石油钻机泥浆泵试验装置控制系统

郑连亮，张思龙，郝洪亮

（渤海石油装备制造有限公司辽河钻采装备分公司，辽宁盘锦 124010）

0 引言

泥浆泵是石油钻采装备中的重要设备之一，具有负荷大、连续运转时间长的特点。泥浆泵在装配过程中通常会出现密封件安装不良、机械安装间隙过小过紧、运转时出现异响等问题，这些问题会导致泥浆泵在使用过程中出现密封件刺漏、机械连接处发热甚至泥浆泵停转，严重影响钻井队的施工进度，同时造成巨大的经济损失。泥浆泵试验装置是检验泥浆泵的装配是否符合出厂标准的设备，通过试验装置可以在生产车间内及时发现类似问题并处理，提高泥浆泵的出厂合格率。

泥浆泵试验装置通过交流变频调速器驱动交流变频电机带动泥浆泵运转，按照系统的控制要求和工艺流程，采用西门子公司的PLC 作为核心控制器，通过硬件电路和软件程序，实现电气参数和试验数据的采集、分析、报警，最终对相关记录数据自动存档。

1 设计要求

泥浆泵试验装置能够满足800 HP、1300 HP、1600 HP 系列泥浆泵满功率试验，机械传动部分采用单级、单速传动机构，主电机使用600 V、1200 kW 三相交流变频电机，实现泥浆泵泵冲0～120 冲可调节功能。控制系统通过对输出管线上节流阀的开/合大小调节实现泥浆泵泵压的控制。试验装置需要采集的参数有：泵冲、泵压、输入转速、输入功率、输出排量、主电机电流环境温度、轴承温度等，同时具有实时监控、记录和打印等功能。

2 设计原理

泥浆泵试验装置是一个典型的电驱传动结构，机械传动部分由交流变频电机、联轴器、减速机、泥浆泵、输入/输出管线、节流阀、泄压阀、安全阀、水罐组成。电气传动部分由网电侧箱式变压器、断路器柜、主电机整流柜、主电机逆变柜、PLC 控制器、触摸屏、工控机和节流阀控制变频器等组成。其特点为运行稳定，结构简单，安全系数高，占地面积小，泥浆泵上/下试验装置时安装方便。

根据试验装置的传动方式确定相应的试验流程，试验流程如图1 所示。首先在触摸屏工控机的操作界面发出起动泥浆泵指令，高压网电侧变压器提供的工频交流600 V 电源经过变频器整流再逆变后，形成频率可调节电源并作用到泥浆泵主电机上，动力通过减速箱及联轴器作用到泥浆泵上，使泥浆泵能够达到需要的泵冲。然后在触摸屏工控机的操作界面上设定试验需要的泵压，如5 MPa，控制系统通过压力传感器反馈值与设定值作比较，闭环控制，经过PID 调整实际泵压值，使泵压稳定在5 MPa。试验过程中可根据需要在安全范围内通过工控机设定任意泵压，直到达到试验目的。试验过程中若泵压超出试验范围，控制系统会自动控制泄压阀泄压，同时停止泥浆泵电机运转达到保护目的。试验时以水代替泥浆进行运转试验。

图1 试验流程

3 驱动系统设计

驱动系统变频器采用西门子S120 系列产品，由1 套1600 A进线单元、1 套1500 kW 整流单元和1 套1200 kW 逆变单元组成，各单元为模块化结构，出现故障时可快速进行更换。变频器主控制器为CU320-2 PN，软件和参数保存在可插拔的储存卡上，设备上的选件槽可以提供更多端子或用于转接上级控制器的不同通信接口，控制单元与相关组件（电机模块、电源模块、编码器模块、端子模块等）间的通信通过系统内部的DRIVE-CLiQ接口进行。整流单元和逆变单元柜门上分别安装AOP30 操作键盘，可以在变频器本地进行参数设定和设备调试，同时可以显示运行状态数据、诊断故障和报警功能。变频器控制方式集V/F 控制、矢量控制和伺服控制为一体，系统采用矢量控制方式。S120 变频器的调试软件为Starter，Starter 具备可视化界面，调试过程快速而简单，内部嵌套故障分析和图形化工具，综合检测和诊断功能强大。电源由整流单元将交流母排上的600 V 交流电转换成810 V 直流电，输出到直流母排上，再由逆变单元将直流母排上的810 V 直流电转换成电压0～600 V、频率0～150 Hz 连续可调的交流电，泥浆泵交流变频电机采用一对一控制方式。

4 控制系统硬件结构

控制系统使用西门子S7-1500 系列PLC 模块，硬件稳定性好，功能强大，性价比高，可以在环境恶劣的工况下长时间稳定工作，采用双PLC 冷备冗余方案，当1 路PLC 出现故障时可以手动切换到备用PLC，保证整个试验过程的连续性。每套控制系统包括1 个CPU1511-1PN、1 个16DI/16DO 数字量输入输出模块和2 个8AI 模拟量输入模块。PLC 主站通过PROFINET 总线网络连接泥浆泵变频器、节流阀变频器、溢流阀变频器和HMI 设备。泥浆泵主电机散热风机、主电机风压保护、主电机检修开关、泥浆泵喷淋泵等辅助控制回路在控制柜内使用继电器、接触器等电气元件搭建。控制系统硬件架构如图2 所示。

