基于PLC控制的气瓶自动放水装置

袁 健，张慧杰，梁维刚

（1.川庆钻探工程有限公司国际工程公司，四川成都 610056；2.川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司，陕西西安 710018）

0 引言

石油钻井行业机械钻机设备压缩空气的使用较为广泛。柴油机、发电机的启动，钻台气动提升装置，绞车、传动箱离合器及离合器控制阀岛都离不开压缩气体。空气中大量的水气会随着压缩机进入气瓶，在气瓶聚集。当聚集的水过多时，会随着管线气流进入设备，造成设备的损伤。含水量大的压缩空气进入柴油机、发电机气动马达，使马达内部构件锈蚀，造成起车困难；带有水分的气体进入电控气执行阀片，会使阀片内零部件发生锈蚀卡阻，影响钻井设备的运行控制。更严重的是进入冬季后，大量水气进入各气控管线，可能造成气路管线出现冰堵，使气路控制失灵，导致严重设备及人身伤害事故。因此，在钻井生产中，气瓶放水尤为重要。

1 现状分析

1.1 手动放水

目前的钻井生产中，部分钻井队还使用手动放水，即在气瓶底部安装闸门，每到放水时间，员工手动开动闸门对气瓶进行放水。在现场操作中，要求15 min 放水一次，气源房的气瓶放水闸门伸手可得，能基本满足按时排水。但处于钻台下的气瓶，由于气瓶闸门安装位置不合理，高位或低位气瓶操作不便等原因，很难保证按时放水，给气路造成故障隐患。

1.2 自动放水

钻井现场使用的自动放水装置主要采用双循环时间继电器，完成定时放水和放水时间控制的设置。自动放水装置能降低现场作业工作量，保证按时放水。

为方便采购安装，钻井队选用普通配电柜进行安装，价格便宜实惠。但《Q/SYCQ2036—2008 石油天然气钻井井场电气系统技术规范》要求，石油天然气井场配电设备必须为防爆装置，因此选用普通配电柜不能满足防爆要求，给井场安全带来风险。但市场上没有合适选用的防爆配电箱，需要和厂家联系定制，并且价格昂贵，并且还有采购最少数量的限制，影响部分钻井队气瓶自动放水装置的使用。自动放水装置控制箱如图1 所示。

图1 自动放水装置控制箱

2 基于PLC 控制的气瓶自动放水装置

2.1 工作原理

利用PLC 控制器定时控制原理，定时输出控制信号启动继电器，完成电磁阀的通电启动，实现气瓶自动放水。

根据现场使用需求，编写可编程控制器运行梯形图程序，振荡输出如图2 所示。在程序运行时，当压缩罐放水闸门闭合，PLC 输入端子I0.0 输入24 V 电压得高电平，压缩空气储罐自动放水装置程序开始工作，此时T1常开触点仍然处于断开状态，Q0.0 输出端低电平，无输出信号；当T1计时时间达到设定时间（t1）时，T1常开触点接通，Q0.0 端子开始有输出信号，同时T0开始计时；当T0计时时间达到设定时间（t0）时，T0常闭触点断开，T1计时时间恢复到0，T1常开触点断开，Q0.0 端子输出断开，完成一个周期信号的输出；同时T0计时时间恢复到0，T0常闭触点恢复起始闭合状态，T1重新开始计时，进入下个运行周期。如此不断重复运行，连续不断产生振荡信号输出。

图2 PLC 梯形程序

2.2 元器件选择

2.2.1 PLC 控制器

现有设备转盘、阀岛等控制系统都使用PLC，但现场只用到PLC 控制功能很小的一部分，因此，现场PLC 备用接口或加装扩展口可以满足自动放水装置的使用要求。

2.1.2 继电器

S7-300 可编程控制器输出24 V 的控制信号，因此选用工作电压24 V，8 脚继电器，实现电路控制。继电器7，8 脚为电源脚；1，3；2，4 脚为常闭触点；3，5；4，6 脚为常开触点。

2.2.3 管道电磁阀

为保证电磁阀的可靠性及钻井行业防爆要求，选用220 V，管径6 英寸的防爆型管道电磁阀。

2.3 电路设计（图3）

图3 工作电路

自动放水启动开关S1 闭合，给S7-300 可编程控制器I0.0端子输入直流24 V 启动信号，程序开始运行，计时器开始计时，当到达设定时间时。输出端子I0.0 输出直流24 V 信号给中间继电器KM 电源端供电，KM 接通电源后开始工作，3，4 触点与5，6 号触点闭合，给防爆电磁阀供电成功。当防爆电磁阀设定的开启时间T0到达后，继电器KM 的3，4 触点与5，6 号触点断开，防爆电磁阀闭合，进入下个工作周期。

图4 梯形图程序测试

3 模拟测试

利用西门子编程软件step7 运行梯形图程序测试运行情况。为提高测试速率，程序中设定T1时间为0.5 min，T0为3 s。当模拟开关S1闭合，程序开始工作，随着设定周期的变化，在Q0.0 输出端颜色明暗交替变化，说明模拟测试成功，可以实现气瓶的自动放水。

4 总结

虽然模拟测试成功，但在现场安装布线还存在一些困难。钻井队VFD 房内的PLC 柜内，要安装6 A 的空气开关及继电器，继电器出线还需要走VFD 房接线室，备用接头能否满足要求。现场需要安装3 个电磁阀，需在可编程控制器中添加程序，实现3 路输出，或利用继电器控制实现3 路输出，都是后期需要考虑的问题。下一步工作是解决遗留问题，尽早将自动放水装置投入使用。