基于PLC控制的氣瓶自動(dòng)放水裝置

袁 健，張慧杰，梁維剛

（1.川慶鉆探工程有限公司國(guó)際工程公司，四川成都 610056；2.川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶鉆井總公司，陜西西安 710018）

0 引言

石油鉆井行業(yè)機(jī)械鉆機(jī)設(shè)備壓縮空氣的使用較為廣泛。柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)，鉆臺(tái)氣動(dòng)提升裝置，絞車、傳動(dòng)箱離合器及離合器控制閥島都離不開壓縮氣體。空氣中大量的水氣會(huì)隨著壓縮機(jī)進(jìn)入氣瓶，在氣瓶聚集。當(dāng)聚集的水過(guò)多時(shí)，會(huì)隨著管線氣流進(jìn)入設(shè)備，造成設(shè)備的損傷。含水量大的壓縮空氣進(jìn)入柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)氣動(dòng)馬達(dá)，使馬達(dá)內(nèi)部構(gòu)件銹蝕，造成起車?yán)щy；帶有水分的氣體進(jìn)入電控氣執(zhí)行閥片，會(huì)使閥片內(nèi)零部件發(fā)生銹蝕卡阻，影響鉆井設(shè)備的運(yùn)行控制。更嚴(yán)重的是進(jìn)入冬季后，大量水氣進(jìn)入各氣控管線，可能造成氣路管線出現(xiàn)冰堵，使氣路控制失靈，導(dǎo)致嚴(yán)重設(shè)備及人身傷害事故。因此，在鉆井生產(chǎn)中，氣瓶放水尤為重要。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 手動(dòng)放水

目前的鉆井生產(chǎn)中，部分鉆井隊(duì)還使用手動(dòng)放水，即在氣瓶底部安裝閘門，每到放水時(shí)間，員工手動(dòng)開動(dòng)閘門對(duì)氣瓶進(jìn)行放水。在現(xiàn)場(chǎng)操作中，要求15 min 放水一次，氣源房的氣瓶放水閘門伸手可得，能基本滿足按時(shí)排水。但處于鉆臺(tái)下的氣瓶，由于氣瓶閘門安裝位置不合理，高位或低位氣瓶操作不便等原因，很難保證按時(shí)放水，給氣路造成故障隱患。

1.2 自動(dòng)放水

鉆井現(xiàn)場(chǎng)使用的自動(dòng)放水裝置主要采用雙循環(huán)時(shí)間繼電器，完成定時(shí)放水和放水時(shí)間控制的設(shè)置。自動(dòng)放水裝置能降低現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工作量，保證按時(shí)放水。

為方便采購(gòu)安裝，鉆井隊(duì)選用普通配電柜進(jìn)行安裝，價(jià)格便宜實(shí)惠。但《Q/SYCQ2036—2008 石油天然氣鉆井井場(chǎng)電氣系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》要求，石油天然氣井場(chǎng)配電設(shè)備必須為防爆裝置，因此選用普通配電柜不能滿足防爆要求，給井場(chǎng)安全帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。但市場(chǎng)上沒有合適選用的防爆配電箱，需要和廠家聯(lián)系定制，并且價(jià)格昂貴，并且還有采購(gòu)最少數(shù)量的限制，影響部分鉆井隊(duì)氣瓶自動(dòng)放水裝置的使用。自動(dòng)放水裝置控制箱如圖1 所示。