图2 控制系统硬件架构

5 控制系统软件设计

泥浆泵试验装置控制系统软件主要由主站PLC 和触摸屏部分组成，两部分程序均是采用西门子TIA Portal 软件编写和组态。基于硬件平台并根据试车装置工艺流程编写软件程序。软件程序主要由主程序、子程序、逻辑功能块、故障诊断程序和通信程序等组成。主程序主要负责对各子程序、逻辑功能块的调用和对系统参数的初始化，子程序用来完成对各数字量和模拟量信号进行处理，例如主电机风机启动、主电机转速调节、压力检测、温度检测等，从而实现系统的恒泵压控制，达到泥浆泵试车的目的。通信程序用来完成PLC 和触摸屏之间、PLC 和变频器之间的通信功能。PLC 通信硬件组态如图3 所示。

图3 PLC 通信组态

泥浆泵详细控制方法如下：

（1）启动前，PLC 判断泥浆泵是否有使能信号，没有使能信号的泥浆泵为待启动设备。

（2）PLC 判断泥浆泵是否有泵冲信号，没有泵冲信号的泥浆泵为待启动设备。

（3）经过步骤1 和步骤2 检测，若有使能信号或泵冲信号，需要将使能信号和泵冲信号清零后，使泥浆泵主电机处于零速状态，泥浆泵处于静止状态。

（4）通过触摸屏按键发送泥浆泵主电机散热风机、喷淋泵、注油泵启动信号，通过马达控制中心抽出式开关柜，控制泥浆泵主电机散热风机、喷淋泵、注油泵电机运行。

（5）泥浆泵主电机散热风机运行后，在泥浆泵主电机接线箱内建立风压。

（6）安装在主电机接线箱内的风压开关通过检测建立的风压大于外部标准大气压，进一步确认风压已经建立，并将反馈信号发送给PLC。

（7）PLC 接收到反馈信号后，判断泥浆泵主电机检修开关是否处于关闭状态，判断泥浆泵急停按钮是否处于关闭状态，当全部条件满足后，PLC 给泥浆泵变频器发送使能信号，泥浆泵变频器接收到使能信号后处于使能状态。

（8）通过触摸屏按键给PLC 发送泥浆泵泵冲指令，PLC 经过换算处理后将泵冲指令转换成电机转速指令发送给变频器，变频器接收到指令后驱动泥浆泵主电机转动。

（9）试验人员可根据实际需要调节泥浆泵泵冲。

（10）试验人员在触摸屏上设定需要的泵压值，将泵压值发送到PLC。

（11）PLC 接收到指令后自动调节节流阀变频器，控制节流阀开启大小，调整管路压力，并通过管路上安装的压力传感器将反馈信号传输至PLC，实现闭环控制。

（12）泵压稳定后，测试试验正式开始，需记录试压开始时间。

（13）泥浆泵本体安装的各温度传感器和压力传感器将数据传输至PLC，PLC 经过数据转换后形成记录表和曲线图供试验人员读取，并定期存档相关数据。

（14）试验过程中若温度传感器检测到轴承温度达到一定预先设定值，控制系统发出报警，提醒试验人员，若轴承温度过高，达到停机设定值，控制系统会使泥浆泵停止运行，提前结束试验，防止造成设备损坏。

（15）试验完成后或试验过程中泥浆泵泵压若出现异常升高，超过PLC 预设定的警告值，PLC 将通过溢流阀变频器控制溢流阀打开泄压，直至压力降至符合试验要求，可继续试验或重新开始试验。

6 现场试验

为验证泥浆泵试验装置工作的可靠性，对泥浆泵试验装置进行现场试验。在厂房一侧搭建试车平台及周边防护设施，设备的机械部分安装到位，同时电控系统安装调试完毕后，进入泥浆泵试车台试验阶段。为满足试车装置主电机交流600 V 电压要求，在380 V 市电基础上增加380 V/600 V 1600 kV·A 三相升压变压器，每相采用2 根270 mm2电缆为电控系统提供进线电源，变频器出线每相采用2 根270 mm2带屏蔽层电缆。正式试验开始前，先进行设备试运转，分别调节泥浆泵泵冲为30 冲和60冲，不带压力，运行15 min，调节节流阀，使压力缓缓提升，运行15 min，打开溢流阀，释放掉泵压，待控制系统各功能均能满足要求时，正式进行试验。按照试验流程，试验共计进行3 h，部分试验数据曲线如图4 所示。

图4 部分试验数据曲线

通过现场试验数据曲线可以看出，轴承温度在正常工作范围内。同时试车过程中泥浆泵未出现刺漏现象，从而验证了试车装置能够对泥浆泵的机械性能进行有效验证。

7 结束语

通过分析泥浆泵试验装置的试验流程，按照试验流程要求搭建一套由西门子S120 系列变频器和西门子S7-1500 系列PLC 硬件组成的控制系统，控制系统采用TIA Portal 软件进行PLC 程序和HMI 人机界面的编写，通过软件程序实现泥浆泵启/停控制、泵冲控制、泵压控制以及节流阀和溢流阀的自动控制，使泥浆泵在保持一定泵压（模拟载荷）的工况下，经过试验流程，最终检测泥浆泵装配是否符合出厂的要求，通过现场试验验证整套控制系统的可行性。