改进型石油钻机电-气控制系统

陈 健

(中石化石油工程机械有限公司第四机械厂，湖北 荆州 434024)

改进型石油钻机电-气控制系统

陈 健

(中石化石油工程机械有限公司第四机械厂，湖北 荆州 434024)

介绍中石化石油工程机械有限公司第四机械厂设计的石油钻机电-气控制系统，给出了PLC和总线型阀岛的选型，介绍双PLC冷备冗余控制系统的设计特点和网络控制系统的构成，以及控制系统组态、安全联锁、PLC软件和监控软件流程的设计。

电-气控制系统 石油钻机 冗余控制 软件组态

石油工业是燃料工业之一，包括勘探、开采到加工石油一系列过程。为国民经济提供各种燃料油，包括天然石油和油页岩的勘探、开采、炼制、储运等。相关技术人员对于石油工业的各方面进行了各类深入研究。殷国华和侯作富通过SilidWorks中的Simulation软件对钻井分流器壳体进行分析，在额定工作压力和静水压试验压力下分别分析壳体受压应力区，验证壳体的设计的合理性，进而对其设计进行优化[1]。石油钻机井架作为典型的大型钢结构长期处于野外环境，经受风雨和冰冻侵蚀，搬运过程中的磕碰和挤压变形，长期积累造成井架主体结构损伤，严重影响到石油钻井的安全生产。实际上井架的实验研究受到现场施工环境和高成本制约。娄燕敏等按照相似理论确定相似比系数，完成石油井架相似模型设计，通过模拟钻井工况，进行相似模型的承载力实验，获得结论推演真实结构的承载力分布规律，通过K型井架模型设计验证误差在10%之内，该研究方法将为在役井架承载力评价，特别是未来沙漠钻机和深海钻机井架的承载力研究提供理论依据[2]。

石油钻机电-气控制系统是链式传动钻机的控制中枢，也是复合驱动钻机和直流钻机控制系统不可或缺的部分。在直流驱动钻机中，电-气控制系统负责绞车和转盘档位、刹车系统及安全联锁等的控制；在链式传动钻机和复合驱动钻机中，还增加了柴油机的离合和调速控制功能。

随着电气自动化和气动传动技术的高速发展和有效结合，石油钻机的电-气控制系统经历了控制部分为气动开关、电控开关的发展阶段。目前发展到采用双PLC冷备冗余控制取代单PLC+旁路控制的模式，利用总线型阀岛取代传统电控阀岛，用总线通信取代多芯电缆传递控制信号[3]。现就该方案在改进型石油钻机电-气控制系统中的具体设计方案加以说明。

1 系统总体结构①

改进型石油钻机电-气控制系统(图1)，设计了双PLC冷备冗余控制[4]，当在线PLC发生故障时，通过司钻面板上的PLC切换开关切至离线PLC，让离线PLC代替原在线PLC成为在线PLC继续工作，提高了系统的可靠性；同时将所有的阀岛箱采用总线型阀岛，每一个阀岛箱作为PLC的一个远程从站，通过Profibus-DP总线通信[5]。

2 主要硬件选型

根据石油钻机电-气控制系统的输入输出控制量的点数和系统大小，其控制核心选用S7-300 PLC CPU314C-2DP，此PLC设有24个数字量输入、16个数字量输出、4个模拟量输入和两个模拟量输出。完全可以满足系统的输入输出需求，同时也兼顾了各种控制点的余量。

石油钻机电-气控制系统系统中包含的3个阀岛箱的选型如下：

a. 转盘阀岛箱，Profibus-DP通信模块CPX-FB13、4位数字量输入模块CPX-4DE、32位数字量输出模块ISO Plug-In DIL4[32DO]；

b. 绞车阀岛箱，Profibus-DP通信模块CPX-FB13、4位数字量输入模块CPX-4DE、32位数字量输出模块ISO Plug-In DIL4[32DO]；

图1 改进型石油钻机电-气控制系统总体结构框图

c. 并车阀岛箱，Profibus-DP通信模块CPX-FB13、2通道模拟量输出模块CPX-2AA-U/I、32位数字量输出模块ISO Plug-In DIL4[32DO]。

