CompackLogix在钻井泥浆监控系统中的应用

杜 昆 王学全 张帝强 江 川

（1中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，北京 100010;2深圳市行健自动化系统有限公司，广东 深圳 518000；3二重集团（德阳）重型装备股份有限公司，四川 德阳 618000）

随着科技的不断发展，PLC系统的应用也日益普遍，罗克韦尔公司的PLC系统在工业控制中表现尤为出色。本文就结合罗克韦尔公司的CompackLogix系列PLC来介绍PLC在钻井泥浆监控系统的应用。钻井泥浆监控系统是在石油钻井作业过程中用于实现对钻井液实现实时监控的安全装置系统。现场工程师通过泥浆监控系统可以及时准确地了解到泥浆泵的运转情况、泥浆池的液位与井下液体返回情况，并由此判断井下情况。而泥浆监控系统在动态显示上述参数的同时，还可根据设定自动预警钻修井过程中可能发生的井漏、井涌等危险征兆，避免事故发生，达到井场工作人员和设备的安全，从而实现安全生产、高效生产之目的。

1 系统组成概述

系统硬件主要由个人计算机、人机界面(HMI)、PLC、现场传感器及报警器三部分组成，结构如图1所示。

图1 泥浆监控系统结构图

1.1 个人计算机

个人计算机选用惠普 Pavilion S5211CN，2G内存，320G硬盘，20寸彩色显示器，可清晰地显示各种图形与文字。为提高系统电源可靠性，系统可采用UPS为上位机供电，保证报表数据记录完整。个人计算机基于罗克韦尔公司的RSVIEW32的上位软件对系统进行控制。RSVIEW32通过EtherNet/IP网络与PLC的进行无缝连接，可实现现场控制人员对系统的各个基础数据和报警参数进行设置，系统数据的动态监控。

1.2 人机界面(HMI)

人机界面选用AB公司的PANEL VIEW PLUS 1000。人机界面通过EtherNet/IP网络与PLC的通信，可实现现场控制人员对系统的各个基础数据和报警参数进行设置。同时利用FactoryTalk View SE动态监控软件实现对系统数据的动态监控。

1.3 PLC

由于该系统需要：9个模拟量输入（7个液位信号、1个回流流量信号、1个入井管线压力信号、）；3个开关量输入（3个泥浆泵泵冲信号为接近开关信号）；2个开关信号输出（主要用于报警：管线压力高、井漏、井涌）。故选择了罗克韦尔的中小型CompactLogix 1769系列PLC来进行控制。CompactLogix 1769系列PLC为紧凑型多功能控制器，它集Logix多功能控制引擎、NetLinx网络透明集成、1769CompactI/O于一体，同时取代传统PLC和多回路控制器，实现了真正意义上的从机器控制到过程控制的一体化控制系统，极大的方便了现场应用。Logix多功能控制引擎：带浮点型处理器的32位多任务（事件任务、连续任务和周期任务）实时控制内核，在高速逻辑运算以及复杂回路控制（0.08ms/K典型混合程序）等方面表现同样出色。另外它还满足IEC61131-3标准、符合不同应用要求、不同用户习惯的多种编程方式可选：梯形图LD、功能块图FBD、顺控表SFC以及语句表ST。软件开发包的价格也相对便宜，更方便地开发、阅读和修改程序：无需分配/记忆内存地址（常规PLC必须的步骤），用户可直接使用或自定义反映控制对象/元件属性的“标签（Tag）”（支持数组和结构体方式）进行编程。系统硬件和型号和数量如表1所示。

表1 系统硬件和型号

1.4 现场传感器及报警器

1.4.1 现场传感器主要由泥浆泵冲传感器、入井管线压力传感器、泥浆流量传感器、泥浆液位传感器组成，主要完成对于系统状态参数的收集工作。

泥浆泵冲传感器选用欧姆龙E2EX10D1S-M1型接近开关，该开关感应距离10MM,平均响应频率0.4 kHz，满足现场要求。

入井管线压力传感器采用TP705防爆型压力传感器。TP705防爆型压力传感器采用隔离型膜片，一体化结构，传感器尾部采用螺纹连接，方便与系统的其它设备连接成一体，适用于有防爆要求的压力测量与控制。 其量程为 -100KPa～100KPa～200MPa；输出信号 4～20mA、0～5V、1～5V、0～10V 可选；密封等级为 IP65；在机械振动频率20Hz～1000Hz内，输出变化小于0.1%FS满足现场要求。

泥浆液位传感器选用西门子The Probe一体化超声波液位计。The Probe特有的专利“声智能”技术能有效可靠地处理回波。滤波器用来识别来自液面的真实回波及由声电噪音和运动中的搅拌器叶片产生的虚假回波。脉冲传播到被测物并返回的时间经温度补偿后被转换成距离，用于显示、mA输出及继电器的动作。

泥浆流量传感器选用WRFLZ-2900型智能电磁流量计。其流速范围为0.3～10m/s；信号输出方式可选电压输出1～5V或电流输出4-20mA；测量精度0.5%FS 1.0%FS；防护灯具可达IP68满足现场要求。

