基于PLC的泥浆循环净化装置控制系统设计与实现_罗银飞.pdf

收稿日期2019-09-19 基金项目青海省科技计划项目 （编号 2017-ZJ-Y25） ， 中国地质大学 （武汉） 研究项目 （编号 2018058028） 。 作者简介罗银飞 （1976） ， 男， 高级工程师。通讯作者段隆臣 （1967） ， 男， 教授， 博士， 博士研究生导师。 总第 521 期 2019 年第 11 期 金属矿山 METAL MINE 基于PLC的泥浆循环净化装置控制系统 设计与实现 罗银飞 1， 2 王志明 3 赵振 1， 2 段隆臣 3 蒋巍 1， 21 （1. 青海省环境地质重点实验室， 青海 西宁 810000； 2. 青海省地质环境保护与灾害防治工程技术研究中心， 青海 西宁 810000； 3. 中国地质大学 （武汉） 工程学院， 湖北 武汉 430074） 摘要当前水文水井钻探施工过程中， 工艺相对落后且集成化程度低， 新技术、 新方法、 新工艺引进和创新 不足。在水文水井钻探中， 从井底返回地面的泥浆中含有大量的岩屑和砂粒， 仍主要采用人工捞砂、 泥浆池和沉淀 池自然沉降的作业方式， 效率较低。为实现钻探施工中设备的自动化、 模块化， 提高施工效率， 针对青海省复杂的 地质与气候环境， 研制了一种绿色勘查水文地质钻探自动化泥浆循环净化装置控制系统， 包括远端控制子系统、 近 端控制子系统和泥浆加热循环子系统。为提高控制系统的抗干扰性， 选用以PLC为控制核心的系统硬件， 对泥浆 净化装置控制系统硬件和控制系统软件等进行了设计， 且系统采用模块化和可靠性设计方式， 在实际应用中具备 方便运输、 可靠性高、 适应性好等特点。 关键词绿色勘查水文地质钻探泥浆循环净化控制系统PLC自动控制 中图分类号TD12， P642文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -11-169-07 DOI10.19614/ki.jsks.201911028 Design and Implementation of The Control System for Mud Circulation Purification Device Based on PLC Luo Yinfei1， 2Wang Zhiming3Zhao Zhen1， 2Duan Longchen3Jiang Wei1， 22 （1. Qinghai Key Laboratory of Environmental Geology， Xining 810000， China； 2. Engineering and Technology Research Center of Geological Environmental Protection and Disaster Prevention in Qinghai Province， Xining 810000， China； 3. Faculty of Engi- neering， China University of Geosciences（Wuhan） ， Wuhan 430074， China） AbstractIn the current drilling process of hydrological wells， there are relatively low level processing and integration. And the introduction and innovation of new technologies， s and processes are not sufficient.In the drilling of hydrologic well， the mud returned to the ground from the bottom of the well contains a large amount of rock cuttings and sand particles， which are mainly treated by the natural settlement by artificial sand bailer at mud pit and sedimentation tank， with lower effi- ciency. In