北石頂驅(qū)WinCC趨勢畫面在故障分析中的應(yīng)用

張堯，王博，孫明寰，馬瑞，謝海歡

(北京石油機械廠，北京 100083)

0 引言

北石頂驅(qū)采用WinCC系統(tǒng)作為上位機監(jiān)控系統(tǒng)，存儲了大量頂驅(qū)運行中的參數(shù)。出現(xiàn)故障時，通過讀取，分析這些記錄的數(shù)據(jù)，對于故障的分析和判斷有很大的幫助，本文介紹了如何利用趨勢畫面，了解，判斷頂驅(qū)出現(xiàn)的問題。

1 北石頂驅(qū)PLC系統(tǒng)與WinCC系統(tǒng)介紹

北石頂驅(qū)采用西門子S7-300型PLC作為主控制系統(tǒng)，利用MPI網(wǎng)絡(luò)與WinCC監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通訊，將采集到的數(shù)據(jù)在WinCC系統(tǒng)畫面上進(jìn)行顯示，包括電機溫度，電機電壓、電流，減速箱溫度，頂驅(qū)轉(zhuǎn)速，扭矩等。

系統(tǒng)圖如圖1顯示。

圖1 系統(tǒng)圖

2 北石頂驅(qū)WinCC監(jiān)控系統(tǒng)的組成

頂驅(qū)WinCC監(jiān)控系統(tǒng)是由西門子627C工控機和DELL 19吋液晶顯示器組成。工控機627C通過集成的CP5611通訊卡與PLC的MPI接口連接，在通訊的過程中WinCC以變量和過程值的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。WinCC監(jiān)控系統(tǒng)讀取到數(shù)據(jù)后，按照程序的設(shè)置，將數(shù)據(jù)保存、歸檔。監(jiān)控系統(tǒng)通過畫面對系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控，監(jiān)控的主畫面主要分為四個區(qū)域分別顯示以下不同的信息，如圖2中的顯示。

圖2 WinCC界面

(1)工具欄:在工具欄區(qū)內(nèi)是畫面之間的切換按鈕

(2)顯示區(qū):顯示畫面區(qū)是經(jīng)行系統(tǒng)監(jiān)視及控制操作的主要區(qū)域

(3)報警欄:顯示系統(tǒng)當(dāng)前最新的報警內(nèi)容和相應(yīng)的解決方法

(4)狀態(tài)欄:顯示當(dāng)前的畫面名稱，當(dāng)前系統(tǒng)時間等信息

通過單擊工具欄上的按鈕可以進(jìn)入對應(yīng)的WinCC監(jiān)控畫面，主要監(jiān)控畫面有:電源系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、頂驅(qū)系統(tǒng)、控制狀態(tài)、輔助畫面、趨勢畫面、報警記錄、設(shè)定畫面等。

3 系統(tǒng)趨勢畫面

PLC系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)處理后，通過MPI網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至WinCC監(jiān)控系統(tǒng)，在WinCC系統(tǒng)中歸檔、保存，并且將數(shù)據(jù)顯示在趨勢圖中。進(jìn)入趨勢畫面，可以看到顯示的趨勢圖像，通過點擊趨勢畫面右下角的菜單欄，可以切換顯示的趨勢圖，按照參數(shù)種類和裝置種類，趨勢畫面分為以下十一種:

系統(tǒng)趨勢，電流趨勢，電壓趨勢，轉(zhuǎn)矩趨勢，頻率趨勢，電源模塊趨勢，電機模塊趨勢，頂驅(qū)減速箱趨勢，司鉆臺操作記錄，主電機溫度趨勢，故障報警記錄。

通常情況下，趨勢圖顯示最近10分鐘的數(shù)值，點擊趨勢圖上方工具欄的“開始/停止”按鈕可以暫停和啟動數(shù)據(jù)更新;點擊“倒回”按鈕查看歷史趨勢記錄;點擊“分配參數(shù)”按鈕，能夠選擇需要顯示和關(guān)閉的趨勢，可以通過選擇變量，在趨勢圖中增添需要顯示的數(shù)據(jù)，還能夠選擇時間軸的時間范圍;點擊“標(biāo)尺”按鈕，會出現(xiàn)標(biāo)尺線，精確顯示變量的數(shù)值和記錄時間。

