液压防喷系统研制.pdf

2 0 1 2年 1月 第4 O卷 第 2期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUL I CS J a n ．2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 2 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 0 2 ． 0 1 5 液压防喷系统研制 李满天 ，张晓光 ，贾光政 1 ．大庆油田热电厂 ，黑龙江大庆 1 6 3 3 1 4； 2 ．东北石油大学，黑龙江大庆 1 6 3 3 1 8 摘要介绍了液压控制防喷系统的组成、液压原理和控制流程，采用 7 - 2 0 0型 P L C及模拟量输入模块进行控制和数据 采集，可以实现防喷系统工艺流程的自动控制。 关键词 液压控制；防喷系统 ； P L C控制 中图分类号T H 1 3 7 文献标识码 B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 2一 o 4 2 2 ． De v e l o p me n t o f Hy d r a u l i c B0P S y s t e m L I Ma n t i a n ，Z HANG Xi a o g u a n g ，J I A G u a n g z h e n g 1 ． D a q i n g O i l F i e l d T h e r ma l P o w e r P l a n t ，D a q i n g H e i l o n g j i a n g 1 6 3 3 1 4 ，C h i n a ； 2 ． N o r t h e a s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y ， D a q i n g He i l o n g j i a n g 1 6 3 3 1 8 ，C h i n a A b s t r a c t T h e c o n s t r u c t i o n ， w o r k i n g p r i n c i p l e ， c o n t r o l p r o g r a m o f h y d r a u l i c b l o w o u t p r e v e n t e r B O P s y s t e m w e r e i n t r o d u c e d ． T h e P L C c o n t rol a n d d a t a a c q u i s i t i o n me t h o d i n t h e h y d r a u l i c B OP s y s t e m w e r e i l l u s t r a t e d ． A u t o ma t i c c o n t r o l o f t h e o p e r a t i o n p r o gram i n t h e s y s t e m i s i mp l e me n t e d． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c c o n t r o l ；B l o wo u t p r e v e n t e r s y s t e m；P L C c o n t rol 液压控制防喷系统是油井带压作业的重要组成部 分，井口防喷系统的建立 ，有效地防止了井喷事故的 发生 。国内外带压作业技术发 展状况 已经表 明，应用 液压驱动和先进控制技术的防喷系统是未来该领域研 究的主要发展方向 。基于以上两个方面，该防喷系 统的研制着重于液压回路的设计和控制方案的选择， 从而使修井工作变得更加安全、高效。 1 液压 防喷系统组成 液压 防喷系统组成 如图 1 所示 。 厘 液压动 力系统 ＼ ＼ 、＼ ＼ ＼＼ 、 、＼ ＼ ＼ ＼ 图 1 液压防喷系统组成 该 系统主要包括 上 、下 闸板 防喷器 ，接箍探测 器 ，扶正装置，平衡短节 ，平衡阀，卸荷阀，液压动 力 系统 ，电磁 换 向 阀组 ，压力 检 测 元 件 ， 7 - 2 0 0型 P L C以及扩展模块等。 2防喷系统液压原理 防喷系统液压部分主要由液压泵站 、电磁换向阀 和执行机构组成 ，液压原理如 图 2所示 。 图2 防喷系统液压原理图 收稿 日期 2 0 1 0 1 2 2 5 作者简介李满 天 1 9 7 9 一 ，男，工学硕士，助理工程师，主要从事机械 自动控制方面工作。Em a i l l m t h r 2 0 0 0 1 63． c o m。 第2期 李满天 等 液压防喷系统研制 双点 划线框 1内表 示 电磁换 向 阀控 制 液 压缸 驱 动的油管扶正装置和接箍探测装置。左侧为油管扶 正装置控制单元 ，主要作用是控制油管扶正装置的 打开和关闭，在扶正装置处于关闭状态时，使两侧 扶手扶正油 管，避免油 管在升落 的过程 中发生倾 斜 。