浅析PLC在石油钻机中的应用

2022-03-24兰州兰石石油装备工程股份有限公司甘肃兰州市730000李洁洁梁红调王学柱

石河子科技 2022年4期

（兰州兰石石油装备工程股份有限公司，甘肃兰州市，730000）李洁洁梁红调王学柱

随着自动化时代的到来，装备生产制造行业都在进行自动化设备的探索。作为钻取石油的重要设备，石油钻机的控制也随之进入了自动化时代。整体来看，我国石油钻机设备的研制及发展自上世纪60年代开始，经过了60年的变迁，石油钻机装备从机械驱动起步，随后进入了电驱时代，包括了直流电驱动钻机和交流电驱动钻机，直到当前的管柱自动化钻机。随着PLC的不断应用，自动化钻机的概念深入人心，石油钻井也进入自动化、智能化钻井的阶段。

1 .PLC的简介

1.1 PLC的简介与发展

PLC，Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器，它是一种数字运算操作的电子装置，专为工业生产系统的控制而设计的控制器。它的主要功能包括执行逻辑控制、时间计算与控制输出、数据记录与输出、运动控制等。用户通过采集输入电路的信号值或者人机界面的信号值，在PLC的用户存储器上编写控制程序，通过输出电路来控制各类装备生产的工作过程。传统的继电器控制接线过多、控制不够灵活。

1.2 PLC的扫描过程

PLC的扫描工作过程分为输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段三个阶段。

1.2.1 输入采样阶段

PLC通过扫描读入所有输入信号的状态并刷新后存到对应的输入映像寄存器中。一般来说，输入信号的宽度需大于一个扫描周期，才能成功保存到输入映像寄存器中。PLC每完成一次循环所需的时间称为一个扫描周期。扫描周期作为PLC的重要指标，主要取决于扫描的速度和用户程序的大小。

1.2.2 程序执行阶段

PLC按照从上至下、从左到右的次序依次执行用户程序。当程序中需要跳转、输入、输出状态等等时，PLC就从其对应的映像寄存器读入所需变量的当前状态，从而判断程序是否跳转，然后通过程序的计算与逻辑的判断输出，将程序的运算结果存入输出映像寄存器中。

1.2.3 输出刷新阶段

输出映像寄存器存放着用户程序在执行阶段后的输出结果，并没有送到送到输出端口上。在输出刷新阶段，PLC将之前保存到输出映像寄存器中的输出结果送入到输出锁存器，由输出锁存器通过输出模块产生本扫描周期内的输出结果。如果内部输出继电器的结果为1，则输出继电器的触点闭合，通过输出模块驱动继电器等外围设备。所有输出设备的状态要保持一个扫描周期。

1.3 PLC的基本结构

PLC控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，PLC主要是由中央处理单元（CPU）、存储器(RAM、ROM)、输入输出单元(I/O)、电源等几部分组成。

1.3.1 中央处理单元(CPU)

PLC控制系统的大脑，它主要由控制器、运算器和寄存器组成。在PLC系统的工作过程中，CPU按照PLC系统程序赋予的功能指导PLC井井有序地进行循环工作。它的主要功能是控制计算用户程序、数据接收存储、诊断PLC的工作故障和程序中的语法错误等。

1.3.2 存储器

PLC的存储器分为系统存储器和用户存储器。系统存储器是存放由PLC生产厂家编写的、用户不能更改的系统程序。用户存储器用来存放用户编写的程序及各种变量数据。

1.3.3 电源

PLC的供电来自于PLC控制系统的电源。对于PLC控制系统的模块来说，电源的可靠性与稳定性至关重要。

1.3.4 输入输出回路

负责接收外部输入元件信号和负责接收外部输出元件信号。

2 PLC在石油钻机中的应用与发展

2.1 PLC在石油钻机中的应用概述

石油钻机是获取石油资源不可或缺的钻井专用工具，其中电驱石油钻机的应用最为广泛。随着钻井工艺的要求越来越精确，需要采集的信号和联锁信号越来越多，从而使得石油钻机的电控系统变得越来越繁杂。PLC凭借其本身的优点：可靠性高,、功能强大,故障率低,控制灵活,节约空间等等，已在电驱动钻机的控制系统中广泛使用，得到了行业的认可。

在石油钻机的控制系统中，PLC通过输入模块接收到按钮、旋钮、传感器、编码器等等输入信号以及触摸屏的触摸输入信号，通过CPU内的程序循环执行，以钻机电控房内PLC为主站,将钻台面司钻房的从站PLC及所有电机传动装置从站的调速器或变频器通过PN总线，组成通讯网络,进行数据的交换。对输入信号及输出信号进行程序的逻辑与计算，通过高速实时处理,传达到各个输出模块,通过外围设备的动作来满足钻井工艺要求。考虑到设备控制的安全可靠问题，系统通过两套功能完全相同的自动化系统作为冷备,从而降低了系统的故障率[3]。

2.2 电控房PLC主站

整个石油钻机电控系统的核心是位于电控房综合柜内的PLC，它作为系统的PLC主站，主要由CPU、电源模块、输入模块和输出模块、工艺模块等等组成。其中CPU模块作为整套系统的“大脑”，其存储卡内存储着整个电控系统的程序。编程人员可利用编程软件，根据工艺的要求，完成程序的编制与修改，方便灵活。

2.3 钻台ET200从站

ET200从站由通讯接口模块通过PN通讯线将其接入电控房综合柜的PLC主站，完成通讯连接。其余模块则根据输入输出需求添加，主要包括输入模块、输出模块和工艺模块等。输入模块是采集钻机控制中需要的各种信号，将其送进PLC，参与程序运算。从而在适当的时候通过输出模块进行输出控制或显示，完成整个钻机设备的控制及显示。方便司钻和现场管理人员随时掌握钻井参数的变化情况。