SIMATIC控制系統(tǒng)在石油鉆井設(shè)備上的應(yīng)用

摘要(Abstract)：本文結(jié)合石油鉆井設(shè)備控制系統(tǒng)的具體實(shí)例，概括了利用西門(mén)子SIMATIC 300進(jìn)行系統(tǒng)集成的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)使用STEP 7軟件進(jìn)行編程和調(diào)試，通過(guò)PROTOOL軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的可視化，通過(guò)WINCC軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、歷史歸檔和報(bào)表打印，實(shí)現(xiàn)了冗余備份和遠(yuǎn)程維護(hù)功能。
關(guān)鍵詞(Keywords)：數(shù)據(jù)采集 歷史歸檔 冗余備份 遠(yuǎn)程監(jiān)控

1 引言

該項(xiàng)目使用SIMATIC控制系統(tǒng)應(yīng)用在ZJ30DB、ZJ50DB變頻電動(dòng)鉆機(jī)上。我公司為由四家企業(yè)組成的中外合資企業(yè)。公司以科技為先導(dǎo)，主要生產(chǎn)石油鉆井設(shè)備及其配套設(shè)備、電氣控制系統(tǒng)、工程環(huán)保項(xiàng)目等。

選用西門(mén)子SIMATIC 300系列CPU作為變頻電動(dòng)鉆機(jī)的控制核心，PLC與變頻器的通訊采用Profibus總線。由于高可靠性及野外操作對(duì)維修帶來(lái)的復(fù)雜性要求，系統(tǒng)具有冗余備份和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

2 系統(tǒng)介紹

該鉆井設(shè)備布置分為五個(gè)區(qū)域:鉆臺(tái)區(qū)、泵房區(qū)、動(dòng)力及電傳動(dòng)區(qū)、固控區(qū)、油罐區(qū)。鉆臺(tái)區(qū)布置有絞車(chē)、轉(zhuǎn)盤(pán)、頂驅(qū)、司鉆室、司鉆偏房等，為危險(xiǎn)作業(yè)區(qū)，整個(gè)區(qū)域的電氣均要求防爆。泵房區(qū)布置有泥漿泵組、電動(dòng)灌注系統(tǒng)及鉆井液管匯;動(dòng)力及電傳動(dòng)區(qū)布置有柴油發(fā)電機(jī)房、氣源凈化裝置房、輔助發(fā)電機(jī)房和電控房;固控區(qū)布置有泥漿循環(huán)罐、泥漿凈化設(shè)備及套裝水罐;油罐區(qū)包括油罐、泵、管線。由于鉆臺(tái)區(qū)為危險(xiǎn)防爆區(qū)域，按照國(guó)際及國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其他區(qū)域距離井眼的長(zhǎng)度至少在50米以上。整套PLC控制系統(tǒng)分別布置在電控房和司鉆室，其中電控房?jī)?nèi)包括兩臺(tái)相互冗余的CPU和一套ET200M，司鉆室包含一套ET200M。電控房?jī)?nèi)布置有:PLC控制柜、發(fā)電機(jī)柜、整流柜、VFD柜及MCC柜。司鉆室集鉆機(jī)機(jī)電、氣、液控制于一體，除了包含一套ET200M的電控柜外還包括主控制臺(tái)和輔助控制臺(tái)，具有鉆機(jī)操作和鉆井參數(shù)實(shí)時(shí)顯示、電氣系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控與顯示、聲光報(bào)警、故障指示等。控制系統(tǒng)可以完成對(duì)5臺(tái)600kW以上電機(jī)(其中包括3臺(tái)泥漿泵電機(jī)、1臺(tái)絞車(chē)機(jī)和1臺(tái)轉(zhuǎn)盤(pán)電機(jī))的控制和相互之間的聯(lián)鎖控制;還包括對(duì)發(fā)電機(jī)柜、整流柜及鉆臺(tái)傳感器的數(shù)據(jù)采集、控制和報(bào)警、故障顯示。在鉆井過(guò)程中，對(duì)絞車(chē)和轉(zhuǎn)盤(pán)的可靠性要求較高，如果絞車(chē)或轉(zhuǎn)盤(pán)發(fā)生故障，在短時(shí)間內(nèi)不能修復(fù)，則有可能造成井壁坍塌的大事故，因而系統(tǒng)具有冗余備份的功能。