右侧为接箍探测装置控制单元，主要作用是控 制接箍探测器的打开和关闭 ，避免非工作状态下受 到高压流体破坏。 双点划线框2内表示电磁换向阀控制液压缸驱动 的闸板防喷器柔性密封装置。左侧为上闸板防喷器柔 性密封控制单元，主要作用是控制上防喷器密封胶芯 关 闭时与密封管柱之 间组成柔性 密封 副 ，打开时能够 保证管柱接箍通过，不损伤密封胶芯。右侧为下闸板 防喷器柔性密封控制单元，主要作用是控制下防喷器 密封胶芯 的打开和关闭 ；并与上 防喷器密封胶芯相互 配合，实现倒换开、关，在保证管柱密封的条件下 ， 使管柱接箍顺利通过。 双点划线框 3内表示 电磁先导液压控制的压力调 节开关控制阀。左侧为卸压平衡控制元件，作用是将 密封腔内的高压流体通过缓冲作用降低为大气压力 ， 使上闸板防喷器的密封胶芯上、下端所受流体作用力 相平衡，从而保证上闸板防喷器密封胶芯平稳打开。 右侧为高压平衡控制元件，作用是将井中的高压流体 通过缓冲作用引入密封腔，使下闸板防喷器的密封胶 芯上、下端所受流体作用力相平衡 ，从而保证下闸板 防喷器密封胶芯平稳打 开。这两个控 制阀都 是通过电 磁先导控制、液压驱动主阀芯的开关来实现对井中高 压流体的通断和缓冲控制 。 3 防喷系统控制流程 研制防喷系统的主要 目的是在不压井不放喷作业 过程 中，在井 口有压力 的情况下 ， 完成安全起 下管柱 的作业。根据作业现场的实际工况，本着操作简便、 运行安全 的原 则 ，设 计 出 了手动 和 自动 两种 控 制方 式 ，可根据实际情况进行切换 。P L C中的控制电路 是由软件编程实现，因此具有在线修改能力 ，而且功 能易于扩展，是一种柔性的控制系统。根据防喷系统 液压控制部分的工作特点以及现场的工作条件，采用 P L C作为控制器最为合适。该系统采用德国西门子公 司的 7 - 2 0 0系列 中的 C P U 2 2 4和 E M 2 3 1 模拟量输入 模块作为液压控制系统的控制和数据采集设备。自动 控制工作过程如图3中 a 、 b 所示 ，控制设备 端口分配如图4所示。 系统 自动落管控制流程图 图3 防喷系统控制流程图 手动下闸板开 手动 下 闸板 关 手动 卸荷 阀开 手动平衡 阀开 探 测 器开 关 S 探测器开关 s 4 3 图4 P L C及扩展模块端口分配图 具体的控制流程描述如下 液压防喷系统默认控制方式为手动控制。当需要 实现 自动控制时，首先根据工作类别设置防喷系统各 部分的初始状态。当进行油管起升操作时，上闸板置 于关闭状态，下闸板置于打开状态；当进行油管下落 操作时，下闸板置于关闭状态 ，上闸板置于打开状 态；无论哪种操作，卸荷阀和平衡阀的初始状态都为 下转第4 6页 延时h压力为零 卸 压 平衡 阀打 开 斗 延时 下闸板 防 喷器 关 油 管 停止上 行 发信号 上闸板防喷器开 油管 上 行 接箍碰到探测器一 一油管停止上行 自 动起管 启 动 自 动起 管初 状态 一 上闸板防喷器关 卜延 时 弘 一 高压平衡阀打开 压力 平衡 卜 延时 一 下闸板防喷器开 延时“压力平衡 高压平衡阀打五 一 下闸板防喷器开 图一 H 程 工 闸板防喷器关 流 ● J1 制 ． 一 控 一 油管停止下行 管 厂 ● J 1 ● 发信号 圈 统 ] 计 防 ● 1 ● ● ] ● ● L ● ● 一 自 动 藩 营 启 动 下闸板防喷器关一喷 ●● 卸压平衡阁打巫 1 I 压力为零 卜延踺 自动落管初状查 工 闸板防喷嚣开 I M l M 1 0 ． 0 l L 1 0 ． 1 QO ． 0 1 0 ．2 QO ． 1 1 0 3 QO ． 2 1 0 -4 QO ． 3 1 0 ．5 Q0 ． 4 1 0 -6 2 M I O -7 2 L 2 M QO ． 5 U． 0 QO ． 6 U． 1 QO ． 7 I 1 ． 2 Q1 ． 0 U 3 ， 4 I 1 ． 4 I CPU I 1 ． 5 z 4 _ M M L L M RA L A A。 l’ -’J ‘ R } l B B． 止动动升落开关 停启启提下板板 裁制管管管管闸闸 厍控起落油油上上 动 动动动动动动 动 自 自自 白手手手 手 4 6 机床与液压 第4 0卷 2 ． 2 ． 2工控机和 P L C的串行通信 实现上位机和 P L C的通信有两种方法 一种是 上位机可 以用专用的组态软件实现与 P L C的通信， 另外一种是用 V B或 V C自己写监控界面以达到与 P L C通信。文中采用 V B 6 ． 0编写界面实现与 P L C的 通信。V B 6 ． 0提供 了串行端 口通信控件 MS C o m m， 该控件是 V B中用于串口发送和接收数据的 A c t i v e X 控件 ，利用它可以方便地访问串口。 M S C o m m控件提供了事件驱动和查询两种处理通 信的方法 ，其中事件驱动方法通过设置 C o m m E v e n t 、 R t h r e s h o l d等属性实现对 M S C o m m控件的 O n C o m m事 件驱动 ；查询方法则通常通过 O u t P u t 属性直接写输 出缓冲区，且通过 I n P u t 属性直接读输 入缓 冲区实 现。