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，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)控制線路簡單、安全可靠、便于維護，且與PLC通訊的HMI（人機界面）具有故障信息顯示及高級控制權(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)動鉆井裝置TDS（Top Drive Drilling System），頂部驅(qū)動技術(shù)是轉(zhuǎn)盤鉆機問世以來的幾項重大技術(shù)變革之一。自1981年12月美國Varco公司首發(fā)研制的頂部驅(qū)動系統(tǒng)投入使用以來，頂驅(qū)逐漸被各國石油鉆井界所采用。目前，淺海上鉆井船或平臺，幾乎全部配備了頂驅(qū)，陸地石油鉆機也越來越多地配備頂驅(qū)。繼美國Varco公司之后，挪威的Maritime Hydraulics公司、法國的ACB-Bretbr公司和Triten公司、美國的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)。由于國外頂驅(qū)的購買價格、供貨原因等因素對我國頂驅(qū)使用的制約，近十年來，國內(nèi)眾多廠家不斷研發(fā)頂驅(qū)技術(shù)，隨著頂驅(qū)產(chǎn)品在國內(nèi)外市場中的投入使用，頂驅(qū)技術(shù)的國產(chǎn)化日趨成熟。頂驅(qū)是機、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)，其控制對象校多，并且要求各個控制對象之間邏輯嚴格，因此控制難度較大。

目前國內(nèi)外頂驅(qū)控制系統(tǒng)主要以S7-300系列PLC為核心，采用Profibus總線進行控制。隨著自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，自動化控制產(chǎn)品功能不斷更新，本文結(jié)合生產(chǎn)實際，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)操作臺和頂驅(qū)本體分線箱3大部分，通過這3大部分實現(xiàn)頂驅(qū)中心管運轉(zhuǎn)和輔助機械動作的兩大功能，頂驅(qū)電控系統(tǒng)組成如圖1所示。

頂驅(qū)電控房內(nèi)主要安裝有驅(qū)動頂驅(qū)電機的變頻器和綜合控制柜（中心站），來實現(xiàn)頂驅(qū)主電機的運轉(zhuǎn)及整個控制系統(tǒng)的功能。

頂驅(qū)操作臺布置在鉆臺面的司鉆房內(nèi)，司鉆通過操作臺對所需要的液壓動作、頂驅(qū)運轉(zhuǎn)等功能進行操作。

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下頻繁地上提和下放，從而連接頂驅(qū)的動力電纜和控制電纜也會不斷的進行游動。由于頂驅(qū)本體上會存在污染物、外界自然環(huán)境的影響和頻繁的游動等原因，動力電纜和控制電纜都要經(jīng)過特殊加工，分別密封在一個防護橡膠套內(nèi)，具有防油、防砸、抗拉等獨有的特點。由于安裝和維護的原因，控制電纜不能直接連接到頂驅(qū)本體的各個電磁閥或者傳感器上，需要通過一個將多芯電纜信號轉(zhuǎn)接的器件，分線箱就承擔了此功能。

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)備和工廠自動化設(shè)計使用，以高性能和高效率的優(yōu)勢脫穎而出。其創(chuàng)新的設(shè)計使調(diào)試和可靠安全的操作簡單便捷，且集成于TIA博途的診斷功能通過簡單配置即可實現(xiàn)對設(shè)備運行狀態(tài)的診斷，簡化了工程組態(tài)，降低了項目成本。

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

3.2控制系統(tǒng)總體介紹

為實現(xiàn)頂驅(qū)的兩大機械功能，控制系統(tǒng)也設(shè)計成對應(yīng)的兩大部分，第一部分是實現(xiàn)中心管運轉(zhuǎn)的驅(qū)動，采用通用變頻器實現(xiàn)。第二部分是實現(xiàn)機械液壓動作和互鎖邏輯的控制，也是整個電控系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能，系統(tǒng)采用Simatic S7-1500系列PLC來實現(xiàn)。

