浅谈PLC在石油钻机中的应用研究

刁东

【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