由于事件驱动方法程序响应及时、可靠性高，所 以该系统采用事件驱动方法实现工控机与 P L C之间 的串行通信 。M S C o m m控件常用属性如下 C o m m P o r t ，设定通信连接端口代号。程序必须指 定所要使用的串行端 口号 ，Wi n d o w s 系统使用所设定 的通信端 口与外界通信。 S e t t i n g s ，以字符串形式设 置并返 回波特率、奇 偶校验位 、数据位和停止位。 P o r t O p e n ，设定通信 口状态。 I n p u t ，字符写入输入缓冲区里。 O u t p u t ，字符写入输 出缓 冲区里 。 通信初始化串口程序如下 W i t h MS Co mm 1 ．Co mmP o r t 1 ．S e t t i n g s9 6 0 0， 8， e。 1 ．P o Op e nTr u e En d W i t h 3 结束语 经过实际测试 ，证明文 中所讨论 的基于 V B与 P L C的智能加载液压机控制系统的设计是可行的。初 步试验表明实际生成的液压垫力曲线与用户设定的 曲线拟合度较好，系统具有 比较高的实时性 、可靠 性。在此基础上，需要进一步提高控制系统 的精度 ， 补偿 由于液压系统 和机械 系统 引起 的误 差 。基 于 V B 与 P L C的智能加载液压机控制系统的设计具有实用 意义 。 参考文献 【 1 】 龚仲华 ， 史建成 ， 孙毅． 三菱 F X ／ Q系列 P L C应用技术 [ M] ． 北京 人民邮电出版社， 2 0 0 6 ． 【 2 】 李志峰， 赵志诚 ， 张井岗． 基于 V B和 P L C的液压支架试 验台监控系统[ J ] ． 工矿自动化， 2 0 1 0 3 1 61 9 ． 【 3 】王兴晶． V i s u a l B a s i c 程序设计视频教程 [ M] ． 北京 人 民邮电出版社， 2 0 0 8 ． 【 4 】 范逸之， 陈立元． V i s u a l B a s i c 与 R S - 2 3 2串行通讯控制 [ M] ． 北京 清华大学出版社， 2 0 0 2 ． 上接 第4 3页 断电关闭状态 。然后将控 制 台上 的 “ 自动／ 手动 ”操 作杆切换到自动状态 ，按下 “ 自动起管”或 “自动 下管”控制按钮 即可实现相应工作 的自动控制。当 需要手动控制时 ，先要将“ 自动／ 手动”操作杆切换 到手动状态，然后再进行手动控制操作。 启动起管 自动控制后 ，油管上行，当油管接箍碰 到接箍探测器时，发出检测信号 ，起落机停止升管； 同时下闸板防喷器迅速关闭，延时 3 S 后 ，实现对油 管柱外径的密 封；卸压阀打开，延 时 1 S后 ，卸掉 上、下闸板密封腔内的压力；当传感器采集到的密封 腔压力数据接近零值时，上闸板防喷器打开 ，油管继 续上行。当接箍到达出1 3 时 ，修井人员发出信号，油 管停止上行 ；上闸板防喷器关闭，延时3 S 后 ，高压 平衡阀打开，延时 4 s ，补偿上、下闸板防喷器之间 的压力差 ；传感器检测下 闸板 防喷器的上、下腔压 力，当压力达到平衡后 ，控制下闸板防喷器打开 ，为 下一根油管的起升做好准备。 启动落管自动控制后，油管下行 ，当油管接箍碰 到接箍探测器时 ，发 出检测信号，起落机停止落管； 同时上闸板防喷器迅速关闭，延时3 S 后 ，实现对油 管柱外径 的密封 ；高压平 衡 阀打 开 ，延 时 4 S ，补 偿 上 、下闸板防喷器之间的压力差 ；传感器检测下闸板 防喷器 的上 、下腔压力 ，当压力达 到平衡 后 ，控制下 闸板防喷器打开 ，油管继续下行。当尾部接箍到达入 口时，修井人员发出信号，油管停止下行；下闸板防 喷器关闭，延时3 S后，卸压阀打开 ，延时 1 S后， 卸掉上、下闸板密封腔内的压力 ；当传感器采集到的 密封腔压力数据接近零值时，上闸板防喷器打开 ，为 下一根油管的下落做好准备。 整个起、下管柱工作过程中，上、下闸板防喷器 实现开、关密封，接箍探测器给出接箍通过防喷器时 的控制开、关信号 ，使上、下闸板防喷器之间进行倒 换，保证油管柱始终在密封状态下安全起下。 4结束语 通过液压防喷系统在采油现场的试验应用 ，验证 了系统的柔性密封副装置、油管接箍探测装置和压力 平衡控制装置的性能。结果表明该防喷系统各项性 能稳定 ，操作安全便捷 ，适合推广应用。 参考文献 【 1 】贾光政 ， 王学利， 哈明达 ， 等． 液压控制带压作业试验台 研制[ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 0 7 ， 3 3 6 3 0 3 2 ． 【 2 】 管志光 ， 苗秋华， 林明星． 基于 P L C液压系统参数检测 的研究[ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 0 9 ， 3 0 8 1 6 71 6 8 ．