1.4.2 现场报警器主要完成对于系统状态输出进行响应，输出响应的报警信号。

本系统选用可莱特TLESA-WS防爆信号灯，该灯集灯泡反射镜转亮型警示灯和扬声器组合为一体，大大提高了警示效果。同时，该灯防护等级达到ExdⅡCT6,IP66要求；一米内音量 大于110dB；并具有DC12/24V、AC110/220V四种电压可供选择。

2 系统主要功能

2.1 数据采集和处理功能

系统通过对泥浆泵泵冲信号、各泥浆池液位信号、管线压力信号、泥浆流量信号的实时测量，计算出各池储液量、总储液量、总液量变化量、管线压力、回流流量等数据，并将上述数据发送给上位机。

2.2 显示与报警功能

（1）显示功能：系统利用以太网通过PANEL VIEW PLUS 1000与个人电脑显示器均可实现对各泥浆池液位与液量、总储液量、管线压力、回流流量等数据的动态显示。(2)报警功能：现场实时数据经PLC系统进行计算，当实时入井泥浆流量与反刍泥浆流量的差值超过设定值时，系统将通过多种方式同时进行报警。在个人电脑与PANEL VIEW PLUS 1000都将同时进行井涌、井漏异常显示和报警的同时，PLC还会产生一个输出给现场声光报警器，提醒操作者注意并及时校对泥浆罐储液量，确认现场情况并采取相应的井控措施。（3）另外本系统还可根据现场要求动态显示泥浆总量变化曲线。

2.3 数据存储功能及设定功能

该系统可将采集的数据传送到计算机数据库进行存储，以便进行相应的数据分析处理。同时通过个人电脑和PANEL VIEW PLUS 1000均可方便的设定各个泥浆池的基本参数与系统报警信息。

3 系统的软件设计

系统软件主要分为PLC控制程序、上位机软件、PANEL VIEW PLUS 1000应用程序三大部分。

3.1 PLC控制程序

3.2 PLC控制程序采用罗克韦尔RSLogix 5000系列编程软件进行编写。RSLogix 5000系列编程软件被设计用来与罗克韦尔自动化Logix平台协同工作。RSLogix 5000兼容IEC 61131-3标准，提供梯形图逻辑、结构化文本、功能块图、顺序功能表编辑器等方式来开发应用程序，极大的方便了程序的开发。RSLogix 5000同时还包括支持运动控制的轴配置和编程。本设计主要利用RSLogix 5000系列编程软件来实现对于程序的设计、修改与显示等任务。在本设计中，我们根据实际的硬件配置，先在Rslogix 5000中进行硬件组态。在创建一个Compact－Logix工程时，编程软件会自动创建本地CompactBus。在Controller Organizer(控制器项目管理器)，中选择 CompactBus并点击 Properties(属性)后，即可指定框架大小，及用户模块（不包括电源模块）的数量。本系统硬件组态结果如图2所示。在组态完毕后，我们按照系统控制要求在主程序中编写用户程序，经模拟调试合格后再下载到PLC进行实际调试，完成对相应的控制功能的测试。

3.3 上位机软件

图2 系统硬件组态图

图3 钻井泥浆监控系统工艺流程图

上位机主要采用罗克韦尔绑定的RSVIEW32软件。该软件将Windows程序的现代体系结构和使用方便的图形设计结合在一起，提供了可视化、友好的控制界面，方便地实现了HMI（人机界面）的功能。上位机主要通过RSLINX OPC和PLC进行通信。

3.4 PANEL VIEW PLUS 1000应用程序

PANEL VIEW PLUS 1000主要采用FactoryTalk View SE监控软件与PLC和电脑进行动态数据交换。FactoryTalk View SE是一个集成软件包，用于开发和运行可能涉及在整个网络内分布的多个用户和服务器的人机界面（HMI）应用程序。作为FactoryTalk View系列产品的一员，FactoryTalk View SE提供了创建强大、可靠过程监视和控制应用程序需要的所有工具。利用该工具，我们开发了系统工艺流程图（如图3所示）。

4 结束语

该系统利用CompackLogix系列PLC实现了对钻井泥浆监控系统的动态监控与显示、报警功能，操作人员可通过显示面板实现现场设备的运行状况的可视化操作。

由于PLC具有强大的扩展功能使得该系统可通过以太网与其他上位机实现数据交换，实现组网与异地监控功能。同时由于罗克韦尔系列PLC的广泛应用，使整个系统的维护成本与传统的控制系统相比大大降低。同时由于采用了PLC控制，使得系统的扩展功能在设备更新改造时变得更加容易。由此看来PLC控制将是钻井泥浆监控系统未来发展的一大趋势。

[1]薛迎成.罗克韦尔PLC技术基础及应用[M].北京：中国电力出版社，2009.

[2]薛迎成.PLC与触摸屏控制技术[M].北京：中国电力出版社,2008.

[3].1769-L35E CompactLogix系统用户手册[C].上海：罗克韦尔国际集团，2004.