3 控制系統(tǒng)構(gòu)成

控制站具有冗余備份功能，由兩個(gè)SIMATIC CPU 315-2DP模塊構(gòu)成;采用ET200M將現(xiàn)場(chǎng)輸入輸出點(diǎn)通過(guò)Profibus總線連接到控制站，并通過(guò)Profibus總線與5臺(tái)ABB變頻器通訊;經(jīng)理室采用SIMATIC WINCC 軟件通過(guò)S7協(xié)議與控制站通訊;并在控制站通過(guò)MPI口外接SIMATIC TC35T以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)。

4 系統(tǒng)功能

整套鉆機(jī)的鉆井工藝概況如下:

絞車(chē)裝置主要用于起升、下放井架、底座、大鉤及鉆桿;轉(zhuǎn)盤(pán)裝置用于鉆桿的上扣、下扣以及旋轉(zhuǎn)鉆桿帶動(dòng)鉆頭切削巖石;泥漿泵裝置將高壓泥漿通過(guò)管匯注入鉆頭，不僅起潤(rùn)滑、冷卻鉆頭的作用，還將夾雜著巖石碎屑的泥漿帶回泥漿凈化系統(tǒng)以便重新使用。

整個(gè)鉆機(jī)系統(tǒng)的功能主要包括:

(1) 通過(guò)Profibus總線，實(shí)現(xiàn)S7-300 CPU與ABB變頻器之間的通訊，以完成對(duì)相應(yīng)電機(jī)的控制。根據(jù)傳遞參數(shù)數(shù)量確定PPO類(lèi)型, 編寫(xiě)相應(yīng)的通訊程序。對(duì)關(guān)鍵鉆井工藝過(guò)程實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)鎖，若發(fā)生故障，在操作臺(tái)面板上給出聲光報(bào)警, 并在MP370顯示面板上給出報(bào)警或故障提示。

(2) 泥漿泵控制:操作員操作司鉆室的面板通過(guò)ET200M的Profibus-DP將信號(hào)傳遞到控制站S7-300 CPU模塊，控制三臺(tái)泥漿泵的風(fēng)機(jī)、噴淋泵、泥漿泵主電機(jī)的啟動(dòng)、停止、速度給定以及相關(guān)的聯(lián)鎖保護(hù)。由于電機(jī)功率較大，要求強(qiáng)制風(fēng)冷。泥漿泵風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，當(dāng)其風(fēng)壓開(kāi)關(guān)閉合即建立風(fēng)壓時(shí)，方可啟動(dòng)泥漿泵主電機(jī)。

(3) 絞車(chē)控制:使用脈沖編碼器通過(guò)FM350模塊計(jì)算大鉤高度，對(duì)最高位、最低位進(jìn)行限位，防止“上碰下砸”;具有“自動(dòng)控制”功能，可根據(jù)速度給定手柄的位置確定是否處于自動(dòng)區(qū)域(手柄全行程的0～20%，80%～100%)，處于自動(dòng)區(qū)域可自動(dòng)控制大鉤的運(yùn)行速度以及停止位置;可選擇高速、低速、超低速三種速度選擇范圍以適應(yīng)不同工況;在起升、下放井架、底座時(shí)由于負(fù)載重量比較大，使用“超低速”速度選擇方式(0～60rpm)，而且在起升、下放時(shí)，系統(tǒng)具有能耗制動(dòng)功能，使得操作平穩(wěn)、可靠。

(4) 轉(zhuǎn)盤(pán)控制:采用Profibus-DP協(xié)議通訊，可控制轉(zhuǎn)盤(pán)變頻器的速度給定值、扭矩限定值，并給出變頻器過(guò)流、過(guò)壓報(bào)警。

(5) 軟件冗余:當(dāng)由于供電單元、背板總線、主站、硬件或軟件引起的CPU發(fā)生故障、冗余備份總線電纜、冗余從站接口通訊中斷或冗余從站接口發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)SIMATIC Software Redundancy軟件-簡(jiǎn)單的軟件機(jī)制就可使一個(gè)發(fā)生故障的主CPU由冗余CPU接管過(guò)來(lái)，這對(duì)主備系統(tǒng)切換時(shí)間要求不高、而采用冗余備份系統(tǒng)或其他特殊高可靠性系統(tǒng)不是絕對(duì)必要(從性?xún)r(jià)比方面考慮)的系統(tǒng)是比較適合的。采用這種軟件冗余備份方法，可有效地提高系統(tǒng)的可靠性;

