李崇博，李艷琴，王軍鴿

（西安寶美電氣工業(yè)有限公司，陜西西安710077）

S7-1500系列PLC在頂驅(qū)電控系統(tǒng)中的應(yīng)用

李崇博，李艷琴，王軍鴿

（西安寶美電氣工業(yè)有限公司，陜西西安710077）

介紹了一種在頂驅(qū)控制技術(shù)國(guó)產(chǎn)化的過程中采用S7-1500系列PLC作為主控制器的頂驅(qū)控制系統(tǒng)。從頂驅(qū)電控系統(tǒng)組成著手，通過功能介紹、硬件選型和軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)地闡述了S7-1500系列PLC在頂驅(qū)電控系統(tǒng)中的應(yīng)用，該系統(tǒng)控制線路簡(jiǎn)單、安全可靠、便于維護(hù)，且與PLC通訊的HMI（人機(jī)界面）具有故障信息顯示及高級(jí)控制權(quán)限的設(shè)置。

石油；頂驅(qū)；電控系統(tǒng)；S7-1500

1 引言

頂驅(qū)的全稱為頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置TDS（Top Drive Drilling System），頂部驅(qū)動(dòng)技術(shù)是轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)問世以來的幾項(xiàng)重大技術(shù)變革之一。自1981年12月美國(guó)Varco公司首發(fā)研制的頂部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)投入使用以來，頂驅(qū)逐漸被各國(guó)石油鉆井界所采用。目前，淺海上鉆井船或平臺(tái)，幾乎全部配備了頂驅(qū)，陸地石油鉆機(jī)也越來越多地配備頂驅(qū)。繼美國(guó)Varco公司之后，挪威的Maritime Hydraulics公司、法國(guó)的ACB-Bretbr公司和Triten公司、美國(guó)的National-Oilwell公司、加拿大的Canrig公司和Tesco公司等都研制和使用頂驅(qū)。由于國(guó)外頂驅(qū)的購(gòu)買價(jià)格、供貨原因等因素對(duì)我國(guó)頂驅(qū)使用的制約，近十年來，國(guó)內(nèi)眾多廠家不斷研發(fā)頂驅(qū)技術(shù)，隨著頂驅(qū)產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)中的投入使用，頂驅(qū)技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化日趨成熟。頂驅(qū)是機(jī)、電、液相結(jié)合的裝置，其控制系統(tǒng)是一種典型的電液控制系統(tǒng)，其控制對(duì)象校多，并且要求各個(gè)控制對(duì)象之間邏輯嚴(yán)格，因此控制難度較大。

目前國(guó)內(nèi)外頂驅(qū)控制系統(tǒng)主要以S7-300系列PLC為核心，采用Profibus總線進(jìn)行控制。隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)化控制產(chǎn)品功能不斷更新，本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，介紹使用新一代S7-1500系列PLC為核心，采用Profinet網(wǎng)絡(luò)控制的頂驅(qū)控制系統(tǒng)。

2頂驅(qū)電控系統(tǒng)組成

結(jié)合頂驅(qū)機(jī)械本體的功能和組成，頂驅(qū)電控系統(tǒng)主要包括頂驅(qū)電控房、頂驅(qū)操作臺(tái)和頂驅(qū)本體分線箱3大部分，通過這3大部分實(shí)現(xiàn)頂驅(qū)中心管運(yùn)轉(zhuǎn)和輔助機(jī)械動(dòng)作的兩大功能，頂驅(qū)電控系統(tǒng)組成如圖1所示。

頂驅(qū)電控房?jī)?nèi)主要安裝有驅(qū)動(dòng)頂驅(qū)電機(jī)的變頻器和綜合控制柜（中心站），來實(shí)現(xiàn)頂驅(qū)主電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)及整個(gè)控制系統(tǒng)的功能。

頂驅(qū)操作臺(tái)布置在鉆臺(tái)面的司鉆房?jī)?nèi)，司鉆通過操作臺(tái)對(duì)所需要的液壓動(dòng)作、頂驅(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)等功能進(jìn)行操作。