order to realize the automation and modularization of drilling equipment and improve the construction efficiency， an automatic mud circulation purification device control system with green exploration and hydrogeological drilling was devel- oped according to the complicated geological and climatic environment of Qinghai Province， including remote control subsys- tem，near-end control subsystem and mud heating cycle subsystem.In order to improve the anti-interference perance of the control system and increase its reliability， the hardware of the system selects PLC as the control core.The hardware and software for the mud purification device are designed with modularization and reliability in the control system.In practical ap- plication， this system has the characteristics of convenient transportation， high reliability and good adaptability. KeywordsGreen exploration， Hydrogeological drilling， Mud circulation purification， Control System， PLC， Automatic control Series No. 521 November2019 随着计算机技术、 控制技术、 网络技术的飞速发 展， 逐步形成网络化的、 全开放的、 全分布的自动控 制系统是自动化领域发展的必然趋势 ［1］。研制钻探 泥浆智能净化系统， 有利于提高泥浆净化效率， 降低 169 ChaoXing 金属矿山2019年第11期总第521期 钻井成本， 进而有利于实现钻井过程的科学化、 实时 化和网络化 ［2］。 目前， 国外石油系统中泥浆净化装置发展较为 成熟， 如德国海瑞克泥浆净化设备采用模块化组装， 占地面积小， 由于使用电脑自动控制， 可以精确配置 泥浆， 同时监控泥浆净化效果。国内水文地质井缺 乏成熟成套的泥浆净化设备， 直接将石油系统中的 泥浆净化装置控制系统应用于水文地质井中， 无法 适应频繁装拆工况及高寒或高温的极端环境 ［3-6］。开 发针对水文地质井泥浆净化装置配套的控制系统， 需满足水文地质井频繁装拆、 低温泥浆加热等极限 工况、 半自动化/自动化人机操作、 供电稳定性和安全 性以及极限工况下控制系统可靠性要求 ［7-10］。 为解决水文地质钻探中人力耗费大、 集成化程 度低、 方式较为简单、 工作效率低等问题， 并结合环 保要求， 针对青海省的特殊条件， 设计了一种基于 PLC ［11-13］的绿色勘查水文地质钻探自动化泥浆循环 净化装置控制系统， 该系统包括远端控制子系统、 近 端控制子系统和泥浆加热循环子系统 ［14-16］。远端控 制子系统实现水文地质钻探自动化泥浆循环净化装 置远端的半自动化、 自动化控制， 提高操作效率， 包 括恒温控制柜、 PLC控制器硬件部分、 防爆操作面板、 稳压供电部分和多芯电缆 ［16-18］。近端控制子系统实 现泵或电机近端启停控制， 方便进行调试、 检修及其 他特殊工况的处理。泥浆加热循环子系统包括蛇形 管和水循环温控系统， 避免在低温时降低泥浆的流 动性 ［19-20］。该系统具备方便运输、 可靠性高及适应性 好等特点。 1控制系统方案设计 1. 