电动修井机的自动化控制系统

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摘　要：能源是我国经济发展的重要基础，节能减排是我国的一项基本国策，而修井机是油田开采过程中不可或缺的一种重要的施工机械装备。本文提出了基于PLC的电动修井机的自动控制系统，并对电气系统的控制要求及组成部分进行了分析，通过现场试验表明，该自动控制系统不但继承了传统电动修井机的优点，而且对传统的电动修井机的不足之处进行了一定的改进。

关键词：电动修井机　自动控制系统　PLC　通信

一、引言

作为油田修井采油设备之一的修井机在保证石油工业生产稳定、高效过程中发挥着重要的作用，其主要作用包括提升、下放油管和抽油杆，检测和维修抽油泵，同时负责解除并且排除采油作业过程中发生的故障，打捞掉落在油井井底的杂物，以及井口设备的安装和起重辅助的工作。在国内油田修井作业中，很多是采用柴油发动机作为动力源，但柴油发动机驱动设备本身存在一定的缺陷，例如柴油发动机工作效率较低，仅为50%左右，而且传动效率也不高，但其作业成本却较高，除此之外柴油发动机存在漏油和噪声大等的现象，这些都对环境产生一定的影响。在国家倡导节能减排和建设环境友好型社会的前提下，普及电动修井机在石油工业的应用必然是一种趋势。

二、电动修井机主电路部分设计

电动修井机主电路。主电路中的主电动机、液压钳油泵电机、刹车油泵电机、风机电机、压缩机电机按照电动修井机设备工艺的要求进行启停。系统的变频器采用VACON公司的NXS系列变频器对主电机进行相应的控制，主电机采用三相异步电动机，额定电压为380V，额定电流为240A，额定频率为50HZ，额定转速为495r/min。图中的QM为系统的断路器，起到对电路通断和过流保护的作用；FR为系统的热继电器，起到对电机过热保护的作用。

三、电动修井机控制系统的功能及组成部分

1.电动修井机控制系统功能

电动修井机的自动控制系统一般分为四个部分，依次为主电机传动部分和变频器控制电路；辅助电动机（液压油泵驱动电动机，刹车油泵驱动电动机，空气压缩机）及其控制电路；指示和参数显示部分；照明、空调及控制辅助电路部分。

电动修井机电气控制系统具有如下功能: ①实现电动修井机提升，下放油杆，即实现电动机和变频器的启动，正反转切换和停止功能。②液压钳油泵是装卸油管时使用的装置，刹车油泵是带动主钩升降的主电机提供动力的装置。空气压缩机为系统提供气压动作的气泵装置，这些装置通过接触器进行启动和停止控制。③对液压系统中相应的液压阀进行控制。④实现对系统中电流，温度，流量，压力等的显示，同时对电机过载，温度过高或过低，流量大或小，压力过大或过小，变频器的运行情况进行相应的监视，并进行报警。⑤对系统中的照明和控制等辅助设备进行相应的控制。

2.控制系统组成部分

按照工艺要求和控制理念设计PLC系统的输入输出变量以及设备要求选择参数。系统的频率、电流、液压系统压力、流量、油箱温度等参数作为模拟量参与系统的控制。系统急停、变频器启动和停止、电动机启动和停止、电动机正反转控制液压系统泵启动停止、档位调节、开关或按钮、过滤器堵塞、变频器故障报警、油箱液位、冷却水启动停止等作为作为系统的数字量输入。系统中各个泵工作、电动机工作、变频器工作、变频器故障复位、档位工作以及电动修井机操作动作作为系统的数字量输出。

系统选用SIMATIC S7-300的PLC，其中CPU选用SIMATIC 315-2PN/DP，其集成的工作存储器RAM为256KB，转载存储器(MMC)为8MB，数字量输入模块需用16点位的SM321，数字量输出模块选用16点位的SM322，模拟量输入模块选用SM331。

四、电动修井机的程序设计

电气控制系统程序部分的内容主要包括PLC控制器程序和 HMI 监控程序设计这两个方面的内容，自动控制系统中PLC采用的组态软件为SIMATIC STEP7 V5.4 Basic为开发平台，系统的HMI采用MP277的触摸屏，根据PLC的硬件内容对其软件进行相应的组态HMI的组态软件为WINCC Flexible为开发平台，对系统的监控、显示画面进行相应的组态。SIMATIC S7-300与 HMI 面板通过以太网进行相应的通信。

1. PLC控制程序设计

PLC 控制器程序包括修井机工作主程序、模拟量输入处理子程序、系统频率输出子程序。修井机工作主程序功能包括系统急停、液压系统各泵启动停止、变频器启动停止、绞车正反转控制；模拟量输入处理子程序主要实现系统电流、系统频率、液压系统的压力、流量、油箱温度等模拟量输入的数字量转换和标定处理；系统频率输出子程序主要实现系统输出频率限制和系统频率的数模转换。

2. HMI界面的设计

HMI 界面的设计主要任务是实现设备的启停操作，系统的信息管理和监控、界面间的转换并根据要求对界面进行相应的优化。系统监控部分主要包括开机界面、主界面、状态查看、报警显示。显示界面主要包括系统信息显示界面(系统压力、频率、电流、油箱温度和大钩载荷等)和故障报警显示界面，操作人员可以在HMI各个界面间进行相应的切换。若有报警信息发生，对应故障报警图标将变色闪烁指示，同时系统的蜂鸣器对故障进行响应。系统的各种操作通过触摸屏实现。

五、系统调试

将应用STEP 7编制的梯形图通过MPI适配器下载到 PLC 中，将应用WINCC Flexible 制作的画面通过以太网下载到 HMI 触摸屏中，在调试过程中依次给电源上电，同时启动PLC的在线监视功能对系统中设备的运行进行监视，通过PLC的在线监视与强制变量功能检测系统的数字量输入与输出是否正确，并且通过24V可调电压源、200mA可调电流源实现对系统模拟量输入的检测。根据设备的动作表，工艺的要求和各种报警情况的考虑去编写程序，同时根据现场的可能发生的情况去改进程序。

六、结论

电动修井机的应用改变了传统修井机的工作效率低，能源利用率不高，且污染环境的弊端，在现场的运行中表明，系统的性能可靠，自动化程度较高。参考文献[1] 冯学军. 电动修井机技术简析[J] . 油气田地面工程，2010，29 ( 12) : 97 － 98.[2] 高天彪，柳旭阳，孟艳春. JY5160TXJl0 型车载式电驱修井机[J] . 石油机械，2009，37 ( 7) : 46-48.[3] 谢永金.我国修井机发展的技术现状与展望.石油机械，2005，33，10:72-75[4]陈蔚茜，邓德太.浅谈国内通井机的发展趋势.石油矿场机械，2004，33(5):93[5]殷洪义，吴建华.PLC原理与实践.北京:清华大学出版社，2008.1-4.作者简介：赵友贵，男，1979年生，湖南省邵东县人。2002年毕业于江汉石油学院，现长城钻探工程有限公司钻井二公司国际市场项目部，平台经理，工程师，主要从事钻井技术及钻井设备研究。