设计了以PLC为控制核心的下钻作业安全监控系统，简介了该系统的工作原理，硬件设计和软件设计。
给出了试验原理、建立了下钻作业数学仿真模型以及在正常和非正常状况下的仿真试验速度曲线分析，试验结果表明该监控系统设计合理，符合设计要求。
石油矿场钻井作业包括下钻、钻进和起钻。
下钻是将由钻头、钻铤、方钻杆组成的钻杆柱下入井中，使钻头接触井底，准备钻进。
其中，传统下钻过程的安全作业完全凭借司钻的个人经验来保证。
由于钻井作业劳动强度大且频繁作业，司钻在这种长时间的、高强度的劳动中易产生疲劳，从而导致各种各样的钻井事故的发生，给国家造成巨大的经济损失。
本文就介绍了一种适合于钻井下钻作业过程的安全监控系统，该系统可以对钻柱的下钻速度和位移进行动态监控与实时显示。
1 系统工作原理图1 系统硬件组成框图该安全监控系统的硬件结构框图如图1所示。
监控系统要分别对悬重信号、滚筒转速和盘式刹车副的正压力信号进行监控。
悬重信号由装在死绳上的悬重变送器送给PLC，滚筒转速可以由连接在光电编码器测量，盘式刹车副的正压力信号由压力传感器测量。
因为PLC仅能接收和处理数字信号，而在实际工业过程控制往往是模拟量信号，如速度、压力、重量等，若将这些信号送给可编程序控制器处理，必须先经过A/D转换成数字信号。
同样，如果用PLC控制、调节被控对象的温度、压力等，必须先将PLC输出的数字信号转换成模拟信号，才能控制、调节各类电动或气动执行机构。
在下钻过程的任一时刻，钻柱都具有一定的速度和位移，PLC通过对测得的钻柱重量、滚筒转速等模拟信号进行处理后，可以计算出实际的钻柱重量、下钻速度和下钻距离（或称刹程）。
这些参数与系统设定的报警值进行实时比较，当某一项状态参数达到或超出规定的报警值时，系统发出报警声，同时安全监控系统根据实际情况进行自动刹车或点刹【1】【2】。
2 控制系统设计2.1 硬件设计本系统为一小型集中控制系统，经过对系统的了解和估计，我们可选择选择了性能价格比较高的模块块的施奈德公司的SR37－22系列的可编程控制器，通过其配套的操作软件可以在Windows系列的操作系统下进行编写PLC控制程序。
在确定了控制对象的控制要求和选择好PLC的机型后, 其具体的配置如下：1个标准尺寸的模块TSX DMZ 28DTK；包括28个输入/输出点：1624VDC输入和1224VDC/0.5A晶体管输出，在第一、二位置。
2个半尺寸输出模块TSX DSZ 04T22 和DSZ 08T2；其中模块 DSZ 08T2在第三位置，其输出点数为824VDC/0.5A晶体管输出；模块TSX DSZ 04T22在第四位置，其输出点数为424VDC/0.5A晶体管输出，其具体的I/O点设置这里就不再详述【3】。
2.2软件设计根据系统控制要求，监控系统的软件采用模块化和结构化的设计方法，主要由系统初始化、显示、数据采集程序、故障自诊断与处理、报警模块等组成，限于篇幅，这里只给出系统的软件框图：图2 系统软件框图3 试验3.1 试验原理由于实验室条件限制，无法实现现场下钻工况模拟，因而实际下钻速度和下钻距离的测量无法在实验室实现，并且不能安装悬重变送器，为此采用数学—物理混合仿真来做试验，即将下钻作业中钻柱的运动规律用数学方程描述，放在计算机上用Matlab软件进行仿真，而另一部分如PLC、液压系统等直接采用实物，然后将它们联接成系统进行试验，试验系统的试验原理如下：油压变送器将盘式刹车副的正压力传送至A/D采集板的输入端，转换后的数据将送至计算机；计算机仿真程序根据采集到的盘刹正压力信号进行运算，得到两个需进行D/A转换的数据：一是绞车滚筒的角速度，转换后得到的电压信号驱动步进电机的运转由于步进电机与光电编码器同轴相连，从而产生与角速度一致的脉冲信号，将光电编码器与PLC的记数器通道相连；二是钻柱的质量，因为计算机中仿真了一个悬重变送器，所以将钻柱质量经D/A采集板转换后直接接到给PLC模拟通道。
3.2 下钻作业数学模型的建立及仿真（略）一个连续系统的数学模型可以用微分方程、传递函数和状态空间表达式等形式表示，在本论文中采用微分方程这种形式。
在下钻过程中，钻井绞车盘式刹车的刹车钳安装在支座上固定不动，刹车盘安装在绞车轴上，并随绞车轴一起转动，因此分析下钻过程中钻柱的运动规律，就是分析滚筒轴旋转角速度随时间的变化规律【5】，示意图见图3。
图3下钻过程示意图3.3试验方案试验方案确定为如下：试验开始时，将仿真程序中的电磁涡流刹车的励磁电流设定为一固定数值，这相当于实际现场操作中司钻将位于司钻台上的涡流刹车选择开关手柄板制至某一位置上(选择开关共有几个挡位，不同的挡位对应一定范围的钻杆柱质量)。
本试验着重讨论下钻过程的不正常工况，来验证安全监控系统是否起作用。
即：当下钻运动速度超过许用速度时来验证安全监控系统是否进行点刹；已经达到安全刹程时而不刹车来验证安全监控系统是否进行安全刹车。
根据记录下钻过程的下钻速度—下钻时间（v—t）的数据文件，利用Matlab软件对该数据文件进行图形绘制，即可得到下钻过程中的仿真速度—时间曲线。
4试验结果分析整个下钻过程可分为正常状况和不正常状况两种，下述试验以钻柱质量为80吨，励磁电流为15安为例。
一、 正常状况，即：整个下钻在司钻的正常操作下完成，速度未超过许用速度，而且正常刹车。
此时安全监控系统不起作用。
见图4。
图4 正常状况下下钻试验速度曲线二、不正常状况又有几种情况：1） 减速段，司钻刹车力度不够，见图5图5 司钻刹车力度不够时的下钻试验速度曲线2）减速段，司钻忘记刹车，见图6图6 司钻忘记刹车时下钻试验速度曲线3)电磁涡流刹车励磁电流太小时的情况图7电磁涡流刹车励磁电流太小时下钻试验速度曲线5. 总结本文采用PLC为核心的设计了下钻作业的安全监控系统，并采用试验来进行验证。
试验结果表明该系统软硬件组成符合设计要求，系统具有较高的可靠性，目前该系统已经成功地应用在ZJ－50钻机上。
（摘编自《电气技术》，原文标题为“下钻作业安全监控系统的设计”，作者为董淑冷、王春光等。
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