1泥浆循环净化装置 整套自动化泥浆循环净化装置由地埋罐、 泥浆 循环净化罐、 罐电器系统、 渣浆泵、 高效振动筛、 1仓 搅拌器、 2仓搅拌器、 混浆装置等组成， 如图1所示。 整套系统包括自动控制系统和机械装置系统， 工作人员通过控制柜来控制整个装置各个子系统的 运行， 如图2所示。 系统中地埋罐位于系统最左侧， 放置于预先挖 好的地坑中， 装置上方与渣浆泵通过螺栓连接， 渣浆 泵将沉淀后的泥浆通过管道抽吸至高效振动筛。 1仓泥浆循环净化罐位于系统中间部分， 上方连 接高效振动筛和2个搅拌器， 泥浆循环净化罐内部通 过焊接隔板分成3个罐体。1仓泥浆循环净化罐储 存振动筛处理过的泥浆， 在1泥浆循环净化罐底部安 装加热装置， 防止高寒地区泥浆被冻住， 满足系统在 高寒地区水文地质井泥浆净化作业需要。 混浆装置位于罐体右侧， 该装置可将膨润土粉、 化学处理剂、 重晶石等与清水配制成具有特定性质 的泥浆， 或在已有的泥浆中增加某些添加剂以改变 其性能。该装置具有混合速度快、 混合均匀、 能耗 小、 结构简单、 连接方便等特点。 1. 2控制系统方案 控制系统采用强弱电供电系统， 可分别实现 380 V强电、 220 V工频及弱电供电， 增强供电电源的 可靠性及避免强弱电之间干扰。自动化泥浆循环净 化装置控制系统以PLC为控制核心， 可实现泥浆净 化自动控制与手动远程控制， 同时控制振动筛等各 电机也可近距离分开控制， 提高了系统灵活性， 使其 有效适应钻探现场复杂环境， 可靠性高。整个装置 的控制系统结构如图3所示。 为保证柜内的硬件部分在恶劣条件下稳定运 行， 控制系统设计了专门的恒温电气柜及防爆控制 面板， 使其适应勘探现场的复杂环境。恒温控制柜 空调的出厂制冷启动温度为35 ℃， 加热启动温度为 5 ℃， 具体可根据实际情况进行调整， 来保证各个电 气元件正常运行。电气柜与控制面板如图 4所示。 170 ChaoXing 2019年第11期罗银飞等 基于PLC的泥浆循环净化装置控制系统设计与实现 电气控制系统控制柜采用防爆防水防尘控制柜， 根 据野外现场环境选择相应的防爆防水防尘等级， 本 研究防护等级≥IP54。 2控制系统硬件设计 自动化泥浆循环净化装置控制核心包括PLC I/O 模块和模拟量输入/输出模块。PLC输入端接入8个 按钮、 4个模拟量输入端， 输出端控制6个中间继电 器、 3个指示灯、 1个液位报警器及振动筛变频器。中 间继电器对振动筛电机等进行控制， 采用中间继电 器的目的是为了防止启动时的大电流对PLC输出端 造成损坏。根据钻探现场的复杂环境， 选择防尘、 防 水等级较高的PLC， 以提高控制系统的可靠性 ［21-23］。 控制系统I/O分配如表1所示。 在控制系统中可实现手动与自动控制选择， 在 手动控制模式下可以通过控制面板进行操作。图5 为部分二次控制电路。电路采用弱电控制强电的思 路， 由 24 V控制 220 V， 再由 220 V控制 380 V。图 5 中1电机可由手动和自动控制。在手动模式下， 按下 “启动” 按钮， 电路导通， 电机运行； 自动模式下， 通过 PLC扫描信号来控制信号输出， 从而控制电机启停， 171 ChaoXing 金属矿山2019年第11期总第521期 无论是手动还是自动控制， 电路都有过载保护。PLC是控制系统的核心器件， 通过数据线与扩展 模块连接， 实现数字量与模拟量之间的转换 ［22］。PLC 的CPU模块控制线路接线如图6所示。输入部分分 为手动/自动按钮、 急停、 加热循环泵启动等开关量输 入， 输出部分为中间继电器、 指示灯、 警鸣器等开关 量输出。PLC选择继电器型PLC， 对于指示灯及警鸣 器控制， 需要提供外部24 V直流电源。 PLC的两个模拟量扩展模块的接线图如图7所 示。 系统应用研究主要包括系统联调与可靠性检 测、 人机操作及装置性能优化两个方面。针对水文 地质勘探现场， 需进行进一步的联调与可靠性检测， 对泥浆循环净化装置进行优化设计及可靠性改进， 使其满足水文地质井泥浆净化需求。根据水文地质 勘探现场环境及操作人员需求， 对人机操作步骤及 功能进行进一步完善及优化， 以满足现场实用性要 求。通过将装置在现场进行泥浆净化应用， 对装置 的软硬件进行进一步优化， 使其可靠性及适应性进 一步提高。 为适应现场的恶劣环境条件， 控制柜采用防爆 防水防尘控制柜， 根据野外现场环境条件选择相应 的防爆防水防尘等级， 防护等级≥IP54。