技术智能防碰天车实验研究

摘 要：通过对目前国内油田常用的智能防碰天车装置的调查研究，设计了以PLC为主控制器，包括模拟井架、集成运算放大电路板、电机、滚筒、传感器和滑轮等硬件组成的智能防碰系统，并在实验室条件下对智能防碰天车系统进行模拟，从硬件和软件两个方面进行改进。为了提高系统的可靠性，传感器采用冗余设置，并用MCGS组态软件设计上位机界面，直观、快捷的对整个系统的运行过程进行实时监控。改进后的实验装置对实际防碰天车装置的研究、今后的PLC教学过程以及与工程实践学习相结合的过程中具有重要的参考价值。

关键词：智能；防碰天车；PLC/MCGS组态

中图分类号：TB

文献标识码：A

文章编号：1672-3198（2013）24-0197-02

1 概述

防碰天车装置是石油、天然气、矿业等钻探作业中必需的安全保障系统，在石油钻井施工作业中，由于防碰天车失效造成的游车大钩顶撞天车的事故，容易影响石油钻采和生产效益，并造成人身安全威胁，所以如何提高天车防碰系统的可靠性一直是油田和钻机制造厂关注的焦点。

随着计算机技术、传感器技术、自动控制技术的飞速发展，这些技术已经完全用于天车防碰系统中，出现了新一代的数显防碰装置，在钻井过程中，它能对钻机游动滑车的上升或下放过程实行直观的高度显示，并对顶撞天车事故实施随钻监测、报警、自动控制。

目前，钻机的防碰装置通常有重锤式、过卷阀式和电子式3种。重锤式和过卷阀式属机械防碰装置，没有提前报警的功能，其紧急刹车是突发性的，对设备冲击很大。电子式防碰装置具有控制精度高、提前报警及安装容易的特点。但是电子式钻机天车防碰系统还是存在报警位置设置不当等问题。

近年来PLC技术在工业自动控制领域应用愈来愈广，在控制性能、开发周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势，是其它工控产品难以比拟的。采用PLC控制能够明显降低成本和企业管理成本，具有普遍的技术及经济意义。

目前国内油田常用的防碰天车装置有大庆130、宏华钻机、钻20B等，其中大庆130是一款使用时间较长，安全性能较高的天车。

但由于实验室的条件限制，无法对现场所用的天车装置进行研究并将研究成果作为学生实践课的学习材料。因此，本文基于传感器、电路等学科的基本知识，采用PLC为控制级，利用MCGS进行上位机监控界面组态，模拟了智能防碰天车系统的运行，并进行了一定的改进。

2 智能防碰天车装置的工作原理

防碰天车装置就是能够对上升过程中的游车大钩进行“高度限位”检测并且能够自动紧急停（刹）车，避免游车与井架上的天车相碰撞的一种安全保护装置。防碰装置的作用在于：当游车大钩上升到提醒司钻高度h时，防碰系统会发出声光报警提醒司钻控制游车大钩的上升速度，应予以减速，以限制其上提的速度。当游车大钩继续上冲到达防碰高度H时，电气动执行机构将快速动作，实现自动紧急（停）刹车。

所以防碰天车系统的安全性是十分重要的，该装置具有自动监测、运算处理、提醒司钻等功能，防止顶撞天车等事故的发生。

3 智能防碰天车装置系统设计

在对常用的智能防碰天车装置的工作环境、原理及流程进行分析的基础上，对天车防碰系统进行功能设计。搭建以PLC为核心的硬件系统。利用MCGS组态软件制作监控界面。

3.1 硬件设计

该装置由模拟井架、PLC、传感器及其外围电路组成，所涉及到的硬件有电机、滚筒、滑轮、传感器、集成运算放大器等。

采用可编程序控制器（plc）对整个工作过程进行控制，采用三菱公司的FX2N-48MR型PLC，此型号PLC输入点数为24个，输出点数为24个，能够满足此次设计中点数的需要。三菱FX2N-48MR型PLC具有集成型高性能、高速运算、丰富的软元件范围等优点。采用RS232建立PLC与上位机的通信，以实现智能防碰天车的实验装置的自动监控。

