关于PLC在石油钻机中的应用研究

【摘要】PLC为可编程逻辑控制器，其运用可编程存储器实现对各类机械及生产过程的操控，通常被应用于工业控制当中。如今，PLC随着油田对于电力驱动钻机的广泛应用，成为其关键的编程逻辑控制器，本文将以SIMATIC S7-300为例，陈述相应的系统集成方案。

【关键词】石油钻机 PLC S7-300 应用

1 前言

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。

2 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]。

2.1 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。

2.2 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]。

3 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：

3.1 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进行考虑，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。

3.2 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。

3.3 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。

3.4 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。

3.5 绞车控制

启动时，可根据工况的不同而选择不同的速度，共有超低速、低速和高速三种速度可选；其拥有自动控制的功能，自动区域根据当前速度设定手柄位置来进行确定，若位于自动区域，则大钩的停止位置与运行速度均可依靠自动控制来操作；该系统具备能耗制动功能，可保证操作的可靠性，然而，由于其底座需要承载较大的负重量，因而在井架的起升或是下放的时候，为使底座保持平稳和安全，仍应选择超低速。此外，为了避免出现上碰下砸的情况，运用脉冲编码器，设定大钩高度的最高位及最低位。

通过上述提到的各个存在差异的工况以及多种多样的控制方式，在进行实际的编程设计当中，将上述提到的功能块进行并行处理，而后对运行结果进行统一的处理，之后送入驱动控制模块，从而实现各个环节的控制功能清晰化，有利于检测程序的故障点和调试程序，使绞车控制能够完全的符合钻井工艺的要求。

4 总结

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。

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，2010，7（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，2011，2（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，2010，9（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，2009，1（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，2011，6（07）：65-67