Wago模塊在Amphion鉆井系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘" " 要：工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的應(yīng)用給自動(dòng)化領(lǐng)域帶來(lái)了深遠(yuǎn)影響，傳統(tǒng)的集中控制結(jié)構(gòu)逐步被分布式智能設(shè)備所取代，工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用滿(mǎn)足了各領(lǐng)域?qū)Ω咝屎透唛_(kāi)放性的要求，這種開(kāi)放性和互操作性在現(xiàn)代自動(dòng)化系統(tǒng)中得到了體現(xiàn)。作為無(wú)螺絲電氣連接技術(shù)和電子接口模塊領(lǐng)域的佼佼者，德國(guó)Wago公司生產(chǎn)的Wago-I/O-system以其緊湊的外形設(shè)計(jì)與最高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一成為世界范圍內(nèi)最成功的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)之一，Wago-I/O-system采用模塊化設(shè)計(jì)，并與各類(lèi)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)兼容，從而可以滿(mǎn)足應(yīng)用中的各種要求。將Wago-I/O-system應(yīng)用到海洋石油鉆井平臺(tái)中，與Amphion鉆井控制系統(tǒng)相結(jié)合，使得設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)可靠、鉆井生產(chǎn)更加安全高效、設(shè)備維護(hù)更加簡(jiǎn)單便捷。

關(guān)鍵詞：海洋石油；鉆井控制系統(tǒng)；Wago；Wago-I/O-system；Amphion；鐵鉆工ST-160

Application of Wago modules in Amphion drilling system

LI Hao， WANG Jian， LU Shang， FENG Chunfei， JIANG Hui

Drilling Branch of China Petroleum Offshore Engineering Company Limited， Tianjin 300451， China

Abstract：The application of industrial fieldbus has exerted a profound impact on the field of automation. Traditional centralized control structures have been gradually replaced by distributed intelligent devices. The application of industrial Ethernet meets the requirements of high efficiency and high openness in various fields. This openness and interoperability are reflected in modern automation systems. As a leader in the field of screwless electrical connection technology and electronic interface modules， Wago′s Wago-I/O-system is one of the most successful fieldbus systems in the world with its integration of compact design and highest quality standard. The Wago-I/O-system， with modular design， is compatible with various fieldbuses， able to meet various requirements in applications. By applying the Wago-I/O-system to offshore oil drilling platforms and combining it with the Amphion drilling control system， the equipment operation is more stable and reliable， the drilling production is safer and more efficient， and the equipment maintenance is simpler and more convenient.

Keywords：offshore oil; drilling control system; Wago; Wago-I/O-system; Amphion; ST-160 iron roughneck

1" " Wago-I/O-system

1.1" " Wago-I/O-system簡(jiǎn)介

Wago-I/O-system 是一種功能強(qiáng)大的可編程自動(dòng)化控制器，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的精準(zhǔn)控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，還可以收集和處理各類(lèi)關(guān)鍵數(shù)據(jù)。為了與不同類(lèi)型的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制器實(shí)現(xiàn)高效連接，Wago-I/O-system支持多種通訊協(xié)議，如Modbus、PROFIBUS、Industrial Ethernet等，這種多協(xié)議支持的特點(diǎn)使得系統(tǒng)具備了極強(qiáng)的兼容性和通用性。此外，Wago-I/O-system 還具有良好的開(kāi)放性和可擴(kuò)展性，它提供了便捷的編程和配置接口，使用者可以根據(jù)具體的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行靈活定制。無(wú)論是簡(jiǎn)單的控制任務(wù)還是復(fù)雜的系統(tǒng)集成，Wago-I/O-system都能展現(xiàn)出優(yōu)異的適應(yīng)性和可靠性，為工業(yè)自動(dòng)化帶來(lái)了更大的便利和效益。

1.2" " Wago-I/O-system的優(yōu)勢(shì)

1）可以在很惡劣的環(huán)境下保證無(wú)故障持續(xù)安全運(yùn)行，適用于處在振動(dòng)和沖撞的環(huán)境、溫濕度很高的環(huán)境及對(duì)抗電磁干擾要求較高的環(huán)境。

2）與各類(lèi)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)兼容。采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)具體應(yīng)用，可在總線(xiàn)適配器與控制器間選擇適用于不同總線(xiàn)協(xié)議的模塊。

