張 青，胡小剛，馬永恒，芮 暉，方陳靖，霍春亮，廉 哲

（1.中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司石油機(jī)械廠，河北滄州 062550；2.中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司第二鉆井工程分公司，河北廊坊 065006）

0 引言

目前國(guó)內(nèi)石油鉆機(jī)固控系統(tǒng)配備振動(dòng)篩、砂泵等用電設(shè)備數(shù)量眾多，現(xiàn)場(chǎng)工作強(qiáng)度大，設(shè)備無法及時(shí)監(jiān)測(cè)能耗及故障監(jiān)測(cè)，實(shí)際使用中缺乏有效節(jié)能手段、設(shè)備輔助維護(hù)系統(tǒng)及設(shè)備集成控制與故障診斷。隨著石油工業(yè)要求“標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化、機(jī)械化、信息化”的四化建設(shè)、石油鉆采技術(shù)的不斷發(fā)展及國(guó)家對(duì)裝備智能化的要求，石油鉆機(jī)固控裝備系統(tǒng)信息化應(yīng)運(yùn)而生。現(xiàn)階段石油鉆機(jī)固控系統(tǒng)實(shí)際工況存在粗放型管理模式，固控裝備存在自動(dòng)化程度低、使用不規(guī)范、監(jiān)測(cè)不到位、粗放使用、故障提前診斷不到位等問題，現(xiàn)階段狀況都會(huì)影響固控設(shè)備故障，嚴(yán)重影響石油采油效率。為加快石油鉆采行業(yè)信息化建設(shè)，加快我國(guó)石油工業(yè)的信息化，搭建一個(gè)能夠在石油鉆采固控系統(tǒng)中在線監(jiān)測(cè)與診斷的系統(tǒng)是十分重要[1]。

1 研究現(xiàn)狀

針對(duì)現(xiàn)階段石油鉆機(jī)固控系統(tǒng)，建立一個(gè)以無線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、終端設(shè)備采集、PLC 遠(yuǎn)程節(jié)能控制、數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、故障的在線診斷等功能融合的自動(dòng)化系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)與診斷。在線監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、數(shù)據(jù)控制監(jiān)測(cè)層與數(shù)據(jù)輔助診斷層。通過物聯(lián)網(wǎng)與PLC 實(shí)現(xiàn)控制、檢測(cè)與診斷固控設(shè)備[2-3]。

目前，石油鉆機(jī)固控系統(tǒng)向信息化與智能化必將是采油裝備中的前沿方向之一。

2 數(shù)據(jù)采集層

主要用于石油鉆機(jī)固控供配電設(shè)備狀態(tài)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集和控制。設(shè)備層由智能監(jiān)測(cè)控制動(dòng)作器集成在終端隔爆、防爆箱內(nèi)，且集成可靠無線傳輸模塊PROFINET 進(jìn)行通信，達(dá)到對(duì)檢測(cè)設(shè)備的狀態(tài)、能耗、控制等數(shù)據(jù)信息可靠傳輸與接收[4]。

3 數(shù)據(jù)傳輸層

網(wǎng)絡(luò)傳輸層是系統(tǒng)信息交換的橋梁，使系統(tǒng)能適應(yīng)不同的通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。主要由終端無線收發(fā)設(shè)備、上位機(jī)數(shù)據(jù)交換機(jī)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等組成。傳輸采用工業(yè)級(jí)無線傳輸AP（終端無線接入點(diǎn)），通過無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)快速傳輸與采集。

數(shù)據(jù)傳輸層實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)采集層的設(shè)備通信，收集固控設(shè)備的信息，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)信息交換，傳輸對(duì)設(shè)備的檢測(cè)與控制信息。

4 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)

論述的是對(duì)鉆采固控系統(tǒng)用電設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)與診斷，從數(shù)據(jù)的采集、傳輸、儲(chǔ)存與處理搭建一套智能信息化PLC 系統(tǒng)[5]。由于鉆采環(huán)境及使用環(huán)境惡劣，場(chǎng)地受限，噪聲及干擾嚴(yán)重，所以搭建可靠使用便捷的智能系統(tǒng)主要分為硬件與軟件系統(tǒng)[6]。

