电控气阀岛故障快速智能诊断系统研究与应用

2019-09-12梁维刚张慧杰

设备管理与维修 2019年9期

梁维刚，袁健，张慧杰

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

0 引言

随着信息技术的发展，自动化、智能化设备不断引入钻井行业，可编程控制器（PLC）和现场总线技术在钻机控制中得到了普及应用。在钻机气电控制系统，利用PLC 的高可靠性、模块化结构以及编程简单等特点，将其作为控制器，以电磁阀为执行器构成控制系统，完成液路、气路的实时采集和控制任务。该系统控制响应速度快，可靠性高，极大地提高了钻井效率。但控制逻辑比较复杂，生产过程中一旦某个控制元件出现故障，定位故障点比较麻烦，再加之多数石油钻井行业作业人员习惯纯气路控制系统的日常维修保养，不熟悉电气控制逻辑及线路故障，导致故障排除时间长，长时间停钻，影响钻井生产进度。

1 西门子控制系统及触摸屏概况

1.1 SIMATIC S7-300

PLC S7-300 是一款由西门子为中小型控制系统研发的小型模块化PLC 系统，能满足中等系统控制的应用要求。可根据实际需要选用相应的模块，建立起针对不同控制系统的PLC 控制结构，组合更方便，结构更简单，具有组合多样性的特点。

1.2 西门子触摸屏

SIMATIC 人机界面（HMI）从对应的S7-300 可编程控制器中读取数据，S7-300 可编程控制器按编程人员设定的刷新速度传输数据。S7-300 可编程控制器操作系统能通过自动模式处理数据的传输与接收。

1.3 西门子分布式I/O ET200

模块化的ET200S 分布式I/O 系统，是离散型、高度灵活的DP 从站，在设备控制系统中主要与中央控制器CPU 通过现场总线连接。ET200S 模块支持现场总线PROFIBUS DP，可以将任意数量的I/O 模拟量、数字量模块以任意组合连接到可编程逻辑控制器（PLC）。

2 原控制系统

2.1 原控制系统功能

钻机气路控制系统以西门子S7-300PLC 作为核心控制器，通过司控房操作系统对阀岛控制实现各个气路的动作。系统具备钻井工艺操作及参数显示、报警、系统故障报警及紧急刹车保护等功能，并且带有冗余逻辑控制系统，保证系统的安全性和可靠性。气路控制系统还建立了绞车档位互锁保护、防碰天车保护，滚筒高低速互锁保护、盘刹刹车与滚筒离合保护等功能，防止误操作。人机界面采用西门子公司的宽视角西门子触摸屏，实现人机对话，实时显示系统各部件工作状态。

2.2 原控制系统缺点

原控制系统是一个开环开关量控制系统，只采集输入端口信息，按照一定的软件逻辑控制输出端口的状态并在触摸屏上显示输入输出状态。没有显示执行器的逻辑也没有阀岛箱执行器工作情况的反馈信息，操作人员只能根据钻机的动作判断执行器工作是否正常。有的执行器的逻辑比较复杂，当条件达到时才能动作。而且复杂的逻辑必须经过长时间学习才能熟练掌握，由于井队人员的流动性导致每个新的操作人员和维修人员都要重新学习新钻机的控制逻辑，才能在钻井过程中快速排查问题。

3 新控制系统

3.1 概述

新系统通过检测PLC 端口的输入与输出情况，直接在显示屏上增加每路执行器控制逻辑的显示，可直观地在显示屏上观察到每个执行器需要的输入信号及输入信号是否正常；同时在阀岛箱每路执行器控制信号和输出安装检测反馈信息，执行器的工作情况通过安装在阀岛箱里的ET200S 采集后与司钻房PLC 通信，将每路执行器的控制信号和输出反馈信息传输PLC供触摸屏显示反馈信息，每路执行器都形成闭环，并在屏上直观显示。当反馈异常时，弹出报警文本，提示故障点位置，维修人员可通过显示屏直接显示每路执行器的输入输出及反馈情况，定位故障点，节省排查时间。新系统工作流程见图1。

图1 新系统工作流程

3.2 阀岛箱

在原有气路阀岛控制系统基础上，每个气路执行器阀片增加一个气路信号反馈采集器，采集执行器阀片动作后的气源输出情况，另增加一个执行器阀片控制信号采集单元，用于采集执行器阀片输入信号。

3.3 触摸屏显示

触摸屏既可以显示输入输出状态，又可以显示每路执行器的控制逻辑，将软件逻辑以图形形式在触摸屏显示。有输出时，相应执行器的输出控制信号反馈和气路反馈同时在触摸屏上显示。反馈信息异常时，触摸屏弹出报警画面提示维修人员故障点位置。

电路反馈代表控制执行器的控制信号到达执行器控制信号端，气路反馈代表执行器输出工作状态。

执行器出现问题时，首先查看触摸屏的输入信号和保护信号，若输入信号和保护信号异常，可检查出现问题的线路；若输入和保护信号正常，查看执行器控制信号反馈，控制信号反馈异常代表从控制器输出端口到执行器控制信号有问题，控制信号反馈正常但气路反馈异常代表执行器本身出现了问题，都正常说明控制系统正常，检查其他机械问题。