3）自動(dòng)連接。內(nèi)部數(shù)據(jù)通過(guò)K-BUS總線(xiàn)連接（彈簧自動(dòng)連接），同時(shí)通過(guò)電源跨接觸電使相鄰模塊自動(dòng)進(jìn)行點(diǎn)位分布。

4）通過(guò)可編程現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制器和工業(yè)PC，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)適配器具備可編程控制功能。配置、編程和可視化均可通過(guò)軟件WAGO-I/O-PRO實(shí)現(xiàn)。

5）靈活性。Wago-I/O-system的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以根據(jù)通道需要進(jìn)行配置，并有多種電位和信號(hào)類(lèi)型可供選擇（1～8個(gè)通道）。數(shù)字量和模擬量輸入/輸出模塊及特殊功能模塊可自由組合，在一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)中，可以通過(guò)使用電源模塊改變某些I/O模塊的供電電壓。

6）操作簡(jiǎn)單。該系列模塊適于導(dǎo)軌安裝，也可并排組裝，從而可實(shí)現(xiàn)無(wú)需工具的操作，添加模塊均簡(jiǎn)單易行，現(xiàn)場(chǎng)的連接由久經(jīng)考驗(yàn)的CAGE CLAMP籠式彈簧承擔(dān)，其可提供快速、抗振動(dòng)和免維護(hù)的連接。

1.3" " Wago-I/O-system模塊介紹

Wago-I/O-system模塊種類(lèi)豐富，包括但不限于以下這些模塊：其一，控制器模塊作為系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和控制其他模塊的工作；其二，連接器模塊用于連接各個(gè)模塊，確保信號(hào)的穩(wěn)定傳輸；其三，模擬量輸入模塊能夠?qū)⒛M信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便系統(tǒng)進(jìn)行處理；其四，模擬量輸出模塊則將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的控制；其五，數(shù)字量輸入模塊用于檢測(cè)數(shù)字信號(hào)，如開(kāi)關(guān)狀態(tài)等[1]；其六，數(shù)字量輸出模塊則用于控制數(shù)字信號(hào)的輸出，如控制繼電器等；其七，編碼器接口模塊專(zhuān)門(mén)用于與編碼器進(jìn)行連接，獲取位置或速度等信息；其八，步進(jìn)電機(jī)模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的精確控制；其九，連接模塊提供了各種接口，以滿(mǎn)足不同設(shè)備的連接需求；其十，終端模塊則用于結(jié)束信號(hào)傳輸，保證系統(tǒng)的完整性。上述這些模塊各司其職，共同構(gòu)成了Wago-I/O-system強(qiáng)大的功能體系，能夠滿(mǎn)足各種工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的需求。在實(shí)際應(yīng)用中，用戶(hù)可以根據(jù)具體的需求和場(chǎng)景，選擇合適的模塊進(jìn)行組合和配置，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的系統(tǒng)性能和效率。以下介紹Wago-I/O-system常用模塊。

1）數(shù)字量輸入模塊：用于檢測(cè)數(shù)字信號(hào)，如開(kāi)關(guān)狀態(tài)、傳感器信號(hào)等。例如，Wago 750-467是一款4通道數(shù)字量輸入模塊。

2）數(shù)字量輸出模塊：用于控制數(shù)字信號(hào)，如繼電器、指示燈等。例如，Wago 750-466是一款4通道數(shù)字量輸出模塊。

3）模擬量輸入模塊：適用于采集模擬信號(hào)，如溫度、壓力、流量等。例如，Wago 750-479是一款4通道模擬量輸入模塊。

4）模擬量輸出模塊：可以用來(lái)控制模擬信號(hào)，如控制閥、變頻器等。例如，Wago 750-481就是一款4通道模擬量輸出模塊。

5）通訊模塊：實(shí)現(xiàn)模塊與其他設(shè)備或系統(tǒng)的通訊。例如，Wago 750-849是一款以太網(wǎng)通訊模塊。

6）電源模塊：為其他模塊提供電力支持。例如，Wago 750-600就是一款電源模塊。

7）編碼器接口模塊：專(zhuān)門(mén)用于連接編碼器，獲取位置或速度信息。例如，Wago 750-482是一款編碼器接口模塊。

8）熱電偶模塊：用于測(cè)量熱電偶信號(hào)，如溫度。例如，Wago 750-485是一款熱電偶模塊。

1.4" " "Wago-I/O-system 750

如圖1所示，Wago-I/O-system 750是一個(gè)模塊化的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)獨(dú)立I/O系統(tǒng)，由一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)連接器/控制器“1”和應(yīng)用于各種類(lèi)型信號(hào)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)模塊“2”共同組成總線(xiàn)的節(jié)點(diǎn)，然后由終端模塊“3”完成節(jié)點(diǎn)。

