基于PLC的石油鉆井平臺升降控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王恒 張?jiān)骑w 賈原杰 岳明明 閆恒宇

摘要：為實(shí)現(xiàn)對鉆井平臺升降行程的精準(zhǔn)控制，文章設(shè)計(jì)了基于PLC的石油鉆井平臺升降控制系統(tǒng)。將PLC控制器作為系統(tǒng)開發(fā)的核心，設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)；將鉆井平臺控制過程作為一個(gè)慣性作業(yè)環(huán)節(jié)，在上機(jī)位端發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)基于PLC建立鉆井平臺控制目標(biāo)函數(shù)；根據(jù)設(shè)計(jì)端的綜合部署需求，在軟件功能模塊中添加錯(cuò)誤條件與指令判定程序，設(shè)計(jì)石油鉆井平臺升降集中控制與驅(qū)動(dòng)保護(hù)。對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)前端發(fā)出指令的精準(zhǔn)控制。

關(guān)鍵詞：PLC；目標(biāo)函數(shù)；驅(qū)動(dòng)保護(hù)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；升降控制；石油鉆井平臺

中圖分類號：TP39 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

海洋石油工程開采中不可缺少的設(shè)備為石油鉆井平臺，鉆井平臺自身主要由動(dòng)力裝置、鉆桿、液壓系統(tǒng)和升降系統(tǒng)組成［1］。近年來，隨著石油勘探開發(fā)的日益深入，石油鉆井平臺的作業(yè)范圍也越來越廣，越來越多的鉆井工程使用石油鉆井平臺作為支撐。在鉆井作業(yè)中，平臺的升降控制會(huì)對現(xiàn)場工作人員和設(shè)備產(chǎn)生極大安全隱患［2］。一旦出現(xiàn)升降控制錯(cuò)誤的現(xiàn)象，十分容易發(fā)生工程現(xiàn)場安全事故。為實(shí)現(xiàn)對石油鉆井平臺升降的精準(zhǔn)控制，本文提出了多種針對鉆井平臺的控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)的升降控制系統(tǒng)大多由液壓缸、液位傳感器、變頻器、電動(dòng)機(jī)等組成，大部分升降控制系統(tǒng)在應(yīng)用中存在一定的缺陷。為解決此方面問題，本文將PLC技術(shù)作為支撐，從硬件與軟件兩個(gè)方面，對石油鉆井平臺升降控制系統(tǒng)展開設(shè)計(jì)，旨在通過此種方式，實(shí)現(xiàn)對鉆井平臺升降的高精度控制。

1 控制系統(tǒng)架構(gòu)

為確保開發(fā)的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對鉆井平臺升降的精準(zhǔn)控制，將PLC控制器作為系統(tǒng)開發(fā)的核心［3］，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)架構(gòu)。建立鉆井平臺與升降控制系統(tǒng)之間的互聯(lián)網(wǎng)通信連接。控制過程中，在控制臺終端發(fā)出升降控制指令，PLC控制器在接收到控制指令后，在通信網(wǎng)絡(luò)的支撐下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行［4］。此時(shí)，集成在升降平臺中的開關(guān)傳感器、荷載傳感器、開度傳感器等，將持續(xù)反饋鉆井平臺驅(qū)動(dòng)信號，通過此種方式，實(shí)現(xiàn)對石油鉆井平臺的升降控制。

2 PLC控制器選型

為確保開發(fā)的系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中可以達(dá)到預(yù)期效果，完成系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)后，明確PLC控制器是支撐該系統(tǒng)運(yùn)行的主要設(shè)備［5］。因此，設(shè)計(jì)PLC控制器技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

完成對PLC控制器的選型后，設(shè)計(jì)PLC控制器在系統(tǒng)中的作業(yè)模塊如表2所示。

按照表2所示的內(nèi)容，配置PLC控制器在系統(tǒng)中的功能模塊，以此種方式，完成對控制系統(tǒng)中PLC控制器的選型與功能部署。

3 基于PLC建立鉆井平臺控制目標(biāo)函數(shù)

