樊勇利，朱星元，張 洪，夏 輝，王 議，楊 斌

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞 721004；2.中油國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西寶雞 721004；3.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司，四川成都 610051）

0 引言

近年來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)在鉆機(jī)中日趨普及[1]，同時(shí)為了滿足鉆機(jī)集成化控制需求，需要對(duì)絞車(chē)、轉(zhuǎn)盤(pán)、泥漿泵、頂驅(qū)、動(dòng)力貓道、鐵鉆工、二層臺(tái)管柱處理系統(tǒng)、鉆臺(tái)機(jī)械手等多個(gè)設(shè)備進(jìn)行集成化控制[2]，而實(shí)現(xiàn)多設(shè)備集成控制的前提條件是各設(shè)備之間能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通信。通常由一臺(tái)PLC 作為集成控制單元，負(fù)責(zé)與各控制設(shè)備之間的數(shù)據(jù)收集與傳送，但是鉆機(jī)各設(shè)備的控制器往往由多個(gè)廠家提供，而各廠家之間的通信協(xié)議往往存在差異，這對(duì)整個(gè)鉆機(jī)的通信系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一定障礙。如S7-1500 PLC 之間普遍采用西門(mén)子專(zhuān)用的Profibus 和Profinet 協(xié)議，而此類(lèi)協(xié)議一般不會(huì)對(duì)外開(kāi)放，因此需要采用一種開(kāi)放式的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)各設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互。

TCP 是一種面向連接的、可靠的數(shù)據(jù)流傳輸服務(wù)，是以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)普遍采用的一種開(kāi)放式通信協(xié)議，鉆機(jī)集成控制控制單元與其他第三方設(shè)備進(jìn)行通信時(shí)，可采用TCP 方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

1 通信系統(tǒng)組成

鉆機(jī)通信系統(tǒng)可劃分為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、集成控制單元、上位顯示操作層3 個(gè)層次，其中集成控制單元為整個(gè)鉆機(jī)通信系統(tǒng)的核心，由一臺(tái)S7-1500 PLC 統(tǒng)一負(fù)責(zé)系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備之間的數(shù)據(jù)接收、處理和轉(zhuǎn)發(fā)功能，避免了系統(tǒng)內(nèi)每一個(gè)通信設(shè)備與所有其他節(jié)點(diǎn)單獨(dú)建立通信連接，鉆機(jī)通信系統(tǒng)基本組成如圖1 所示。

圖1 鉆機(jī)通信系統(tǒng)基本組成

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層包括絞車(chē)、轉(zhuǎn)盤(pán)、頂驅(qū)、鐵鉆工、動(dòng)力貓道等鉆機(jī)設(shè)備控制器，還包括一些智能儀表、智能傳感器、視頻監(jiān)控單元等，如果這些現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制器不支持S7 通信協(xié)議，則可以采用開(kāi)放式的TCP 通信協(xié)議，包括集成控制單元與上位機(jī)軟件之間，也可通過(guò)TCP 方式進(jìn)行通信。

2 通信組態(tài)

S7-1500 PLC 的組態(tài)及軟件開(kāi)發(fā)使用西門(mén)子PORTAL 博圖平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

打開(kāi)PORTAL 軟件，新建一個(gè)項(xiàng)目，完成PLC 常規(guī)組態(tài)，進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)視圖后添加一個(gè)新連接，建立TCP 連接如圖2 所示。連接類(lèi)型選擇“TCP 連接”。TCP 通信的雙方可分為客戶(hù)端和服務(wù)器，建立連接時(shí)，由客戶(hù)端主動(dòng)向服務(wù)器發(fā)起連接請(qǐng)求，所以，如果需要由本機(jī)作為客戶(hù)端主動(dòng)建立TCP 連接時(shí)，則勾選“主動(dòng)建立連接”選項(xiàng)。

