本發(fā)明涉及一種基于LabVIEW的石油固井作業(yè)氣動(dòng)控制系統(tǒng)，適用于機(jī)械領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

科技進(jìn)步使安全生產(chǎn)理念越來越為現(xiàn)場所關(guān)注。在石油固井作業(yè)上，隨著鉆井技術(shù)向深井、超深井方向的發(fā)展，固井作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜性加大，固井管串長度加長，頂替壓力過高等問題使固井施工人員操作難度增大，危險(xiǎn)性提高。開展人機(jī)交互，利用新技術(shù)、新裝備實(shí)現(xiàn)固井施工的自動(dòng)化控制，能夠從根本上保證固井質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。石油固井作業(yè)氣動(dòng)控制系統(tǒng)是工作人員在控制室中操作PC機(jī)界面實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、替漿、釋放膠塞、投球等固井作業(yè)，能有效解決手動(dòng)控制帶來的操作不方便、作業(yè)時(shí)間長、固井效率低和安全風(fēng)險(xiǎn)大等固井難題，滿足了各種復(fù)雜井況的固井需要，充分保證固井人員作業(yè)安全和固井質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線上用LabVIEW實(shí)施在線監(jiān)控，不僅能夠達(dá)到人機(jī)界面的智能化控制，而且便于現(xiàn)場技術(shù)人員對(duì)控制系統(tǒng)軟件的二次開發(fā)。PLC具有可靠性高、適應(yīng)性好、編程方便和性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，且具有很好的可移植性，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種基于LabVIEW的石油固井作業(yè)氣動(dòng)控制系統(tǒng)，以上位機(jī)LabVIEW軟件，西門子200系列PLC與氣動(dòng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)聯(lián)合仿真實(shí)現(xiàn)了石油固井作業(yè)氣動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制和在線監(jiān)測，有效縮短了固井作業(yè)氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間，為實(shí)現(xiàn)石油固井作業(yè)自動(dòng)化、安全高效操作提供了一種可參考的新方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：所述氣動(dòng)系統(tǒng)采用雙作用缸來完成所有水泥頭固井作業(yè)動(dòng)作。采用8個(gè)行程開關(guān)來檢測4個(gè)缸的初始位置和到位位置。氣動(dòng)系統(tǒng)主要分為控制氣源的總氣路和4個(gè)單獨(dú)氣路，即固井的4個(gè)主要過程：投球，注水泥，釋放膠塞和注泥漿。4個(gè)電磁閥分別控制每一過程氣路的通斷：電磁閥斷電時(shí)，缸趨于回到初始位置；電磁閥通電時(shí)，缸伸出直到壓下到位行程開關(guān)。1V9為總閥，總閥控制各氣路的通斷。

所述控制系統(tǒng)的電氣控制中，接觸器線圈通電，對(duì)應(yīng)觸點(diǎn)閉合，電磁閥通電。石油固井作業(yè)中投球，注水泥，釋放膠塞和注泥漿4個(gè)過程任何一個(gè)過程在進(jìn)行中不能被其他過程打斷，也不能出現(xiàn)兩個(gè)過程同時(shí)進(jìn)行的情況，所以在設(shè)計(jì)時(shí)每一過程要串聯(lián)其它過程的接觸器的常閉觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)互鎖。最后，氣缸在初始位置和到位時(shí)均對(duì)應(yīng)指示燈。

所述通訊程序完成和上位機(jī)的通信工作，分為主程序、子程序和中斷程序三部分。主程序完成子程序調(diào)用和控制功能；子程序完成通信口的初始化，譯碼和校驗(yàn)功能；中斷程序完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收功能。發(fā)送數(shù)據(jù)用XMT發(fā)送指令，接收數(shù)據(jù)采用RCV接收指令。初始化完成后，運(yùn)行RCV指令使端口處于接收狀態(tài)，并設(shè)置消息起始和結(jié)束的條件來判斷消息的開始和結(jié)束，判斷消息結(jié)束時(shí)終止接收狀態(tài)。

所述上位機(jī)LabVIEW程序前面板由三個(gè)界面組成：狀態(tài)信息界面、通信測試界面和主界面。狀態(tài)信息界面顯示下位機(jī)的反饋信息、錯(cuò)誤狀態(tài)等，是內(nèi)部調(diào)試界面，工作人員在操作時(shí)此界面不用；通訊測試界面完成系統(tǒng)工作之前的通訊測試，確認(rèn)排除各種通信故障后開始工作；主界面即系統(tǒng)的工作界面，是最主要的部分，在主界面上完成固井的所有操作。主界面上除去操作按鈕和指示燈以外，還有復(fù)位，急停等按鈕，保證出現(xiàn)緊急情況時(shí)系統(tǒng)可以立即恢復(fù)到安全狀態(tài)或緊急停車。