連接器/控制器可適用的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)包括PROFIBUS、INTERBUS、ETHERNET TCP/IP、CAN（CANopen， DeviceNet）、MODBUS、LON等。連接器/控制器包含一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接口、一個(gè)電子單元和一個(gè)電源終端?？偩€(xiàn)接口提供了與相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)連接的接口，電子單元處理總線(xiàn)模塊的數(shù)據(jù)，使之適合現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通訊。Wago-I/O-system 750是具有各種功能的總線(xiàn)模塊，比如數(shù)字量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊、特殊功能模塊等，都可以連接到連接器/控制器。總線(xiàn)模塊與連接器/控制器之間的通訊是通過(guò)內(nèi)部總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)的。Wago-I/O-system 750具有一個(gè)帶LED燈的端口，可以進(jìn)行狀態(tài)指示。

1.5" " Field Bus Coupler 750-333

Field Bus Coupler 750-333（見(jiàn)圖2）支持Wago-I/O-system 750中的所有外圍I/O模塊，通過(guò)PROFIBUS DP傳輸數(shù)據(jù)。在總線(xiàn)連接器的初始化階段，確定節(jié)點(diǎn)的物理結(jié)構(gòu)，并自動(dòng)配置，生成所有輸入輸出模塊的本地過(guò)程映像。

Field Bus Coupler 750-333由以下幾個(gè)部分組成。第一，電源模塊。內(nèi)部系統(tǒng)電源模塊和給I/O模塊供電的電源跳線(xiàn)觸點(diǎn)。集成的內(nèi)部系統(tǒng)電源模塊可以為電子器件和連接的I/O模塊提供所需電壓，總線(xiàn)接口電源是從內(nèi)部系統(tǒng)電源模塊單獨(dú)隔離出來(lái)的。第二，總線(xiàn)接口。D-Sub9針插座（見(jiàn)圖3）。PROFIBUS接口是根據(jù)US Standard EIA RS 485標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的有線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。第三，調(diào)節(jié)站地址的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)（十進(jìn)制）。設(shè)備地址在設(shè)備上電初始化時(shí)就已經(jīng)執(zhí)行，運(yùn)行期間調(diào)整是無(wú)用的。第四，狀態(tài)顯示單元（LED，見(jiàn)圖4）。包括運(yùn)行狀態(tài)、總線(xiàn)通訊、故障信息診斷等。第五，配置接口。配置接口是與WAGO-I/O-CHECK軟件通訊時(shí)或固件上傳時(shí)使用的。需注意：在連接器/控制器通電時(shí)，禁止插拔通訊線(xiàn)750-920。第六，與I/O模塊通訊的電子器件。

2" " Amphion系統(tǒng)

2.1" " Amphion系統(tǒng)簡(jiǎn)介

Amphion系統(tǒng)是美國(guó)國(guó)民油井華高公司（NOV）研發(fā)的一套電子自動(dòng)鉆井控制系統(tǒng)，也是目前世界上最先進(jìn)的鉆井操作系統(tǒng)。Amphion自動(dòng)鉆井控制操作系統(tǒng)的控制原理簡(jiǎn)單，便于現(xiàn)場(chǎng)操作人員理解和掌握；系統(tǒng)功能強(qiáng)大，能夠滿(mǎn)足不同鉆井工況的需求；采用了先進(jìn)的電子技術(shù)和軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)穩(wěn)定性高；硬件和軟件都具有良好的可擴(kuò)展性，能夠滿(mǎn)足用戶(hù)的不同需求[2]。

Amphion系統(tǒng)是一個(gè)全面的鉆機(jī)控制系統(tǒng)，它提供了一個(gè)統(tǒng)一的鉆井設(shè)備控制界面，每一個(gè)設(shè)備由單獨(dú)的SBC（Single Board Computer）控制，設(shè)備之間又通過(guò)一個(gè)環(huán)網(wǎng)互相通訊（見(jiàn)圖5）。