建立連接后，需要對(duì)連接參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，TCP 連接參數(shù)設(shè)置如圖3 所示，輸入本地連接參數(shù)，此處的連接ID 輸入建立TCP 連接時(shí)設(shè)定的ID 號(hào)，并設(shè)置對(duì)方通信設(shè)備的IP 地址，如果對(duì)方作為通信服務(wù)器，還需在地址詳細(xì)信息中設(shè)置服務(wù)器端口號(hào)，TCP 通過(guò)服務(wù)器IP 地址和端口號(hào)即可具備建立TCP 連接的條件。

圖3 TCP 連接參數(shù)設(shè)置

3 軟件開(kāi)發(fā)

3.1 通信連接機(jī)制

S7-1500 PLC 作為客戶(hù)端與其他設(shè)備進(jìn)行TCP 數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，首先需要建立TCP 連接，其目的是確保IP 地址、端口、物理鏈路等正確無(wú)誤，為數(shù)據(jù)的傳輸建立通道。TCP 建立連接時(shí)會(huì)傳輸三次數(shù)據(jù)，稱(chēng)為三次握手，數(shù)據(jù)報(bào)文結(jié)構(gòu)由首部和數(shù)據(jù)部分組成，TCP 數(shù)據(jù)報(bào)文如圖4 所示，首部中包含Client 和Service 端口號(hào)、序列號(hào)、確認(rèn)號(hào)和標(biāo)志位等信息，用于連接的確認(rèn)，數(shù)據(jù)部分為實(shí)際需要傳輸?shù)挠行畔3、4]。

圖4 TCP 數(shù)據(jù)報(bào)文

建立連接時(shí)，Client 先產(chǎn)生一個(gè)初始序列號(hào)Seq，作為SYN并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給Server，Client 進(jìn)入SENT 狀態(tài)，等待Server確認(rèn)。Server 收到數(shù)據(jù)包后也發(fā)送自己的SYN 報(bào)文作為響應(yīng)，并初始化序列號(hào)Seq，為了確認(rèn)Client 的Seq，Server 將Client 發(fā)送的Seq 加1，作為ACK 發(fā)送給Client，Server 進(jìn)入RCVD 狀態(tài)。為了再次確認(rèn)Server 的SYN，Client 將Server 發(fā)送的Seq 加1，作為ACK 發(fā)送給Server。Client 和Server 進(jìn)入ESTABLISHED 狀態(tài)，完成三次握手，隨后Client 與Server 之間可以開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)了[3、4]，TCP 建立連接機(jī)制如圖5 所示。

圖5 TCP 建立連接機(jī)制

3.2 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收程序

在西門(mén)子TIA PORTAL 軟件提供了TSEND_C 功能塊函數(shù)用于處理TCP 數(shù)據(jù)發(fā)送功能（圖6），完成通信組態(tài)后，在程序中調(diào)用TSEND_C 功能塊，然后連接好通信參數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送[5][6]。TSEND_C 功能塊主要有以下3 個(gè)作用：

圖6 TCP 數(shù)據(jù)發(fā)送功能塊

設(shè)置并建立TCP 連接：在CONNECT 引腳參數(shù)中設(shè)置好要建立連接的通信參數(shù)，包括連接ID 號(hào)、連接類(lèi)型、服務(wù)器IP 地址和端口號(hào)等參數(shù)，設(shè)置CONT=1 建立TCP 連接通道。

通過(guò)現(xiàn)有連接發(fā)送數(shù)據(jù)：當(dāng)建立好通信連接后，在參數(shù)REQ中檢測(cè)到上升沿時(shí)執(zhí)行發(fā)送作業(yè)，如果需要循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)，可在REQ 引腳處輸入一個(gè)固定頻率的脈沖信號(hào)，循環(huán)觸發(fā)發(fā)送指令，引腳DATA 用于輸入需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，使用參數(shù)LEN 可指定通過(guò)一個(gè)發(fā)送作業(yè)發(fā)送的最大字節(jié)數(shù)。

斷開(kāi)和重置通信連接：設(shè)置參數(shù)CONT=0，將斷開(kāi)當(dāng)前連接，可隨時(shí)通過(guò)將參數(shù)COM_RST 設(shè)置為1 來(lái)重置連接，這會(huì)終止現(xiàn)有通信連接并建立新連接。