在鉆井作業(yè)過程中，頂驅(qū)根據(jù)工況要求在游車的帶動(dòng)下頻繁地上提和下放，從而連接頂驅(qū)的動(dòng)力電纜和控制電纜也會(huì)不斷的進(jìn)行游動(dòng)。由于頂驅(qū)本體上會(huì)存在污染物、外界自然環(huán)境的影響和頻繁的游動(dòng)等原因，動(dòng)力電纜和控制電纜都要經(jīng)過特殊加工，分別密封在一個(gè)防護(hù)橡膠套內(nèi)，具有防油、防砸、抗拉等獨(dú)有的特點(diǎn)。由于安裝和維護(hù)的原因，控制電纜不能直接連接到頂驅(qū)本體的各個(gè)電磁閥或者傳感器上，需要通過一個(gè)將多芯電纜信號(hào)轉(zhuǎn)接的器件，分線箱就承擔(dān)了此功能。

圖1頂驅(qū)電控系統(tǒng)組成示意圖

3頂驅(qū)控制系統(tǒng)

3.1 S7-1500PLC簡(jiǎn)介

Simatic S7-1500是在2013年3月推出新一代PLC控制器，該產(chǎn)品專為中高端設(shè)備和工廠自動(dòng)化設(shè)計(jì)使用，以高性能和高效率的優(yōu)勢(shì)脫穎而出。其創(chuàng)新的設(shè)計(jì)使調(diào)試和可靠安全的操作簡(jiǎn)單便捷，且集成于TIA博途的診斷功能通過簡(jiǎn)單配置即可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的診斷，簡(jiǎn)化了工程組態(tài)，降低了項(xiàng)目成本。

S7-1500 PLC的新穎之處在于CPU，其CPU的響應(yīng)時(shí)間達(dá)到納秒級(jí)別，集成式的CPU顯示面板，可以進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試和診斷，內(nèi)置的Profinet可確保精準(zhǔn)的響應(yīng)及設(shè)備的高精度操作。

3.2控制系統(tǒng)總體介紹

為實(shí)現(xiàn)頂驅(qū)的兩大機(jī)械功能，控制系統(tǒng)也設(shè)計(jì)成對(duì)應(yīng)的兩大部分，第一部分是實(shí)現(xiàn)中心管運(yùn)轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)，采用通用變頻器實(shí)現(xiàn)。第二部分是實(shí)現(xiàn)機(jī)械液壓動(dòng)作和互鎖邏輯的控制，也是整個(gè)電控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能，系統(tǒng)采用Simatic S7-1500系列PLC來實(shí)現(xiàn)。

由于作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)用電設(shè)備較多，為了最大程度上減少外界用電設(shè)備電磁干擾對(duì)控制系統(tǒng)的影響，控制系統(tǒng)的通訊采用Profient網(wǎng)絡(luò)。

為實(shí)現(xiàn)第二部分功能，結(jié)合電控系統(tǒng)的基本組成，在整個(gè)控制系統(tǒng)中將S7-1500的CPU、HMI、信號(hào)隔離繼電器和其它輔助電器元件統(tǒng)一安裝在綜合控制柜內(nèi)。變頻器和S7-1500系列PLC通過Profinet網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，綜合柜內(nèi)的PLC對(duì)數(shù)據(jù)指令進(jìn)行處理、運(yùn)算和執(zhí)行，然后下達(dá)控制指令給變頻器，經(jīng)過電機(jī)和減速箱的傳動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)中心管的運(yùn)轉(zhuǎn)。HMI通過Profinet網(wǎng)絡(luò)顯示頂驅(qū)的狀態(tài)以及相關(guān)的數(shù)據(jù)，也可以進(jìn)行一定操作權(quán)限的設(shè)置。