德国FESTO公司的CPX-FB13型基于现场总线技术的总线型阀岛，结构紧凑、体积小、性能优，同一片电磁阀集成两个通道[6]，所有阀都采用先导式控制，在调试时也能进行手动控制，所有功能都可以互相组合。每一个总线型阀岛就相当于PLC系统的远程I/O。CPX-FB13型阀岛提供了各种数字量和模拟量输入输出模块，可以任意组合搭配。另外，这种总线型阀岛可以通过总线与PLC进行总线通信。

3 软件部分

3.1控制系统组态

石油钻机电-气控制系统组态的关键是总线型阀岛CPX-FB13的组态[7]，组态界面如图2所示。具体步骤如下：

a. 在Step7中安装CPX-FB13对应的电子设备数据库文件(GSD文件)；

b. 在Step7中创建好主站并生成Profibus-DP网络后，点击CATALOG->Profibus->Additional field Devices->Valves->Festo CPX-Terminal，将之拖拽到已建立好的DP网络；

c. 设置好每一个总线阀岛箱的DP从站地址，这个地址与硬件上的DIL开关所对应的地址必须相同；

d. 在屏幕下方的区域内添加每一个阀岛箱内所选择安装的模块，包括通信模块CPX-FB13、DP-Slave和各种输入输出模块，然后保存并编译。

图2 石油钻机电-气控制系统组态界面

3.2安全联锁

安全是石油钻机钻井作业的重中之重。石油钻机电-气控制的软件部分设计了安全联锁功能，收集过卷防碰报警、高低速互锁报警、井架防碰报警及电磁涡流刹车报警等联锁逻辑。当有报警信息时，司钻房蜂鸣报警，同时刹盘动作；程序中设置一种操作的两种状态互锁——应急电机离合器、锁档控制、转盘惯刹和离合、换档控制、滚筒离合、气动旋扣器和气动卡瓦，在程序上避免两种状态同时产生；总离合挂合的同时启动绞车润滑油泵电机，确保绞车传动部分的润滑；转盘离合挂合的同时启动转盘润滑电机，确保转盘传动部分的润滑；泥浆泵挂合的同时启动相应的喷淋泵和灌注泵，以满足泥浆循环系统的正常运行。

3.3PLC软件和监控软件

石油钻机电-气控制系统包括钻机控制的逻辑程序设计，现场各种数据的采集与计算，设备状态的显示，以及各种安全联锁程序的设计等。

鉴于系统的功能划分，将监控页面划分为换档操作、油门操作、车泵操作、辅助操作和变量监视页面。主要的操作与显示界面如图3所示。

图3 操作与显示界面

变量监视界面(图4)可以方便地指导现场调试，发现故障、判断并解除故障。界面上的操作与

图4 变量监视界面

司钻房操作面板基本相同，界面上和图片是随动的，不管是面板操作还是触摸屏操作，均可以显示当前状态，方便操作者监视各部分的实际状态。

4 结束语

改进型石油钻机电-气控制系统采用双PLC冷备冗余技术和总线阀岛技术，极大地减少了故障点，同时减少了工人的劳动强度。目前，该系统已经在中石化石油工程机械有限公司第四机械厂生产的ZJ20LDB、ZJ20L、ZJ30L、ZJ40LDB、ZJ40D、ZJ50L、ZJ50LDB、ZJ50D和ZJ70D型石油钻机上成功应用，改进效果良好，受到了用户的好评。

[1] 殷国华，侯作富.钻井分流器壳体的有限元分析[J].化工机械,2013,40(3):376～378.

[2] 娄燕敏，赵琪月，王玥，等.在役石油钻机井架相似模型设计[J].化工机械,2013,40(5):608～611.

[3] 郑芸哲,齐明侠,沈蓉,等.基于西门子PLC的司钻控制系统[J].石油矿场机械,2008,37(5):53～56.

[4] 郭肖永.控制系统的冗余选择[J].化工自动化及仪表,1999,26(1):40～45.

[5] 卢晨,陈新龙,刘洪亮,等.一种可编程逻辑控制钻机液气路的装置[P].中国:ZL 201320405284.3,2014-05-14.

[6] 陈剑波.阀岛及其控制技术[J].科技信息,2009,(19):83～84.

[7] 吉顺平.西门子现场总线通信原理与应用[M].北京:机械工业出版社,2009.

2015-06-30(修改稿)

TH862

B

1000-3932(2016)04-0446-03