圖1 自動(dòng)放水裝置控制箱

2 基于PLC 控制的氣瓶自動(dòng)放水裝置

2.1 工作原理

利用PLC 控制器定時(shí)控制原理，定時(shí)輸出控制信號(hào)啟動(dòng)繼電器，完成電磁閥的通電啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)氣瓶自動(dòng)放水。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用需求，編寫可編程控制器運(yùn)行梯形圖程序，振蕩輸出如圖2 所示。在程序運(yùn)行時(shí)，當(dāng)壓縮罐放水閘門閉合，PLC 輸入端子I0.0 輸入24 V 電壓得高電平，壓縮空氣儲(chǔ)罐自動(dòng)放水裝置程序開始工作，此時(shí)T1常開觸點(diǎn)仍然處于斷開狀態(tài)，Q0.0 輸出端低電平，無(wú)輸出信號(hào)；當(dāng)T1計(jì)時(shí)時(shí)間達(dá)到設(shè)定時(shí)間（t1）時(shí)，T1常開觸點(diǎn)接通，Q0.0 端子開始有輸出信號(hào)，同時(shí)T0開始計(jì)時(shí)；當(dāng)T0計(jì)時(shí)時(shí)間達(dá)到設(shè)定時(shí)間（t0）時(shí)，T0常閉觸點(diǎn)斷開，T1計(jì)時(shí)時(shí)間恢復(fù)到0，T1常開觸點(diǎn)斷開，Q0.0 端子輸出斷開，完成一個(gè)周期信號(hào)的輸出；同時(shí)T0計(jì)時(shí)時(shí)間恢復(fù)到0，T0常閉觸點(diǎn)恢復(fù)起始閉合狀態(tài)，T1重新開始計(jì)時(shí)，進(jìn)入下個(gè)運(yùn)行周期。如此不斷重復(fù)運(yùn)行，連續(xù)不斷產(chǎn)生振蕩信號(hào)輸出。

圖2 PLC 梯形程序

2.2 元器件選擇

2.2.1 PLC 控制器

現(xiàn)有設(shè)備轉(zhuǎn)盤、閥島等控制系統(tǒng)都使用PLC，但現(xiàn)場(chǎng)只用到PLC 控制功能很小的一部分，因此，現(xiàn)場(chǎng)PLC 備用接口或加裝擴(kuò)展口可以滿足自動(dòng)放水裝置的使用要求。

2.1.2 繼電器

S7-300 可編程控制器輸出24 V 的控制信號(hào)，因此選用工作電壓24 V，8 腳繼電器，實(shí)現(xiàn)電路控制。繼電器7，8 腳為電源腳；1，3；2，4 腳為常閉觸點(diǎn)；3，5；4，6 腳為常開觸點(diǎn)。

2.2.3 管道電磁閥

為保證電磁閥的可靠性及鉆井行業(yè)防爆要求，選用220 V，管徑6 英寸的防爆型管道電磁閥。

2.3 電路設(shè)計(jì)（圖3）

圖3 工作電路

自動(dòng)放水啟動(dòng)開關(guān)S1 閉合，給S7-300 可編程控制器I0.0端子輸入直流24 V 啟動(dòng)信號(hào)，程序開始運(yùn)行，計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定時(shí)間時(shí)。輸出端子I0.0 輸出直流24 V 信號(hào)給中間繼電器KM 電源端供電，KM 接通電源后開始工作，3，4 觸點(diǎn)與5，6 號(hào)觸點(diǎn)閉合，給防爆電磁閥供電成功。當(dāng)防爆電磁閥設(shè)定的開啟時(shí)間T0到達(dá)后，繼電器KM 的3，4 觸點(diǎn)與5，6 號(hào)觸點(diǎn)斷開，防爆電磁閥閉合，進(jìn)入下個(gè)工作周期。

圖4 梯形圖程序測(cè)試

3 模擬測(cè)試

利用西門子編程軟件step7 運(yùn)行梯形圖程序測(cè)試運(yùn)行情況。為提高測(cè)試速率，程序中設(shè)定T1時(shí)間為0.5 min，T0為3 s。當(dāng)模擬開關(guān)S1閉合，程序開始工作，隨著設(shè)定周期的變化，在Q0.0 輸出端顏色明暗交替變化，說(shuō)明模擬測(cè)試成功，可以實(shí)現(xiàn)氣瓶的自動(dòng)放水。

4 總結(jié)

雖然模擬測(cè)試成功，但在現(xiàn)場(chǎng)安裝布線還存在一些困難。鉆井隊(duì)VFD 房?jī)?nèi)的PLC 柜內(nèi)，要安裝6 A 的空氣開關(guān)及繼電器，繼電器出線還需要走VFD 房接線室，備用接頭能否滿足要求?，F(xiàn)場(chǎng)需要安裝3 個(gè)電磁閥，需在可編程控制器中添加程序，實(shí)現(xiàn)3 路輸出，或利用繼電器控制實(shí)現(xiàn)3 路輸出，都是后期需要考慮的問題。下一步工作是解決遺留問題，盡早將自動(dòng)放水裝置投入使用。