(6) 遠(yuǎn)程監(jiān)控:通過(guò)GSM無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。由于石油鉆井設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的特殊性(可靠性要求高，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)比較偏僻、環(huán)境惡劣)，現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)不可能迅速快捷，維修成本相應(yīng)較大。在遠(yuǎn)程終端通過(guò)SIMATIC TELESERVICE 軟件，可在線實(shí)時(shí)分析故障原因并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程軟件升級(jí)。這樣可更有效地使用資源、提供快捷服務(wù)、大大較少維修費(fèi)用和維護(hù)時(shí)間、增強(qiáng)了設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性;

(7) 人機(jī)界面:兩個(gè)人機(jī)界面顯示面板分別設(shè)置在電控房和司鉆室。通過(guò)PROTOOL軟件組態(tài), 顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及各個(gè)電機(jī)的運(yùn)行邏輯狀態(tài)，監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行，設(shè)有故障頁(yè)顯示, 便于故障定位和維護(hù)。

(8) 歷史歸檔及報(bào)表打印:由設(shè)置在經(jīng)理室的PC機(jī)完成。采用SIMATIC WINCC軟件編制，使用Microsoft公司的SQL SERVER作為數(shù)據(jù)庫(kù)管理的工具，VISUAL C實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史歸檔數(shù)據(jù)的查詢(xún)、動(dòng)態(tài)畫(huà)面的組態(tài)，可實(shí)現(xiàn)報(bào)表、趨勢(shì)、報(bào)警打印功能，為管理人員分析數(shù)據(jù)提供幫助。

5 結(jié)束語(yǔ)

整套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了鉆井設(shè)備的分布式集中控制。設(shè)置在電控房?jī)?nèi)的S7-300 CPU，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的分布式I/O模塊采集設(shè)備狀態(tài)、控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行，具有復(fù)雜程序控制和常規(guī)聯(lián)鎖保護(hù)功能，并通過(guò)兩臺(tái)顯示面板實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀況的可視化，系統(tǒng)還具有歷史歸檔和報(bào)表打印功能，使整個(gè)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和競(jìng)爭(zhēng)力。

由于方案是初次使用西門(mén)子公司的PLC控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的通訊采用Profibus電氣網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)中的司鉆室距離電控房較遠(yuǎn)(60m)，系統(tǒng)初始設(shè)置通訊速率為1.5Mbps，但在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)設(shè)置在司鉆室的分布式I/O從站時(shí)常有通訊中斷現(xiàn)象，而按照設(shè)計(jì)要求位于總線終端的中繼器和總線連接器的終端電阻都置于“ON”位置。這讓現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、故障查找及排除花費(fèi)了較長(zhǎng)時(shí)間。但按照手冊(cè)查找，通訊速率應(yīng)可達(dá)12Mbps，系統(tǒng)中設(shè)置通訊速率為1.5Mbps通訊應(yīng)該可靠，但將波特率降低至500kbps，系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行安全可靠，再無(wú)通訊故障現(xiàn)象發(fā)生。這說(shuō)明系統(tǒng)的通訊質(zhì)量存在問(wèn)題。經(jīng)分析，從電控房到司鉆室的通訊線受到動(dòng)力線的干擾較大。

如何根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)、總線的硬件連接情況確定系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行的通訊速率以及如何優(yōu)化，這些困擾擺在我們面前。目前，西門(mén)子公司已推出用于檢測(cè)Profibus 系統(tǒng)通訊質(zhì)量的專(zhuān)用儀器，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)改善拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)和硬件接線，便于設(shè)備安裝、調(diào)試、故障定位與維護(hù);另外，從性?xún)r(jià)比方面考慮，采用光纖通訊也是一種可行方案。從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的調(diào)試和運(yùn)行情況來(lái)看，SIMATIC PLC控制系統(tǒng)的可靠性和靈活性有目共睹，相信我們會(huì)有更多的設(shè)備來(lái)使用SIMATIC控制系統(tǒng)。