2.2" " Amphion系統(tǒng)控制原理

Amphion系統(tǒng)的控制是基于傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域技術(shù)的綜合應(yīng)用。具體來(lái)說(shuō)，Amphion系統(tǒng)通過(guò)各種傳感器實(shí)時(shí)采集鉆井設(shè)備參數(shù)，如游車(chē)高度、大鉤載荷、泥漿泵泵沖、鐵鉆工位置等，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心?？刂浦行母鶕?jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并生成相應(yīng)的控制指令。這些控制指令通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)發(fā)送給鉆井設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井設(shè)備的自動(dòng)化控制。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是操作者控制電腦，電腦控制設(shè)備，設(shè)備的狀態(tài)通過(guò)傳感器反饋給電腦，電腦又通過(guò)人機(jī)界面直觀(guān)地反映給操作者（見(jiàn)圖6）。

2.3" " Amphion系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

Amphion系統(tǒng)通過(guò)MOXA開(kāi)關(guān)（見(jiàn)圖7）構(gòu)成一個(gè)環(huán)網(wǎng)，所有的設(shè)備包括觸摸屏、控制手柄、工具控制器、Wago I/O等最后都通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)連接到環(huán)網(wǎng)上，操作者可以通過(guò)人機(jī)交互界面訪(fǎng)問(wèn)任何已連接到環(huán)網(wǎng)中的設(shè)備，讀取所需要的設(shè)備參數(shù)，而后操作設(shè)備，并獲得設(shè)備的狀態(tài)信息反饋。其中，鉆井工具控制器SBC是Amphion控制系統(tǒng)的核心元件，它可以?xún)?chǔ)存所控制工具的所有參數(shù)信息，并可以通過(guò)連接在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的任意一臺(tái)電腦讀取所需信息。Amphion系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次分為4個(gè)層級(jí)，即平臺(tái)工具、工作總線(xiàn)、以太網(wǎng)及操作者。

3" " Wago-I/O-system在Amphion鉆井系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1" " Amphion系統(tǒng)中Wago的連接

在Amphion系統(tǒng)中，部分設(shè)備的Wago I/O直接連接到了環(huán)網(wǎng)中，如MTC（Multi Control Cabinet）柜的I/O和MSI（Multiple System Interface）的I/O等，而大部分設(shè)備的Wago I/O是先通過(guò)OLM（Optical Link Module）連接到設(shè)備的SBC后，再接入環(huán)網(wǎng)中（見(jiàn)圖8）。

3.2" " MTC柜內(nèi)的Wago模塊

MTC柜內(nèi)的Wago模塊采集了包括電源模塊、鉆井設(shè)備控制模塊（絞車(chē)、頂驅(qū)、排管機(jī)、鐵鉆工、指梁、輔助設(shè)備等的SBC）、MOXA開(kāi)關(guān)、OLM模塊、溫度傳感器（見(jiàn)圖9）等的狀態(tài)信息，通過(guò)以太網(wǎng)連接到環(huán)網(wǎng)中，最終以簡(jiǎn)單明了的界面顯示在觸摸屏上，操作者和維護(hù)者可以直觀(guān)地監(jiān)測(cè)各控制模塊和通訊模塊等的正常狀態(tài)或者故障狀態(tài)，這也為設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)維護(hù)人員發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題提供了極大的便利。

3.3" " 通過(guò)Wago的反饋解決鐵鉆工ST-160故障

鐵鉆工是海洋鉆井平臺(tái)管道自動(dòng)化處理裝置的組成部分之一，由主鉗、背鉗及旋扣鉗組成，能實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆具的上、卸扣作業(yè)，它集合了鉆臺(tái)上所有的上扣與卸扣工具，比如液壓大鉗、B型鉗、套管鉗都可由鐵鉆工代替。鐵鉆工對(duì)鉆桿的傷害低，三個(gè)鉗頭抱緊鉆桿，接箍自動(dòng)居中，避免了剪切力對(duì)鉆桿的傷害。可以遠(yuǎn)程操作，操作安全簡(jiǎn)單且可靠，有效提高管道處理的自動(dòng)化水平[3-5]。

