基于PLC的油田修井作业机安全防护控制装置的设计
2014-04-29佟巳刚
引言：油田修井作业机安全防护装置用于监测修井作业机的工作范围，使作业机在安全工作范围内运行，当达到上/下限位置时及时报警停车。该安全防护装置的控制核心采用可编程控制器（以下简称PLC），PLC通过信息显示屏接收各种指令及参数设置并自动执行相应的操作步骤，通过传感器监测作业机工作位置，及时地对作业机工作范围进行判断，指示并报警，且具有自动刹车功能。
一、研究背景
油田修井作业是石油工程的主要组成部分之一。油田修井作业机是石油开采和生产过程中最主要的工程机械。在油田修井钻井作业过程中，影响作业人员和作业机械安全的主要因素是大钩升降幅度。虽然油田修井钻井起重作业机械的种类和型号各有不同，但是作业机械额定大钩安全升降幅度值的限制也是根据作业现场情况而定的。在修井钻井作业过程中，一旦升、降幅值超限，轻则发生事故、损坏设备，重则机毁人亡。因此有必要设计一种作业机大钩升降幅值可自行设定，超限停车并报警的安全防护装置。
二、系统构成
安全防护装置主要由可编程控制器（PLC）主机单元、触摸显示屏、傳感器、电磁阀、报警器、控制按钮等组成。安全防护装置采用可编程控制器（PLC）作为核心控制器件；通过触摸液晶屏对大钩的上下限幅值进行设置，并在作业机运行过程中实时显示大钩的位置值便于监测；传感器采集与大钩相连接钢丝绳的运行长度信号，向PLC输入采集信号，PLC通过对输入采集信号的计算，将大钩的实时运行位置信息显示到液晶显示屏上；当大钩的位置超过设定的上下限值时，PLC输出超限信号，报警器报警，电磁阀动作将钢丝绳绞盘做刹车处理，大钩停止运行；人为手动控制按钮解除报警状态，使绞盘刹车松开，大钩运行至安全位置。
2.1 可编程控制器
PLC是可编程控制器的缩写，对整个电气控制系统进行自动控制，实时监测作业机运行过程中的参数并进行分析，当作业机超出安全动作范围时自动进行报警并发出停车指令。通过信息显示屏实现人机对话，响应信息显示屏输入的指令、参数，将作业机运行信息通过信息显示屏显示。
本装置使用的是DVP14SS系列PLC，该PLC开关量输入点为8点，开关量输出点为6点。
2.2触摸显示屏
触摸显示屏是一种微型可编程终端，采用全中文液晶显示触摸屏（带背光），具有字符类型和图像类型显示，由通讯接口和PLC的外设接口进行通讯。主要功能是现场参数设定，运行工况参数的显示，实时显示作业机的运行状态。
本装置使用的触摸显示屏是SK-035AE，显示区大小为3.5英寸，分辨率为320×240，颜色为26万色，采用LED背光灯。使用该显现屏应用组态编程技术实现人机交互界面。
三、软件设计
3.1 PLC程序设计
3.1.1位置测量部分程序段
图1位置测量程序段
3.1.2报警输出部分程序段
图2报警输出程序段
3.2 触摸屏组态编程
本装置使用SKWorkshop组态编程软件对触摸显示屏进行编程。
3.2.1安全工作范围的设定界面编程
初次使用安全防护装置时，必须进行作业机安全工作范围设定，否则可能运行异常。设置方法和操作步骤如下：
（1） 设置起点位置：将作业机运行至起点位置，将该极限位置设置为作业机的工作起点，PLC将该位置作为长度计算的起始点。
（2）设置零点位置：将作业机运行至地面附近，将该位置设置为作业机的工作零点，该位置在信息显示屏中显示的高度值为“0米”。
（3）设置上限位置：将作业机运行至“0米”以上的上限位置，可将当前位置设置为作业机的上限位置；也可以通过键盘录入上限位置。
（4）设置下限位置：下限位置的设置方法与上限位置的设置方法相同。
3.2.2运行状况的显示与报警
安全防护装置能够以米为单位显示作业机当前工作位置、上限位置和下限位置，精度达到厘米单位。并能够通过两只霍尔传感器来判断作业机处于上升或下降状态。
当作业机当前位置接近上/下限位置时，安全防护装置将通过声光报警器发出警告信号，同时信息显示屏“主界面”中的“警告”灯将闪烁，提醒操作人员注意安全。
当作业机当前位置达到上/下限位置时，安全防护装置将立即发出停车指令，控制电磁阀进行停车动作，在声光报警器发出报警的同时信息显示屏“主界面”中的“停止”灯将闪烁，作业机停止运行。如需再次运行作业机，请按下安全防护装置控制盒左侧的“解除”按钮，使“解除”灯熄灭。
四、结论
本文设计的安全防护装置具有小型化、智能化、集成化和系统化的特点。安全防护装置根据预设参数实现自动控制，减轻了操作人员的工作强度，避免了由于误操作引起的事故，便于操作和维护。对作业机运行范围进行实时监测，当工作超出安全范围时及时进行保护动作，避免了由于保护不及时而引发的安全事故。
（作者单位：哈尔滨华德学院）
作者简介：
佟巳刚，哈尔滨华德学院机电与汽车工程学院教师，工程师，研究方向：可编程控制器（PLC）、单片机、机床电气。