控制系统选 择的PLC具有一定的温度适应范围， 防尘， 防水， 防 爆等级≥IP21。 3控制系统软件设计 本研究自动化泥浆循环净化装置的控制系统可 实现自动循环净化控制、 手动远程控制与手动近距 离单独控制， 其软件控制整体结构如图8所示。 PLC控制程序运行流程如图9所示。 由图9可知， 系统PLC运行包括如下4个步骤 （1） 步骤1， 系统选择。发电机给整个系统供电， 经过稳压器稳压， 以及带漏电保护的断路器及交流 接触器后， 对系统进行选择， 可选择远端控制子系统 1、 近端控制子系统2。若选择近端控制子系统2， 则 可在近端对相应的泵或电机进行启停控制； 若选择 远端控制子系统1， 则可实现远程半自动化、 自动化 操作， 选择不同的系统即给相应的系统供电。 172 ChaoXing 2019年第11期罗银飞等 基于PLC的泥浆循环净化装置控制系统设计与实现 （2） 步骤2， 模式选择。可对手动模式和自动模 式进行选择， 若选择手动模式， 手动模式下， PLC控制 器也可进行1仓和2仓液位检查， 若达到1仓或2仓 的极限液位， 液位报警器开启； 若选择自动模式， 可 实现泥浆净化循环的全自动操作。 （3） 步骤3， 自动净化准备。进入自动模式后， 首 先对1仓温度进行判断， 若1仓温度达到下极限值， 则外部加热循环泵启动； 若1仓温度未达到下极限 值， 则外部加热循环泵关闭。而后对1仓的液位进行 判断， 若1仓上液位达到极限值， 则11 kW渣浆泵及 振动筛8关闭； 若1仓上液位没有达到极限值， 则对 2仓下液位进行检测。若渣浆泵下液位达到极限值， 意味着渣浆不足， 此时液位报警器报警， 7.5 kW砂泵 4、 振动筛8及渣浆泵10停止； 若1仓上液位计和2仓 下液位计没有达到极限值， 则开始自动启动。 （4） 步骤4， 自动净化循环。自动净化准备完成 后， 顺序启动 7.5 kW 砂泵 4、 7.5 kW 搅拌器 6、 11 kW 渣浆泵10、 振动筛8、 3 kw搅拌器5， 设备开始运行后， 产生的控制信号通过PLC控制器循环扫描， 实现泥 浆全自动循环净化操作。 4系统调试及现场试验 系统调试方案为 ①初次组装控制柜， 通电， 不 带任何负载进行程序运行检测； ②将检测后的控制 柜与电机联接并进行空载试验， 检查是否能够控制 电机启停； ③对控制柜进行细节调整， 与泥浆循环净 化机械装置进行组装， 在室内用清水进行调试； ④将 整套自动化泥浆循环净化装置运至现场进行试验。 完成系统软硬件设计后， 对控制柜进行组装 （图10） ， 而后送电调试。室内调试后， 将控制柜与机械系统 连线进行调试。现场试验运行中的装置如图 11所 示。 在现场试验中， 通过操作系统面板可实现手动 控制与自动化控制， 通过手动操作实现了对各个电 机的启停控制， 并同时在钻进过程中实现了自动化 操作， 有效完成了预期目标。系统在现场试验后取 回泥浆进行了测试， 结果如表2所示。 由表2可知 自动化泥浆循环净化装置对泥浆净 化的效果明显。经功能性和可靠性测试， 该套控制 系统能够实现自动化泥浆循环净化装置远端半自动 化、 自动化控制， 该装置能够快速去除泥浆中的固 173 ChaoXing 相， 振动筛筛网使用寿命长、 更换方便， 整套设备具 有运转平稳、 噪音低、 节能等优点。 5结语 以台达 PLC为控制核心， 设计了泥浆净化自动 化装置控制系统， 组装完成了该套系统的控制柜， 完 整搭建了试验平台， 并研制了整套泥浆净化自动化 装置， 在室内室外对该套系统进行了试验， 并且对试 验结果进行了评价分析。结果表明 该系统实现了 自动循环净化控制、 手动远程控制与手动近距离单 独控制， 提高了工作效率， 减轻了劳动强度。本研究 研制的泥浆循环净化装置控制系统是一种专门针对 水文地质中浅井的泥浆净化控制系统， 系统采用模 块化和可靠性设计思路， 具备方便操作、 可靠性高、 适应性好等特点。该套系统针对的是含砂量大的地 层， 在后续研发中将继续改进， 使系统能够适用于更 复杂多变的地层条件。 参 考 文 献 甘成胜.PLC技术在电气工程及其自动化控制中的运用 ［J］ .科 技创新与应用， 2019 （24） 183-184. 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