基于PLC的油田修井作業(yè)機安全防護控制裝置的設計

引言：油田修井作業(yè)機安全防護裝置用于監(jiān)測修井作業(yè)機的工作范圍，使作業(yè)機在安全工作范圍內(nèi)運行，當達到上/下限位置時及時報警停車。該安全防護裝置的控制核心采用可編程控制器（以下簡稱PLC），PLC通過信息顯示屏接收各種指令及參數(shù)設置并自動執(zhí)行相應的操作步驟，通過傳感器監(jiān)測作業(yè)機工作位置，及時地對作業(yè)機工作范圍進行判斷，指示并報警，且具有自動剎車功能。

一、研究背景

油田修井作業(yè)是石油工程的主要組成部分之一。油田修井作業(yè)機是石油開采和生產(chǎn)過程中最主要的工程機械。在油田修井鉆井作業(yè)過程中，影響作業(yè)人員和作業(yè)機械安全的主要因素是大鉤升降幅度。雖然油田修井鉆井起重作業(yè)機械的種類和型號各有不同，但是作業(yè)機械額定大鉤安全升降幅度值的限制也是根據(jù)作業(yè)現(xiàn)場情況而定的。在修井鉆井作業(yè)過程中，一旦升、降幅值超限，輕則發(fā)生事故、損壞設備，重則機毀人亡。因此有必要設計一種作業(yè)機大鉤升降幅值可自行設定，超限停車并報警的安全防護裝置。

二、系統(tǒng)構(gòu)成

安全防護裝置主要由可編程控制器（PLC）主機單元、觸摸顯示屏、傳感器、電磁閥、報警器、控制按鈕等組成。安全防護裝置采用可編程控制器（PLC）作為核心控制器件；通過觸摸液晶屏對大鉤的上下限幅值進行設置，并在作業(yè)機運行過程中實時顯示大鉤的位置值便于監(jiān)測；傳感器采集與大鉤相連接鋼絲繩的運行長度信號，向PLC輸入采集信號，PLC通過對輸入采集信號的計算，將大鉤的實時運行位置信息顯示到液晶顯示屏上；當大鉤的位置超過設定的上下限值時，PLC輸出超限信號，報警器報警，電磁閥動作將鋼絲繩絞盤做剎車處理，大鉤停止運行；人為手動控制按鈕解除報警狀態(tài)，使絞盤剎車松開，大鉤運行至安全位置。

2.1 可編程控制器

PLC是可編程控制器的縮寫，對整個電氣控制系統(tǒng)進行自動控制，實時監(jiān)測作業(yè)機運行過程中的參數(shù)并進行分析，當作業(yè)機超出安全動作范圍時自動進行報警并發(fā)出停車指令。通過信息顯示屏實現(xiàn)人機對話，響應信息顯示屏輸入的指令、參數(shù)，將作業(yè)機運行信息通過信息顯示屏顯示。

本裝置使用的是DVP14SS系列PLC，該PLC開關量輸入點為8點，開關量輸出點為6點。

2.2觸摸顯示屏

觸摸顯示屏是一種微型可編程終端，采用全中文液晶顯示觸摸屏（帶背光），具有字符類型和圖像類型顯示，由通訊接口和PLC的外設接口進行通訊。主要功能是現(xiàn)場參數(shù)設定，運行工況參數(shù)的顯示，實時顯示作業(yè)機的運行狀態(tài)。

本裝置使用的觸摸顯示屏是SK-035AE，顯示區(qū)大小為3.5英寸，分辨率為320×240，顏色為26萬色，采用LED背光燈。使用該顯現(xiàn)屏應用組態(tài)編程技術(shù)實現(xiàn)人機交互界面。

三、軟件設計

3.1 PLC程序設計

3.1.1位置測量部分程序段

圖1位置測量程序段

3.1.2報警輸出部分程序段

圖2報警輸出程序段

3.2 觸摸屏組態(tài)編程

本裝置使用SKWorkshop組態(tài)編程軟件對觸摸顯示屏進行編程。

3.2.1安全工作范圍的設定界面編程

初次使用安全防護裝置時，必須進行作業(yè)機安全工作范圍設定，否則可能運行異常。設置方法和操作步驟如下：

（1） 設置起點位置：將作業(yè)機運行至起點位置，將該極限位置設置為作業(yè)機的工作起點，PLC將該位置作為長度計算的起始點。

（2）設置零點位置：將作業(yè)機運行至地面附近，將該位置設置為作業(yè)機的工作零點，該位置在信息顯示屏中顯示的高度值為“0米”。

（3）設置上限位置：將作業(yè)機運行至“0米”以上的上限位置，可將當前位置設置為作業(yè)機的上限位置；也可以通過鍵盤錄入上限位置。

（4）設置下限位置：下限位置的設置方法與上限位置的設置方法相同。

3.2.2運行狀況的顯示與報警

安全防護裝置能夠以米為單位顯示作業(yè)機當前工作位置、上限位置和下限位置，精度達到厘米單位。并能夠通過兩只霍爾傳感器來判斷作業(yè)機處于上升或下降狀態(tài)。

當作業(yè)機當前位置接近上/下限位置時，安全防護裝置將通過聲光報警器發(fā)出警告信號，同時信息顯示屏“主界面”中的“警告”燈將閃爍，提醒操作人員注意安全。

當作業(yè)機當前位置達到上/下限位置時，安全防護裝置將立即發(fā)出停車指令，控制電磁閥進行停車動作，在聲光報警器發(fā)出報警的同時信息顯示屏“主界面”中的“停止”燈將閃爍，作業(yè)機停止運行。如需再次運行作業(yè)機，請按下安全防護裝置控制盒左側(cè)的“解除”按鈕，使“解除”燈熄滅。

四、結(jié)論

本文設計的安全防護裝置具有小型化、智能化、集成化和系統(tǒng)化的特點。安全防護裝置根據(jù)預設參數(shù)實現(xiàn)自動控制，減輕了操作人員的工作強度，避免了由于誤操作引起的事故，便于操作和維護。對作業(yè)機運行范圍進行實時監(jiān)測，當工作超出安全范圍時及時進行保護動作，避免了由于保護不及時而引發(fā)的安全事故。

（作者單位：哈爾濱華德學院）

作者簡介：

佟巳剛，哈爾濱華德學院機電與汽車工程學院教師，工程師，研究方向：可編程控制器（PLC）、單片機、機床電氣。