触摸屏和PLC在钻井船输灰监测系统中的应用

    海洋石油921 ,922 ,923 ,924是中国海洋石油新近建造中的4艘自升式钻井船，是用于海上石油和天然气勘探、开采工程作业的钻井装置，适合10. 00 } 60. 96 m水深以内的钻井作业，主要海域为渤海湾，兼顾其它海域。用于固井的重晶石、粉尘/膨润土、水泥由专门的灰罐储存。输灰空气和分配管路连接到储存物料的各个固井储灰罐中。每个灰罐设置注人口、透气、压缩空气和排出管路，以及称重仪、雷达物位仪和压力变送器。由于空气输灰流动的随机性，导致在装灰和下灰的过程中，都无法进行准确的实时灰量计量，钻井时现场工人有时采用人工敲击罐体或依靠主观观察计算的方法来粗略估计下灰量，显然很不准确。罐

体底部安装电子称重仪进行计量，在海上露天风载、海浪导致钻井船摇摆等情况下就可能产生物料重量计量偏差，并且罐体在工作时会产生轻微艇动，致使输出信号不稳定，发生跳变，造成计量不准，这在很大程度上影响了固井质量川。为了准确的实时计量灰量，提高固井质量，笔者设计开发了基于PLG和触摸屏的翰灰监测系统。

    1灰.工作原理

    灰雄结构如图1所示。锥形立式储灰罐因其堆体容积大，占地面积小，结构简单，使用性、安全性、运移性和经济性都较好，广泛应用于石油矿场和建筑行业。装灰时，水泥灰粉依靠高压气体通过进料管输送到罐中。开始时被吹入灰罐的水泥灰粉是松软的，呈悬浮状态，其容重比1.00: 1.25左右，随着时间的延长，其重度会增大[’〕，直至装满罐体。下灰时压缩空气进人到罐体内，经分配器进人各个喷嘴。形成均匀稳定的高速气流，水泥颗粒在多个周同喷嘴的联合作用下悬浮起来，实现水泥的气化，打开阀门，实现出灰

    2输灰监测系统硬件设计

    钻井船输灰系统包括重晶石储存灰罐、粉尘/膨润土储存灰罐、水泥储存灰罐及缓冲罐等6台储灰罐和1台缓冲罐，灰罐监测系统主要是为了监测这7台罐里面的灰料。灰罐监测系统共有4个监控站，分别为有A,B,C,D 4个控制盘，其中A盘为主控制站，它包括一套主控制PLC和一套触摸屏，其余3个盘均只有一套触摸屏。控制盘之间采用PROF'IBUS DP通信，4个控制盘分别安装在两个散料罐区，固井泵房和队长办公室。

    2.1   PLC系统

    PLC系统采用西门子SIMATIC S7-300，其中:CPU模块(315-2DP) 1块;模拟t输人模块(8

点)3块;数字量输人模块(16点)1块;数字量愉出模块(16点)I块。

    2.2触摸屏

    触摸屏为西门子SIMATIC MP 277 TOUCH ,它属于多功能平台类HMI设备。具有办公领域通信的扩展功能，备有PROFIBUS DP接口和以太网接口，TFT屏幕，64 k颜色，并且支持Sm @ rtService,Sm@ rt Acess以及OPC服务器[’]。

    2.3网络通信

    各控制盘之间通信采用PROFIBUS DP网络，具有高速低成本的特点，用于设备级控制系统与分散式I/O通信。它与PROFIBUS-PA ( ProcessAutomation)、PROFIBUS-FMS(Fieldbus MessageSpecification)共同组成了PROFIBUS标准。PRO-FIBUS DP一般用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输人信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站(PLC)程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理[’]。

    每个灰罐上设置导波雷达物位仪、电子称重仪和压力变送器等;缓冲罐上设置压力变送器和物位开关。压力变送器是为了保证罐内一定的压力，从而保证进灰和出灰的速度，物位开关是为了保证缓冲罐内存在一定数量的物料。导波雷达物位仪和电子称重仪用来测量灰罐里面灰料的体积和重量，两者都可以测量计算得到罐内灰料重量，统程序设计和触摸屏界面程序设计。PLC系统控灰罐物料监测系统程序的设计分为PLC系制程序主要实现的功能有仪表量程的标定、灰料体积的计算、故障报警及故障报警复位等。

   3物料监测PLC系统程序设计

   3.1标定程序功能模块

   标定程序功能模块的功能是将仪表的量程跟变送过来的电流或电压信号进行线性标定。图2为压力变送器0一600kPa量程跟4一20mA电流信号进行线性标定的模块。这种双重测量机制保证了测量的精度。

    3. 2体积计算程序功能模块

    图3为体积计算程序功能模块，主要是为雷达物位仪量身设计的。此模块分3步运行:根据物位仪测得的物料高度判断其灰料顶层所处的位置，并据此进行所处灰罐形状区块灰料体积计算;将所处灰罐形状区块灰料体积加上下部固定体积得到灰料的总体积;接收现场输入的灰料密度，进而计算出灰料重量。

    4物料监测触摸屏界面程序设计

    4.1初始画面

    如图5所示，初始画面显示软件版本号、当地当时时间、设备名称和制造商等相关信息。该系统主要包括tso} A, isoiB ,}doi c,}som, }soi E,16D1 F和mop等7个灰罐，其中前s个为储灰罐，最后一个为缓冲罐。由于触摸屏屏幕尺寸有限因此将其分成3个画面来显示，操作人员触摸画面下方3个按钮即可进行浏览。

    4. 2监控画面

    如图6所示，监控画面实时显示所有罐子上需监测的主要变量。比如1 b01 C罐主要显示灰料的重量、灰罐内的压力、灰料的高度和灰料的密度;rso}罐主要显示灰料的重量、音叉开关的开关状态和缓冲罐内的压力。通过监测画面可以实时地显示系统运行情况，如果缓冲雄物位过高，i 6U3缓冲罐右上角的音叉开关就会闪烁同时系习Ly民1叮。

4. 3密度输入画面

触摸屏上显示的密度是可以手动输人的，双击密度值，就会弹出如图7的对话框和软键盘，需要愉人用户名和密码。正确输入后，再双击密度值就会弹出数字软键盘即可输入当前灰料的密度。

    5绪束语

    4杀目升式钻井船的翰灰监侧系统有两条已经过调试验收，运行及业主反映良好。触摸屏的使用实现了在需要的地方都可以很方便地看到灰料灰雄工艺参数。PLC使输灰系统具有柔性，能适应改造的需要，当工艺程序变更时，只需修改程井水泥灰流动的随机性和灰雄结构的特殊性，建利用PLC可根据固立灰料体积模型，通近实际灰料的堆放形态，细化体积计算公式，提高了测量精度。序，就可满足新的工艺要求。