由于作業(yè)現(xiàn)場用電設(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)。

為實現(xiàn)第二部分功能，結(jié)合電控系統(tǒng)的基本組成，在整個控制系統(tǒng)中將S7-1500的CPU、HMI、信號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對數(shù)據(jù)指令進行處理、運算和執(zhí)行，然后下達控制指令給變頻器，經(jīng)過電機和減速箱的傳動，最終實現(xiàn)中心管的運轉(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)，也可以進行一定操作權(quán)限的設(shè)置。

進行功能操作的頂驅(qū)操作臺面板上安裝有控制頂驅(qū)電機運轉(zhuǎn)及液壓動作的邏輯開關(guān)，內(nèi)部安裝有PLC遠程站點模塊。操作人員通過操作開關(guān)將指令信號送入操作臺內(nèi)的PLC遠程模塊，綜合控制柜內(nèi)的PLC中心站和操作臺上的PLC遠程站通過多芯電纜和Profinet網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)交換，由PLC中心站進行數(shù)據(jù)和邏輯運算，發(fā)出對應(yīng)功能的執(zhí)行指令。

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

3.3控制對象及工藝要求

對于控制系統(tǒng)而言，最終的目標就是控制對象準確和可靠的運行，那么就需要了解控制對象的特點和工藝，頂驅(qū)所要控制的主要對象如表1所示。

表1控制對象

按照功能分類，液壓動作有7個主要動作:吊卡的浮動／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)進行前移／后移動作，吊環(huán)必須處于定位狀態(tài)；

（2）吊環(huán)進行左轉(zhuǎn)／右轉(zhuǎn)動作；吊環(huán)必須處于浮動狀態(tài)；

（3）旋轉(zhuǎn)頭進行鎖緊動作，吊環(huán)必須處于浮動狀態(tài)；

（4）背鉗進行加緊動作，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)拓撲結(jié)構(gòu)

根據(jù)表1所列的控制對象、信號類型，和所列出的控制要求，進行PLC模塊的選型，基本的選型信息如表2所示。數(shù)字量信號輸入／輸出模塊接線圖如圖2所示，模擬量信號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博途軟件進行硬件組態(tài)配置后，其硬件及其網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖4所示。

圖4頂驅(qū)PLC組態(tài)及網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

3.5軟件設(shè)計

硬件功能的實現(xiàn)依賴于軟件的運行，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，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、停止、故障以及互鎖功能進行控制。

（2）主電機控制子程序?qū)崿F(xiàn)主電機數(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、扭矩輸出信號的預(yù)處理。

（6）功能互鎖控制子程序主要是對液壓站子控制程序、主電機控制子程序、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HMI程序?qū)旘?qū)各個控制對象的狀態(tài)以及鉆井參數(shù)進行實時的監(jiān)控，如圖5所示。

圖5頂驅(qū)上位工控機畫面

4結(jié)束語

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，簡化了線路的設(shè)計，提高了故障診斷的能力，在維護方面也給用戶提供了便利?？刂菩盘杹G失直接可通過CPU上的顯示面板得到診斷，用戶只需要維護外圍的硬件信號。操作人員對于程序內(nèi)部無需了解，只需了解頂驅(qū)操作流程，當操作流程錯誤后，系統(tǒng)不會執(zhí)行操作指令，避免了操作失誤引發(fā)的生產(chǎn)事故。HMI實時監(jiān)控頂驅(qū)運行狀態(tài)，并記錄主要參數(shù)曲線及報警記錄，曲線可進行打印，報表為后續(xù)作業(yè)進行數(shù)據(jù)分析。也可在HMI上對頂驅(qū)反轉(zhuǎn)和邏輯互鎖功能進行權(quán)限設(shè)置，以適應(yīng)現(xiàn)場作業(yè)的需求。

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

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

［3］西門子（中國）有限公司自動化與驅(qū)動集團.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）有限公司工業(yè)自動化集團.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，陜西咸陽人，2005年畢業(yè)于西安理工大學(xué)機電系統(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，主要從事石油鉆機電驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計、研究及服務(wù)工作。

2016-06-15

1005—7277（2016）04—0055—04