完成上述設(shè)計(jì)后，為實(shí)現(xiàn)對石油鉆井平臺的有效控制，引進(jìn)PLC技術(shù)，設(shè)計(jì)針對鉆井平臺的控制目標(biāo)函數(shù)。在此過程中，可以將鉆井平臺控制過程作為一個(gè)慣性作業(yè)環(huán)節(jié)，在上機(jī)位端發(fā)出控制指令，建立可編程邏輯控制程序在系統(tǒng)中的傳遞函數(shù)，函數(shù)表達(dá)式如式（1）所示［6］。

G=KT（s）+1（1）

式（1）中：G表示PLC控制指令傳遞函數(shù)；K表示電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；T（s）表示電機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)。將傳遞的控制信號錄入PWM功率放大器中，利用輸入端接收到的數(shù)據(jù)，通過用戶設(shè)置程序操作，通過輸出端輸出對應(yīng)的控制信號，對鉆井升降平臺中的電磁體進(jìn)行控制。按照上述方式，建立如下計(jì)算公式所示的鉆井平臺控制目標(biāo)函數(shù)［7］。

G′=Kp1+1T（s）+T（d）（2）

式（2）中：G′表示鉆井平臺控制目標(biāo)函數(shù)；Kp表示控制目標(biāo)積分常數(shù)；T（d）表示控制目標(biāo)比例常數(shù)。

4 石油鉆井平臺升降集中控制與驅(qū)動(dòng)保護(hù)

完成上述研究后，設(shè)計(jì)石油鉆井平臺的升降集中控制與驅(qū)動(dòng)保護(hù)。設(shè)計(jì)過程中，對石油鉆井平臺升降控制系統(tǒng)的軟件功能進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)端的綜合部署需求，在軟件功能模塊中添加錯(cuò)誤條件與指令判定程序。通過此種方式，提高升降控制系統(tǒng)對控制指令的糾錯(cuò)能力，保證系統(tǒng)在運(yùn)行中的安全性和可靠性。

PLC軟件主要分為啟動(dòng)自檢和循環(huán)自檢。在系統(tǒng)通電后，程序先檢測各傳感器的輸入信號及控制狀態(tài)的反饋，確認(rèn)各信號的正確性與時(shí)效性后，啟動(dòng)控制程序。在系統(tǒng)正常工作后，程序仍會(huì)繼續(xù)對各輸入和反饋信號進(jìn)行自我檢查。在自檢期間，將實(shí)時(shí)監(jiān)測到的狀態(tài)參數(shù)傳遞給控制中心，一旦發(fā)現(xiàn)異常，就會(huì)立刻停止運(yùn)行，并向控制人員發(fā)出警報(bào)。

編程石油鉆井控制平臺的升降控制指令與程序時(shí)，電壓、電流讀取指令將存于程序數(shù)據(jù)塊，可設(shè)計(jì)其開始位為VB1100；在讀命令發(fā)出后，PLC等待數(shù)據(jù)的接收，將所接收的數(shù)據(jù)存入VB1120，將其作為控制地址的存儲(chǔ)空間中。在自動(dòng)控制中，主程序在啟動(dòng)后進(jìn)行循環(huán)調(diào)用，對各個(gè)傳感器的參數(shù)進(jìn)行檢測，判斷和執(zhí)行相應(yīng)的控制命令。按照上述方式，實(shí)現(xiàn)石油鉆井平臺升降集中控制與驅(qū)動(dòng)保護(hù)，完成基于PLC的石油鉆井平臺升降控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

5 對比實(shí)驗(yàn)

上文引進(jìn)PLC技術(shù)，完成了石油鉆井平臺升降控制系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)對該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中效果的檢驗(yàn)，下文將以某地區(qū)大型石油鉆井工程項(xiàng)目為例，通過設(shè)計(jì)對比實(shí)驗(yàn)的方式，對該系統(tǒng)的升降控制效果展開測試。