本系统从经济、可靠性方面考虑，采用ST188反射式光电传感器，该传感器为黑白循迹传感器，其特点为：采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成；可调整距离范围大，采用非接触检测方式。

在石油等工业现场中通常使用交流电机，其可靠性高且使用寿命长，在油田上进行作业施工时，电机带动滚筒缠绕钢丝绳牵引游动滑车上下移动，所以根据实验室所提供的模拟井架的高度，选用了小型直流电动机来完成模拟滚筒装置的制作。本系统中使用的是高增益运算放大器uA741M，该单片硅集成电路器件提供输出短路保护。整个系统的硬件配置如图2所示。

3.2 软件设计

3.2.1 PLC系统设计

设定钻机的防碰高度为1.68m（14圈），提醒司钻高度为1.32m（11圈）。在正常运行的情况下，启动开始按钮，运行指示灯亮，表明天车开始处于工作状态。启动下降按钮游车大钩开始下降，当其高度降至0时启动上升按钮，游车大钩开始上升。当游车大钩的高度超过提醒司钻高度1.32m时，PLC自动产生声光减速报警信号，提醒司钻开始减速。由于上冲速度较快，游车大钩继续超过防碰高度1.68m时，实现紧急刹车。若游车大钩上升至提醒司钻高度后自动下降，则避免游车大钩与井架上的天车碰撞。

在非正常运行状态下，在按下启动按钮后，若（1）运行指示灯未亮；（2）下降启动按钮无作用；（3）游车大钩在最低处停止不上；（4）减速报警无法实现以及在防碰高度处无法进行刹车时，司钻直接手动关闭电源，强制性使天车停止工作。

3.2.2 上位机组态软件设计

MCGS（Monitor and Control Generated System）是一套基于Windows平台的，用于快速构造和设计上位机监控系统的组态软件系统，MCGS能够实现现场数据采集、实时和历史数据处理、报警、流程控制、动画显示、报表输出等功能。

监控画面能够动态地、真实地反映出现现场的实际工况，让操作人员能够实时地了解工作状态，达到安全生产的目的。进入监控系统登录界面后，用户能够以不同的权限进入监控系统，并实现对现场环境的监视和控制。

4 系统特殊功能

（1）出于系统可靠性考虑，采用了两个传感器，分别安装在天车和滚筒上。天车上的传感器作为冗余，遇到紧急情况可以切换，不影响安全生产。这解决了传统装置中把传感器安装在滚筒上而导致受高温损坏的问题。

（2）采用MCGS组态软件制作监控界面。MCGS可以实现与PLC的快速通讯，并且不需要A/D和D/A模块即可完成数据传输。

（3）PLC与MCGS首次在实验室结合使用的成果，可以作为本科生实验课程的学习材料，通过设计PLC程序并进行上位机界面的设计，加深对PLC与上位机的通讯的认识，并且可以更好的理解自动控制工程。

5 结束语

目前，国内研制的多种智能式防碰天车在各类钻机中均有应用，并取得了很好的效果。但总的来说，其设计和制造要根据现场的实际需要进行不断的完善。在实验室环境下设计的基于PLC的模拟智能防碰天车装置，综合应用了可编程逻辑控制器、传感器知识和上位机组态软件设计的知识。

实验证明，MCGS可以对PLC的整个运行过程进行监控，传感器的信号传入PLC中产生的脉冲信号可以实现指示灯的动作，通过电机的转速的调节和换向，可以及时的完成对游车大钩高度的控制。本文所设计的智能防碰天车系统控制效果良好、可靠性高，可提高工作的安全性和效率，对实际防碰天车装置的研究和教学工作具有一定的参考价值。

参考文献

[1]尹雪霏，马永刚，赵小奎.天车防碰系统浅析[J].石油矿场机械，2006，35：84-85.

[2]吴作明.工控组态软件与PLC应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006：1-4.

[3]张培志.电气控制与可编程程序控制器[M].北京：化学工业出版社，2007.

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