后,才可继续进行硬件配置工作。
  3.2 软件编程
  变频钻机所采用的系统控制核心为S7-300系列CPU,可编程控制管理系统和变频器通讯所使用的总线为Profibus,所使用软件为STEP7软件编程包,该软件编程包拥有建立档案文件、测试、编程、诊断、运行、维护、配置硬件以及设置参数等功能。此外,基于对该系统在使用方面的诸多要求,例如可靠性以及户外维修等,因此系统具备远程监控以及冗余备份等功能。由于受石油钻机电控装置控制的目标较多且其各自间存在着联系,同时其对控制的要求也较为复杂,因此,对于数目众多的控制目标,若单纯采取直线独立结构进行编程将导致程序大小超出CPU可承受范围,并降低程序可读性;而若是采用结构化编程分解自动化任务,则将其变为可重复应用的任务或是可反映过程的功能及工艺,基于每个任务都有其对应的程序块,当运行程序的时候,将会有大量的变量与数据涌进并存储于数据块当中[2]。
  虽然所有程序块都具有相对独立性,但是在一些程序块之间,其功能存在某种相似性,因此常被OB1或是其它程序块调用。在编程的过程时,分析该类具有相似性功能的程序块,并利用FB功能块与FC功能等实现程序块的独立构成,通过调整各个功能与功能块,使控制目标的功能能够得以实现。此外,抛弃复杂的程序结构,对程序结构进行大量简化将有助于检测与分析装置故障。该软件系统可判断的故障种类高达130种以上,实现了智能控制[3]。
  4钻机系统的各项主要功能   要控制相应电机,可利用Profibus 总线,连接变频器与S7-300 CPU,使两者可进行通讯,进行达到控制相应电机的目的。在编写通讯程序前,需要保证程序的对应性,其PPO类型可通过传送参数的数量而得到确定。为保证关键钻井工艺的安全性,对其过程装设安全联琐,使操作台面板可及时发现故障,并给出声光警报以及相应的故障提示信息。除此之外,钻机系统还具有其它功能:
  4.1 软件冗余
  通过简单的软件机制,当冗余从站接口出现故障、或是冗余备份总线电缆及冗余从站接口无法能讯、亦或是CPU因主站、供电单元、软件、背板总线、硬件等因素而出现故障问题时,可应用冗余CPU接管出现故障的主CPU[4]。从可行性以及成本方面進行考虑,基于主备系统对于切换时间的要求较低,因而选用非必要系统或是冗余备份系统是较为合适的选择,同时也可使系统的稳定性得到提高。
  4.2 人机界面
  通过软件组态,可显示所有电机运行中的逻辑情况和设备运行情况,同时还可对现场设备的运行情况进行监控,将其中存在问题的部分汇入故障页当中,以方便对故障进行定位和维修工作。人机界面显示面板有两个,一个位于司钻室,另一个则位于电控房。
  4.3 转盘控制
  通过Profibus-DP协议通讯,可对变频器中出现的过压或是过流情况进行警报,从而相关人员引起的注意,同时还可对转盘变频器的扭矩限定值、速度给定值等进行控制。
  4.4 泥浆泵控制
  通过司钻室面板,工作人员可利用Profibus-DP把信号输送至控制站S7-300 CPU模块,并实现对泥浆泵主电机、风机以及喷淋泵的启动、速度设定、停止等操控,包括相应的联锁保护。当泥浆泵风机启动后,需待其风压开关闭合后才可启动泥浆泵主电机[5]。另外,由于电机耗损功率较大,将会产生较高的热量,若热量过高将会对电机正常运行造成影响,因此需要进行风冷。
  5结语
  在石油钻井当中,石油钻机的主要作用是将岩石打碎并往下钻出预设深度的井眼。石油钻机通常由旋转系统、控制系统、动力驱动系统、钻机底座、起升系统、钻机辅助设备系统、钻井液循环系统以及传动系统等八个系统组成。其传动系统通过运用内设PLC的智能气动阀饥,全数字控制技术、三级网络系统以及网络技术建立起具备网络化、智能化和自动化的钻机控制系统以及设备管理系统平台,不仅将钻井仪表参数的记录、显示和存储结合了起来,还完成了远程通讯钻机信息系统及对钻机电、气、液的控制,大大降低了事故的发生概率,提高了石油钻井的安全性。
  参考文献
  [1] 罗耿,朱成平.PLC与变频器实现多级频率定值控制[J].仪器仪表用户,2017,7(01):86
  [2] 胡刚,吕卿.PLC-变频器控制系统典型故障分析[J].交通标准化,2018,2(16):121-123
  [3] 赵建平.西门子S7―400H热冗余PLC在石油钻机中的应用[J].电气应用,2017,9(10):24-31
  [4] 张德森.浅谈石油钻机上现场总线技术的应用[J].硅谷,2017,1(12):86-90
  [5] 董兴华,张西平.石油钻机生产与智能控制系统[J].机械工程师,2016,6(07):65-67
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