浅析顶驱接近开关应用及其故障处理

刘建（中国石油川庆川东钻探公司机械厂 重庆 401120）

顶驱装置将自身配备了专门上扣、卸扣的背钳装置和锁紧系统，本文以北石顶驱为例，介绍接近开关在顶驱装置上的应用，同时再理论结合实际说明如何安装及检修接近开关。

一、锁紧系统工作流程

当钻井工况需要拆卸顶驱保护接头和钻具之间的连接或者更换保护接头和上下IBOP时，就会涉及到顶驱上卸扣操作，司钻操作“回转头锁紧”选择开关，将其转到“锁紧位”，回转锁紧指令信号送入PLC程序，根据程序设定，通过液压阀组使回转头进行“微动”，同时锁紧油缸驱动锁紧销(设定压力为4 Mpa)进行插孔动作，当锁紧销进入旋转头锁孔后，接近开关进行检测，2对常开接点闭合，输出“低电位”，PLC接收到锁紧反馈信号后，停止微转，司钻台锁紧指示灯亮起，司钻同时按下“背钳”和“上卸扣”，观察扭矩表指示情况，确认是否卸扣成功，完成后将锁紧开关转至开位。

二、接近开关工作原理

接近开关实际是一个没有与被测物体接触的一个传感器，是种开关型传感器（即无触点开关），当物体接近开关的感应面到动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作。接近开关按种类分为电感式接近开关，电容式接近开关和霍尔开关，北石顶驱现在在用的是电感式接近开关，型号是欧姆龙E2EX3D1-N-Z型号，工作电压12 V-24 V，这种开关的优点：1反应速度快；2非接触检测，避免了对传感器自身和目标物的损坏；3在各种环境中能够稳定检测。电感式接近开关由三部分组成：震荡器，开关电器和放大输出电路，振荡器产生一个交变磁场，当目标物接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致震荡衰弱，以致停震，振荡器震荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式检测目的。

由上述接近开关的原理我们可以得知：当接近开关与被测金属之间的距离小于等于接近开关的最大探测距离时，接近开关接通，输出高电平；反之则关断，输出低电平。锁紧销为上部细、下部粗的圆柱体，当锁紧销处于松开位时，锁紧销较粗的部分正对接近开关，此时两者之间距离小于接近开关的最大探测距离，因此接近开关接通，输出高电平；而当锁紧销处于锁紧位时，锁紧销较细的部分正对接近开关，此时两者之间距离大于接近开关的最大探测距离，因此接近开关关断，输出低电平。接近开关的状态通过控制电缆送到PLC柜内的DI点模块，CPU只要读取外设的状态，就可以准确的知道接近开关的状态。由上述分析我们可以得知：正常情况下，锁紧销的锁紧状态与DI点点的状态存在“逻辑取反”的关系，即锁紧销处于松开时DI点点状态为“1”，锁紧销处于锁紧时DI点点状态为“0”。而在非正常情况下，例如接近开关损坏，或接近开关与锁紧销相对位置发生变化，两者之间状态可能不遵循上述关系。

当两个接近开关采用并联方式接入同一个DI点点时，我们可以用下表来描述系统检测到的锁紧销状态。随着顶驱系统的升级换代，也有部分系统中两个接近开关分别接入两个不同的DI点点，或者系统中只有一个接近开关接入DI点点，我们都可以用下面的办法一一分析，准确的找到故障点并排除。

序号锁紧销实际状态接近开关1状态接近开关2状态DI点点I 14.6状态系统检测状态M59.4状态是否正常

正常正常正常不正常正常不正常不正常不正常12345678松开位松开位松开位松开位锁紧位锁紧位锁紧位锁紧位接通接通关断关断关断关断接通接通接通关断接通关断关断接通关断接通11100111松开松开松开锁紧锁紧松开松开松开

可以看到，有四种状态是处于不正常状态，下面分别对这四种异常状态做分析。

状态4：锁紧销松开而两个接近开关都关断，这种情况有以下几种可能原因：

接近开关的固定位置发生变化，超出了接近开关的最大探测距离。

接近开关的24 V供电电源中断，或者接近开关到DI点模块之间的电缆中断。

接近开关对应的DI点点损坏。

两个接近开关的正负极均反接。

状态6、7、8：锁紧销锁紧而接近开关有通有断，这种情况有以下几种可能原因：

处于接通状态的接近开关其感应端面沾染上铁屑等金属粉末。

接近开关的24 V供电电源与DI点点之间的电缆短路。

接近开关对应的DI点电损坏。

三、接近开关故障处理

应急措施：当遇井下较复杂，比如处理事故或固井后，需要在规定的时间快速进行上卸扣，当锁紧无指示，锁紧动作不能完成时。通常可以尝试以下2种应急处理方法：

方法1：

（1）把PLC柜的CPU打到off位；

（2）PLC柜的应急开关打到旁路或开位；

（3）司钻操作锁紧开关，进行上卸扣；

（4）把PLC柜的CPU打到o n位；

（5）仔细排查故障原因。

方法2:

(1)在PLC柜中将锁紧检测的2组信号并联在一起，接入24 V直流电源；

（2）司钻正常操作锁紧开关，然后进行应急上卸扣；

（3）仔细排查故障原因。

结论

随着顶驱装置的不断升级换代，在实际使用过程中遇到的锁紧装置及其检测机构可能会略有差异，但只要我们掌握其结构和原理，遇到问题时冷静分析，就可以快速方便的定位故障，为迅速恢复顶驱使用赢得时间。

[1]北京石油机械厂 顶部驱动钻井装置操作手册2007年12月.

[2]塔里木油田工程技术部 井控装置维修使用手册2007年5月.