搭建測試環(huán)境，建立測試環(huán)境與石油鉆井平臺之間的通信連接，設(shè)置石油鉆井平臺型長為75.12 m、型寬為63.05 m、最大作業(yè)水深為320 ft、最大鉆井深度為3.0×104 f、樁腿長度為143.56 m。將本文開發(fā)的升降控制平臺集成在測試環(huán)境中，使用本文系統(tǒng)，對石油鉆井平臺進(jìn)行升降控制。控制中，按照上文設(shè)計(jì)內(nèi)容，選型PLC控制器，建立鉆井平臺控制目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)，驅(qū)動(dòng)上機(jī)位控制程序，對石油鉆井平臺升降進(jìn)行集中控制與驅(qū)動(dòng)保護(hù)。

為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有可比性，引進(jìn)基于模糊控制的升降控制系統(tǒng)，與基于FOA-PID控制器的升降控制系統(tǒng)，將其作為傳統(tǒng)系統(tǒng)1與傳統(tǒng)系統(tǒng)2，將本文系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)按照規(guī)范集成在測試環(huán)境中。確保系統(tǒng)與測試環(huán)境之間建立通信連接后，驅(qū)動(dòng)石油鉆井平臺升降控制程序，對平臺進(jìn)行升降控制，對控制后升降臺3個(gè)樁腿的上升與下降行程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過此種方式，掌握升降控制系統(tǒng)的控制效果。統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

從表3所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)系統(tǒng)控制端發(fā)出石油平臺的升降指令后，只有本文系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對升降指令的高精度執(zhí)行與控制，且控制中，樁腿1、樁腿2與樁腿3的上升行程與下降行程完全一致，避免由于樁腿升降差異導(dǎo)致石油鉆井平臺出現(xiàn)失衡安全隱患。因此，在完成上述設(shè)計(jì)后，得到如下實(shí)驗(yàn)結(jié)論：本文設(shè)計(jì)的基于PLC的石油鉆井平臺升降控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的效果良好，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)前端發(fā)出指令的精準(zhǔn)控制，通過此種方式，發(fā)揮鉆井平臺在石油開采工程中更高的效能與價(jià)值。

6 結(jié)語

現(xiàn)階段，PLC技術(shù)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)的核心技術(shù)，為深化PLC技術(shù)在工程領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，本文在此次研究中，通過建立鉆井平臺控制目標(biāo)函數(shù)、石油鉆井平臺升降集中控制與驅(qū)動(dòng)保護(hù)，完成了基于PLC的石油鉆井平臺升降控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)對該系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用效果的測試，以某地區(qū)大型石油鉆井工程項(xiàng)目為例，設(shè)計(jì)對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)前端發(fā)出指令的精準(zhǔn)控制。

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（編輯 李春燕）

Design of lifting control system of oil drilling platform based on PLC

Wang? Heng1， Zhang? Yunfei2， Jia? Yuanjie1， Yue? Mingming1， Yan? Hengyu1

（1.Aerospace Shentuo （Beijing） Technology Co.， Ltd.， Beijing 100176， China;

2.CNPC Bohai Drilling and Directional Well Company， Tianjin 300280， China）

Abstract：? In order to realize the precise control of the lifting stroke of the drilling platform， the lifting control system of the oil drilling platform based on PLC is designed. PLC controller as the core of system development， design system architecture; The control process of the drilling platform is regarded as an inertial operation， and the control command is issued at the upper end， which realizes the establishment of the control objective function of the drilling platform based on PLC. According to the integrated deployment requirements of the design end， the error condition and instruction determination program are added to the software function module to design the centralized control and drive protection of the oil drilling platform. The experimental results show that the system can realize the precise control of the instruction in front of the system.

Key words： PLC; objective function; drive protection; system design; lift control; oil drilling platforms