石油钻机刹车安全保护系统设计与应用*

王虎平

(兰州兰石石油装备工程股份有限公司，甘肃 兰州 730050)

0 引 言

随着石油钻采装备的逐步发展，现在石油钻机安全保护系统主要包含有断电保护、断气保护、过卷防碰、重锤防碰、以及电子防碰等多项安全保护措施。多项安全措施的保护逻辑有效关联，将石油钻机的气控电控及液压控制组成一套可靠的石油钻机刹车安全保护系统，通过控制最终的执行机构液压盘刹系统[1]，可确保石油钻机刹车安全保护系统的安全可靠运行。

根据石油钻机的现场操作工况工艺，如何科学合理的将各安全措施保护逻辑有效关联起来，是设计石油钻机刹车安全保护系统的重点。

1 方案设计

现有不同驱动形式的石油钻机司钻控制操作元件有气控阀及电磁阀等多种形式。最终的执行机构盘刹系统有机械手柄，电子手柄等不同的形式。所以在新设计钻机或改造旧钻机中需要一套有针对性的石油钻机刹车安全保护系统是重中之重。本方案设计针对上述问题，提供一种更安全可靠，更智能化的钻机刹车安全保护系统。

参照图1所示，石油钻机刹车安全保护系统中，外围的断电保护、断气保护、过卷防碰、重锤防碰、以及电子防碰等的气控信号通过多个梭阀并成一路盘刹控制气信号[2]，该信号控制盘刹刹车的同时通过机械式压力开关将刹车信号反馈给PLC[3]。

A部分为气控信号形式，当盘刹系统驻车或急停时，控制气信号通过两位三通气控换向阀及梭阀将刹车信号传输给PLC数字量模块。该形式适用于盘刹为机械手柄或电子手柄。

B部分为电控信号形式，当盘刹系统驻车或急停时，将该系统的驻车或急停电信号直接传输给PLC数字量模块。该形式适用于盘刹为电子手柄。

C部分为液压信号形式，当盘刹系统驻车或急停时，将盘刹左右工作钳及安全钳的液压信号转换成电信号，传输给PLC的模拟量模块。该形式适用于盘刹为机械手柄或电子手柄。

该方案所述的三种形式可以完全满足不同配置的石油钻机系统，可根据不同的配置针对性的选用其中一种形式或多种形式。

图1 石油钻机刹车安全保护系统示意图

2 实施应用

下面结合图1石油钻机刹车安全保护系统示意图就该方案的具体实施应用做进一步的详细说明。

断电保护是由PLC输出的盘刹安全钳控制信号控制的两位三通常通电磁阀实现，系统正常时PLC输出为高电平，电磁阀处于带电关闭状态，当系统断电或系统故障时电磁阀失电、两位三通常通电磁阀导通，刹车气信号导通实现刹车保护。

断气保护是由盘刹系统内的断气刹车实现的。

过卷防碰和重锤防碰开关正常状态下关闭导致刹车气信号关断，当游车位置过高导致过卷或重锤气开关打开，刹车气信号导通实现刹车保护。

电子防碰是由绞车滚筒端的编码器采集信号，PLC处理计算出游车高度，调试时标定好上碰下砸的参数值，当游车超出标定值时，PLC程序输出盘刹安全钳控制信号为低电平，两位三通常通电磁阀导通，刹车气信号导通实现刹车保护。

液压盘刹系统通过操作刹把手柄，调节工作钳对制动盘的正压力，从而为主机提供大小可调的刹车力矩，满足送钻、起下钻等不同工况的要求。工作制动时，只有工作钳参与刹车。遇到紧急情况时，按下紧急制动按钮，工作钳、安全钳全部参与制动，实现紧急刹车。

断电保护、断气保护、过卷防碰、重锤防碰、以及电子防碰等的气控信号之间的连接，是通过气管线和多个梭阀并成一路盘刹控制气信号，每多一路控制气信号就加一个梭阀将其并接到气控回路中，并成最终的这路气控信号控制盘刹刹车的同时通过机械式压力开关将刹车信号传输给PLC。

在司钻房中的PLC远程分布式I/O通过通信模块和电控房中的CPU通信，CPU读取分布式I/O的数值。关于该系统PLC推荐配置西门子S7 300系列，电源模块可选择PS 307、DC 24V模块。接口模块选择ET200M[4]。数字I/O模块选择SM323 8DI/8DOX DC 24V。模拟量输入模块选择SM331 8AIX12BIT(仅采用液压信号形式时用该模块)。编码器选择SM338 POS-INPUT模块。

采用气控信号形式时，将盘刹系统控制气路中接入一个三通，分出一气路接入两位三通气控换向阀的控制口，两位三通气控换向阀的工作口P接气源，工作口A接入梭阀，再将梭阀的出气口接入外围的三通。

采用电控信号形式时，从盘刹控制系统中预留的急停及驻车干接点信号端子排引出电信号，将急停及驻车干接点信号接入PLC数字量输入模块。

采用液压信号形式时，在盘刹左右工作钳及安全钳的液压管线回路中接入三通，在三通分出来的接口接上压力变送器，再将压力变送器转换成的电信号接入PLC的模拟量输入模块。

在我公司近几年生产或改造的不同配置钻机中，以上几种控制形式都有所使用，通过在公司总装联调及用户现场实际使用的考验，实践证明以上控制形式均是安全可靠的，有很好的适用性及实用性，取得了很好的应用效果。

3 结 语

针对目前石油钻机刹车安全保护系统选用不同元器件、采用不同配置的现状分析，提供了一种更安全可靠、更智能化的钻机刹车安全保护系统，可解决新设计钻机或改造旧钻机中需要一套有针对性的安全保护系统的问题。设计的石油钻机刹车安全保护系统的三种形式：气控信号形式、电控信号形式、液压信号形式。可根据石油钻机不同的配置，针对性的选用其中一种形式或多种形式组合使用，可以完全满足不同配置的石油钻机系统，为石油钻机刹车安全保护系统的设计或改造提供了参考方案及实施应用方法。