本發(fā)明的有益效果是：該系統(tǒng)以上位機(jī)LabVIEW軟件，西門子200系列PLC與氣動(dòng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)聯(lián)合仿真實(shí)現(xiàn)了石油固井作業(yè)氣動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制和在線監(jiān)測，有效縮短了固井作業(yè)氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間，為實(shí)現(xiàn)石油固井作業(yè)自動(dòng)化、安全高效操作提供了一種可參考的新方法。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖。

圖2是本發(fā)明的電氣原理圖。

圖3是本發(fā)明的投球過程控制流程圖。

圖4是本發(fā)明的通信流程圖。

圖5是本發(fā)明的上位機(jī)LabVIEW主控流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1，石油固井作業(yè)氣動(dòng)控制系統(tǒng)使施工人員遠(yuǎn)離作業(yè)現(xiàn)場，只操作相應(yīng)按鈕即可完成規(guī)定動(dòng)作，可以簡單描述為：在上位機(jī)LabVIEW界面按下某一動(dòng)作按鈕(比如投球按鈕)，PC機(jī)通過串口將指令發(fā)送到PLC下位機(jī)，PLC收到上位機(jī)命令后控制電磁閥動(dòng)作，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)氣缸實(shí)現(xiàn)要求的功能。因此要做的工作主要分為以下三部分：首先設(shè)計(jì)氣動(dòng)控制系統(tǒng)，以代替工作人員完成施工現(xiàn)場所有的手動(dòng)操作；再者編寫PLC功能程序，將電氣控制轉(zhuǎn)化為PLC控制；最后編寫上、下位機(jī)通信程序，完成基于LabVIEW的用戶軟件設(shè)計(jì)。

氣動(dòng)系統(tǒng)用雙作用缸來完成所有水泥頭固井作業(yè)動(dòng)作。采用8個(gè)行程開關(guān)來檢測4個(gè)缸的初始位置和到位位置。氣動(dòng)系統(tǒng)主要分為控制氣源的總氣路和4個(gè)單獨(dú)氣路，即固井的4個(gè)主要過程：投球，注水泥，釋放膠塞和注泥漿。4個(gè)電磁閥分別控制每一過程氣路的通斷：電磁閥斷電時(shí)，缸趨于回到初始位置；電磁閥通電時(shí)，缸伸出直到壓下到位行程開關(guān)。1V9為總閥，總閥控制各氣路的通斷。

如圖2，控制系統(tǒng)的電氣控制中，接觸器線圈通電，對(duì)應(yīng)觸點(diǎn)閉合，電磁閥通電。石油固井作業(yè)中投球，注水泥，釋放膠塞和注泥漿4個(gè)過程任何一個(gè)過程在進(jìn)行中不能被其他過程打斷，也不能出現(xiàn)兩個(gè)過程同時(shí)進(jìn)行的情況，所以在設(shè)計(jì)時(shí)每一過程要串聯(lián)其它過程的接觸器的常閉觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)互鎖。最后，氣缸在初始位置和到位時(shí)均對(duì)應(yīng)指示燈。

如圖3，S7-200PLC程序分為功能程序和通訊程序，功能程序相對(duì)簡單，主要是根據(jù)輸入狀態(tài)輸出相應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電磁閥對(duì)氣缸的驅(qū)動(dòng)。

如圖4，通訊程序完成和上位機(jī)的通信工作，分為主程序、子程序和中斷程序三部分。主程序完成子程序調(diào)用和控制功能；子程序完成通信口的初始化，譯碼和校驗(yàn)功能；中斷程序完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收功能。發(fā)送數(shù)據(jù)用XMT發(fā)送指令，接收數(shù)據(jù)采用RCV接收指令。初始化完成后，運(yùn)行RCV指令使端口處于接收狀態(tài)，并設(shè)置消息起始和結(jié)束的條件來判斷消息的開始和結(jié)束，判斷消息結(jié)束時(shí)終止接收狀態(tài)。

如圖5，上位機(jī)LabVIEW程序的設(shè)計(jì)對(duì)石油固井作業(yè)氣動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)起關(guān)鍵作用。上位機(jī)LabVIEW程序的功能主要是按規(guī)定的指令格式給下位機(jī)發(fā)送命令數(shù)據(jù)，并把實(shí)時(shí)讀回的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和分析。此外，控制程序要實(shí)現(xiàn)順序控制，使操作按規(guī)定的流程進(jìn)行。

上位機(jī)LabVIEW程序前面板由三個(gè)界面組成：狀態(tài)信息界面、通信測試界面和主界面。狀態(tài)信息界面顯示下位機(jī)的反饋信息、錯(cuò)誤狀態(tài)等，是內(nèi)部調(diào)試界面，工作人員在操作時(shí)此界面不用；通訊測試界面完成系統(tǒng)工作之前的通訊測試，確認(rèn)排除各種通信故障后開始工作；主界面即系統(tǒng)的工作界面，是最主要的部分，在主界面上完成固井的所有操作。主界面上除去操作按鈕和指示燈以外，還有復(fù)位，急停等按鈕，保證出現(xiàn)緊急情況時(shí)系統(tǒng)可以立即恢復(fù)到安全狀態(tài)或緊急停車。