4.1 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)由上位機(jī)防爆觸摸一體電腦、S7-1500 PLC、交換機(jī)、硬盤錄像機(jī)組成，上位機(jī)防爆觸摸一體電腦、S7-1500 PLC與硬盤錄像機(jī)之間通過交換機(jī)通信，PLC 控制系統(tǒng)硬件配置如圖1 所示。

圖1 PLC 控制系統(tǒng)

4.1.1 設(shè)備終端無線采集與控制

防爆控制箱由無線網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)關(guān)電源、斷路器、接觸器控制器、接觸器、熱過載繼電器組成，攪拌器終端控制如圖2 所示。

圖2 攪拌器終端控制

4.1.2 PLC 上位機(jī)控制系統(tǒng)

PLC 采用西門子S7-1500 PLC 控制器，S7-1500 PLC 控制板如圖3 所示。

圖3 PLC 控制板

4.1.3 攪拌器間歇節(jié)能智能控制系統(tǒng)

通過智能型控制終端可以控制攪拌器電機(jī)間歇工作，系統(tǒng)具備電機(jī)過載、過流保護(hù)，可實(shí)現(xiàn)攪拌器按照程序自動(dòng)運(yùn)行。攪拌器間歇控制電路如圖4 所示。

圖4 攪拌器間歇控制

4.2 軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)輸入為終端采集信息，經(jīng)過發(fā)送無線數(shù)據(jù)包，經(jīng)過無線上位機(jī)系統(tǒng)分析來對(duì)所有固控設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)與診斷。通過PLC 順序邏輯編程軟件確定各個(gè)控制與檢測(cè)邏輯順序，最后由軟件自生成軟件程序。

軟件系統(tǒng)通過提取的設(shè)備運(yùn)行電壓信號(hào)、電流信號(hào)等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)可對(duì)設(shè)備間歇節(jié)能控制、啟停遠(yuǎn)程控制、故障報(bào)告、維護(hù)提醒。

4.2.1 固控系統(tǒng)采集應(yīng)用

以鉆探ZJ80 鉆機(jī)為依托，應(yīng)用實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)，井場(chǎng)固控系統(tǒng)信息采集方案平面如圖5 所示。

圖5 井場(chǎng)固控平面

4.2.2 實(shí)施結(jié)果

（1）電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)：可顯示線路諧波、相角矢量圖，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀況與能耗（圖6）。

圖6 在線實(shí)時(shí)運(yùn)行與能耗監(jiān)測(cè)界面

（2）電氣設(shè)備監(jiān)測(cè)與存儲(chǔ)：運(yùn)行數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)報(bào)表等進(jìn)行查詢和展示功能。設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與存儲(chǔ)界面如圖7 所示，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)歷史曲線界面如圖8 所示。

圖7 設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與存儲(chǔ)界面

圖8 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)歷史曲線界面

（3）攪拌器節(jié)能間歇控制系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)攪拌器智能化、定時(shí)攪拌、交替運(yùn)行的控制，攪拌器間歇控制系統(tǒng)界面如圖9 所示。

圖9 攪拌器間歇控制系統(tǒng)界面

（4）輔助故障診斷及維護(hù)提醒：故障提醒管理主要通過對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀況與運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行輔助診斷與維護(hù)提醒，設(shè)備運(yùn)行超過一定時(shí)間需要維護(hù)保養(yǎng)，設(shè)備運(yùn)行時(shí)突然停機(jī)故障做到輔助診斷，通過上位機(jī)直觀反應(yīng)故障信息。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過軟件與硬件的結(jié)合，基于PLC 平臺(tái)建立一個(gè)能夠顯著提升固控現(xiàn)場(chǎng)管理、在線監(jiān)測(cè)與診斷的系統(tǒng)，此系統(tǒng)信息化、直觀化、自動(dòng)化程度高，同時(shí)可顯著降低勞動(dòng)強(qiáng)度，輔助工人診斷初期突發(fā)性故障診斷，保障了石油鉆采設(shè)備運(yùn)行，提高了鉆井效率。