進(jìn)行功能操作的頂驅(qū)操作臺(tái)面板上安裝有控制頂驅(qū)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)及液壓動(dòng)作的邏輯開關(guān)，內(nèi)部安裝有PLC遠(yuǎn)程站點(diǎn)模塊。操作人員通過操作開關(guān)將指令信號(hào)送入操作臺(tái)內(nèi)的PLC遠(yuǎn)程模塊，綜合控制柜內(nèi)的PLC中心站和操作臺(tái)上的PLC遠(yuǎn)程站通過多芯電纜和Profinet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，由PLC中心站進(jìn)行數(shù)據(jù)和邏輯運(yùn)算，發(fā)出對(duì)應(yīng)功能的執(zhí)行指令。

頂驅(qū)本體分線箱是將電控房?jī)?nèi)綜合控制柜的多路控制信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)接，然后從分線箱將控制信號(hào)分別連接到各個(gè)電磁閥和傳感器，形成末端的信號(hào)采集和執(zhí)行。

3.3控制對(duì)象及工藝要求

對(duì)于控制系統(tǒng)而言，最終的目標(biāo)就是控制對(duì)象準(zhǔn)確和可靠的運(yùn)行，那么就需要了解控制對(duì)象的特點(diǎn)和工藝，頂驅(qū)所要控制的主要對(duì)象如表1所示。

表1控制對(duì)象

按照功能分類，液壓動(dòng)作有7個(gè)主要?jiǎng)幼?吊卡的浮動(dòng)／定位、吊環(huán)的前移／后移、旋轉(zhuǎn)頭的松開／鎖緊、旋轉(zhuǎn)頭左轉(zhuǎn)／右轉(zhuǎn)、背鉗的加緊／松開、內(nèi)防噴器打開／關(guān)閉、盤剎剎車／釋放。

在控制過程中所選PLC模塊要滿足以下的控制邏輯要求。

（1）吊環(huán)進(jìn)行前移／后移動(dòng)作，吊環(huán)必須處于定位狀態(tài)；

（2）吊環(huán)進(jìn)行左轉(zhuǎn)／右轉(zhuǎn)動(dòng)作；吊環(huán)必須處于浮動(dòng)狀態(tài)；

（3）旋轉(zhuǎn)頭進(jìn)行鎖緊動(dòng)作，吊環(huán)必須處于浮動(dòng)狀態(tài)；

（4）背鉗進(jìn)行加緊動(dòng)作，旋轉(zhuǎn)頭必須處于鎖緊狀態(tài)；

（5）背鉗加緊后，吊環(huán)的前后傾動(dòng)作無效，旋轉(zhuǎn)頭鎖緊開關(guān)不能打開。

3.4 PLC系統(tǒng)基本選型及控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)表1所列的控制對(duì)象、信號(hào)類型，和所列出的控制要求，進(jìn)行PLC模塊的選型，基本的選型信息如表2所示。數(shù)字量信號(hào)輸入／輸出模塊接線圖如圖2所示，模擬量信號(hào)輸入輸出接線圖如圖3所示。

表2 S7-1500主要模塊信息

圖2 DI／DO模塊地址定義接線圖

圖3 AI／AO模塊地址定義接線圖

將PLC模塊硬件和Proifnet網(wǎng)絡(luò)通過TIA博途軟件進(jìn)行硬件組態(tài)配置后，其硬件及其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖4所示。

圖4頂驅(qū)PLC組態(tài)及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3.5軟件設(shè)計(jì)

硬件功能的實(shí)現(xiàn)依賴于軟件的運(yùn)行，頂驅(qū)系統(tǒng)軟件包括兩部分，一是PLC程序，二是HMI畫面程序。

PLC程序由主程序、功能塊子程序、算法子程序、故障診斷程序和通訊程序等部分組成。整個(gè)控制系統(tǒng)的主要功能由功能塊子程序執(zhí)行，功能塊子程序有6個(gè)，其主要控制功能如下。