接收數(shù)據(jù)時(shí)，需要編寫(xiě)接收數(shù)據(jù)程序，在TIA PORTAL 軟件中提供了相應(yīng)的TRCV_C 功能塊函數(shù)用于處理TCP 數(shù)據(jù)接收功能（圖7），接收功能塊的建立連接和斷開(kāi)連接的方法與發(fā)送功能塊相同，不同點(diǎn)在于接收數(shù)據(jù)是通過(guò)將EN_R 引腳置1，當(dāng)有數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)來(lái)時(shí)，將接收到的數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)內(nèi)。

圖7 TCP 數(shù)據(jù)接收功能塊

通過(guò)TSEND_C 和TRCV_C 功能塊輸出的DONE、BUSY、ERROR、STATUS 等參數(shù)可對(duì)連接狀態(tài)和數(shù)據(jù)接收發(fā)送狀態(tài)進(jìn)行判斷。

TCP 通信技術(shù)在鉆機(jī)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在近年來(lái)快速發(fā)展的自動(dòng)化鉆機(jī)中，集成控制單元與第三方廠家的嵌入式控制單元、智能傳感器、各類(lèi)上位機(jī)軟件、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)之間經(jīng)常會(huì)采用TCP 通信方式。在實(shí)際應(yīng)用中，各個(gè)廠家可以根據(jù)各自功能特點(diǎn)約定數(shù)據(jù)的特定格式，集成控制單元接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行解析后使用。

4 TCP 開(kāi)放式通信在鉆機(jī)中的應(yīng)用

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)石油鉆機(jī)已基本實(shí)現(xiàn)由機(jī)械化鉆機(jī)向自動(dòng)化鉆機(jī)的轉(zhuǎn)化，鉆機(jī)控制系統(tǒng)通常采用在司鉆房?jī)?nèi)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信方式實(shí)現(xiàn)集成化控制，控制對(duì)象除了常規(guī)的絞車(chē)、頂驅(qū)、泥漿泵等設(shè)備，還配套動(dòng)力貓道、鐵鉆工、鉆臺(tái)機(jī)械手、二層臺(tái)排管機(jī)等管柱自動(dòng)化設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)攝像頭、智能儀表等網(wǎng)絡(luò)組件[7-9]，這些設(shè)備如果與集成控制PLC 不屬于同一廠家，往往就需要采用一種開(kāi)放式的通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而TCP 是目前最常見(jiàn)的一種以太網(wǎng)通信方式[10]，該通信方式在鉆機(jī)控制系統(tǒng)中已廣泛使用，滿足不同廠家設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

石油鉆機(jī)的功能要求越來(lái)越多樣化，相應(yīng)的配套的自動(dòng)化設(shè)備也越來(lái)越多，而這些專(zhuān)業(yè)化的設(shè)備往往來(lái)自不同的配套廠家，要想實(shí)現(xiàn)不同廠家設(shè)備的集成化統(tǒng)一控制，必須解決所有設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信問(wèn)題。TCP 是一種完全開(kāi)放的通信協(xié)議，通過(guò)對(duì)鉆機(jī)通信系統(tǒng)的組成特點(diǎn)進(jìn)行分析，以鉆機(jī)目前普遍使用的西門(mén)S7-1500 PLC 為例，介紹在TIA PORTAL 平臺(tái)下進(jìn)行TCP 通信的組態(tài)方法、通信連接建立和斷開(kāi)程序的使用、數(shù)據(jù)讀取和發(fā)送程序的設(shè)計(jì)等內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)控制系統(tǒng)中不同廠家設(shè)備通信接口的統(tǒng)一化設(shè)計(jì)，為鉆機(jī)的集成化、自動(dòng)化控制提供一種數(shù)據(jù)通信解決方案。TCP 通信方式已在鉆機(jī)控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，使用效果穩(wěn)定，隨著鉆機(jī)集成越來(lái)越多廠家的控制設(shè)備，TCP 通信方式將在鉆機(jī)數(shù)據(jù)通信方面發(fā)揮更大的作用。