NOV生產(chǎn)的ST-160型鐵鉆工，最大上扣扭矩140 000 ft?lbs（1 ft?lbs=1.354 9 N?m），最大卸扣扭矩160 000 ft?lbs，鉆具范圍3.5～10 in（1 in=25.4 mm），能力突出，功能強(qiáng)大，是鉆井平臺(tái)極其重要的裝備。當(dāng)鐵鉆工出現(xiàn)故障時(shí)，如何快速判斷并排除故障是至關(guān)重要的。而Amphion系統(tǒng)可以做到這一點(diǎn)，通過(guò)Wago的反饋，可以將故障直觀(guān)地顯示在操作界面，使操作者和維護(hù)人員可在最短時(shí)間內(nèi)找到故障點(diǎn)，從而保障了生產(chǎn)的連續(xù)性。

3.3.1" " "鐵鉆工ST-160的通訊連接

在鐵鉆工ST-160的REMOTE I/O箱里，Wago模塊通過(guò)profibus DP連接到OLM，然后通過(guò)光纖與MTC柜通訊。在MTC柜里，光纖通過(guò)OLM模塊轉(zhuǎn)換為profibus DP與鐵鉆工ST-160的SBC通訊，SBC通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)連接到環(huán)網(wǎng)中，見(jiàn)圖10。

3.3.2" " 故障現(xiàn)象及解決方法

鐵鉆工ST-160在使用時(shí)，副司鉆已取得的權(quán)限突然被釋放掉，導(dǎo)致無(wú)法繼續(xù)操作，此時(shí)，鐵鉆工ST-160報(bào)警界面顯示與諸多節(jié)點(diǎn)的通訊丟失，查看profibus I/O狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)鐵鉆工ST-160控制器SBC與各節(jié)點(diǎn)的通訊全部中斷，見(jiàn)圖11（鐵鉆工ST-160故障現(xiàn)象1）。查看MTC柜內(nèi)的模塊狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)ST-160的OLM狀態(tài)指示為故障狀態(tài)，見(jiàn)圖12（鐵鉆工ST-160故障現(xiàn)象2）。打開(kāi)ST-160 REMOTE I/O箱檢查發(fā)現(xiàn)OLM模塊故障，狀態(tài)指示燈全部熄滅。Wago模塊的BF燈為紅色，見(jiàn)圖13（鐵鉆工ST-160故障現(xiàn)象3），說(shuō)明PROFIBUS通訊故障。測(cè)量OLM模塊的24 V電源，狀態(tài)為正常，判斷為OLM模塊本身故障，于是更換新OLM模塊，并設(shè)定好地址，之后所有狀態(tài)指示恢復(fù)正常，ST-160通訊恢復(fù)，設(shè)備可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

4" " 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)Wago模塊在Amphion鉆井系統(tǒng)中的應(yīng)用研究，從而深刻認(rèn)識(shí)到模塊化設(shè)計(jì)在鉆井系統(tǒng)中的重要性。Wago模塊的可靠性、靈活性和易于維護(hù)性為Amphion鉆井系統(tǒng)的高效運(yùn)行提供了有力支持。Wago-I/O-system與各類(lèi)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的強(qiáng)大兼容性，為其與各種控制器的連接，以及構(gòu)建工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)環(huán)網(wǎng)控制系統(tǒng)都帶來(lái)了極大的便利，其模塊化設(shè)計(jì)及模塊的多樣性可以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)大部分傳感器的數(shù)據(jù)采集要求，其對(duì)振動(dòng)、沖撞、溫濕度高等惡劣環(huán)境的強(qiáng)適應(yīng)性使之非常適合在海洋鉆井平臺(tái)上使用。Wago-I/O-system與Amphion系統(tǒng)的結(jié)合，為海洋石油鉆井平臺(tái)鉆井設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、操作維護(hù)及故障處理提供了理想的解決方案。然而，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，仍需不斷探索和創(chuàng)新，以進(jìn)一步提高鉆井系統(tǒng)的性能和適應(yīng)性。

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作者簡(jiǎn)介：

李" " 昊（1986—），男，山東費(fèi)縣人，工程師，2008年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)主要從事自升式鉆井平臺(tái)電氣系統(tǒng)管理和維護(hù)工作。

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編輯：林" " 鮮