（1）液壓站控制子程序?qū)崿F(xiàn)液壓站的啟動(dòng)、停止、故障以及互鎖功能進(jìn)行控制。

（2）主電機(jī)控制子程序?qū)崿F(xiàn)主電機(jī)數(shù)量、旋轉(zhuǎn)方向、控制模式、速度給定以及扭矩大小的控制。

（3）電磁閥控制子程序?qū)崿F(xiàn)表1中電磁閥及電磁閥之間互鎖功能控制。

（4）模擬量輸入控制子程序?qū)崿F(xiàn)速度給定、扭矩限制、傳感器信號(hào)的預(yù)處理。

（5）模擬量輸出控制子程序?qū)崿F(xiàn)速度輸出、扭矩輸出信號(hào)的預(yù)處理。

（6）功能互鎖控制子程序主要是對(duì)液壓站子控制程序、主電機(jī)控制子程序、液壓電磁閥和模擬輸入子程序之間的互鎖要求進(jìn)行控制。

結(jié)合變頻器和PLC控制程序，使用WinCC（Windows Control Center）--視窗控制中心軟件，設(shè)計(jì)HMI程序?qū)旘?qū)各個(gè)控制對(duì)象的狀態(tài)以及鉆井參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，如圖5所示。

圖5頂驅(qū)上位工控機(jī)畫面

4結(jié)束語(yǔ)

Simatic S7-1500是近幾年來新推出一代的可編程控制器，結(jié)合TIA博途作為控制系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)，簡(jiǎn)化了線路的設(shè)計(jì)，提高了故障診斷的能力，在維護(hù)方面也給用戶提供了便利。控制信號(hào)丟失直接可通過CPU上的顯示面板得到診斷，用戶只需要維護(hù)外圍的硬件信號(hào)。操作人員對(duì)于程序內(nèi)部無需了解，只需了解頂驅(qū)操作流程，當(dāng)操作流程錯(cuò)誤后，系統(tǒng)不會(huì)執(zhí)行操作指令，避免了操作失誤引發(fā)的生產(chǎn)事故。HMI實(shí)時(shí)監(jiān)控頂驅(qū)運(yùn)行狀態(tài)，并記錄主要參數(shù)曲線及報(bào)警記錄，曲線可進(jìn)行打印，報(bào)表為后續(xù)作業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。也可在HMI上對(duì)頂驅(qū)反轉(zhuǎn)和邏輯互鎖功能進(jìn)行權(quán)限設(shè)置，以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的需求。

［1］張奇志.電動(dòng)鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù).石油工業(yè)出版社，2006.

［2］西門子（中國(guó)）有限公司數(shù)字化工廠集團(tuán).Simatic S7-1500可編程控制器，2015.

［3］西門子（中國(guó)）有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán).深入淺出Wincc V6，北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

［4］西門子（中國(guó)）有限公司工業(yè)自動(dòng)化集團(tuán).西門子TIA博途軟件.

Application of S7-1500 series PLC in the electric control system of top drive

LI Chong-bo，LI Yan-qin，WANG Jun-ge
（Xi’an Bomay Electric Industries Co.，Ltd.，Xi’an 710077，China）

Aiming at the progressing of the national localization for the top drive control technology，a novel kind of top drive control system which adopts Siemens S7-1500 Series PLC as the main controller is presented.Proceeding from the composition of the top drive control system and the introduction to the functions，the hardware selection and the software design of the system，the applications of S7-1500 series PLC in the electric control system of top drive are described.The system has simple control circuit，safe and reliable characteristics and is easy for maintenance，and its HMI（human machine interface）communicating with PLC has fault information displaying and advanced access control setting functions.

oil；top drive；electric control system；S7-1500

TP273

B

李崇博（1981-），男，工程師，陜西咸陽(yáng)人，2005年畢業(yè)于西安理工大學(xué)機(jī)電系統(tǒng)智能控制專業(yè)，現(xiàn)就職于西安寶美電氣工業(yè)有限公司，主要從事石油鉆機(jī)電驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研究及服務(wù)工作。

2016-06-15

1005—7277（2016）04—0055—04