4 趨勢畫面的數(shù)據(jù)記錄和分析

4.1 趨勢圖數(shù)據(jù)記錄

趨勢圖記錄的數(shù)據(jù)，分為兩種，一種是模擬量的信號，如溫度，壓力，電壓，電流值等，特點是連續(xù)變化，不會產(chǎn)生突變，比如電機溫度的變化。如果產(chǎn)生突變，說明在突變的時刻有故障的存在，例如圖3中的顯示，記錄的是液壓系統(tǒng)壓力值和溫度值，在大約8點時，壓力值和溫度值都有明顯的突變降低。實際上，引起該突變的原因，是液壓管線突然斷開。

還有一種為數(shù)字量的信號，如流量開關(guān)，頂驅(qū)使能，司鉆臺操作記錄等，數(shù)字量信號的只有“0”和“1”兩位，開關(guān)接通時記錄為“1”，斷開時記錄為“0”。由于司鉆臺操作旋鈕較多，所以將司鉆臺的記錄值分為4個字節(jié)，每個字節(jié)保存成為一個8位的2進(jìn)制變量，變量名稱分別為 TCC1，TCC2，TCC3，TCC4，共32 位，其中每一位對應(yīng)一個操作旋鈕。在分析司鉆臺操作記錄時，需要對照電氣圖冊中司鉆臺開關(guān)的地址，如圖4中，TCC1的記錄值由32變?yōu)?6，將這兩個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成2進(jìn)制，就是 100000變?yōu)?00100，可以看到，是第三位由“0”變?yōu)椤?”，對照圖5中的電氣圖冊可以知道，是圖中的第三個開關(guān)，即頂驅(qū)正轉(zhuǎn)開關(guān)狀態(tài)發(fā)生了改變，頂驅(qū)停止?fàn)顟B(tài)變成了正轉(zhuǎn)狀態(tài)。由此可以看出，通過WinCC中的記錄數(shù)據(jù)可以看到頂驅(qū)的各種狀態(tài)和操作，在出現(xiàn)故障時，可以幫助我們對故障進(jìn)行更好的分析。

圖3 液壓系統(tǒng)圖

圖4 司鉆臺操作記錄

4.2 趨勢圖的分析

趨勢圖的分析，可以遵循兩種方法，方法一可以稱為橫向比較，即選取同一時刻的不同趨勢圖進(jìn)行分析;方法二稱為縱向比較，即選取不同時間記錄的同一曲線進(jìn)行比較分析。

圖5 司鉆臺開關(guān)

方法一:通過選擇同一時刻的不同趨勢圖，進(jìn)行多張趨勢圖的綜合分析，了解在出現(xiàn)故障時，頂驅(qū)的操作和頂驅(qū)各部分的狀況。如圖6，圖7，圖8，分別是頂驅(qū)電機輸出電流趨勢圖，司鉆臺操作記錄和司鉆臺手輪設(shè)定值。按照三張圖中的同一時刻對比分析可以看出，司鉆臺旋轉(zhuǎn)方向從“正轉(zhuǎn)”切換到“停止”，速度手輪保持不變，頂驅(qū)正常降速停機，停機后，司鉆臺旋轉(zhuǎn)方向從“停止”切換到“正轉(zhuǎn)”，但頂驅(qū)仍然停止，之后速度手輪回零并重新給定轉(zhuǎn)速，頂驅(qū)在同一時刻啟動，繼續(xù)鉆進(jìn)。通過比較同一時刻不同的趨勢圖，可以清楚的看到，頂驅(qū)本次停機的原因及司鉆的操作過程。

方法二:通過比較同一張趨勢圖的不同時間段，對頂驅(qū)出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，如圖9，圖10，都是頂驅(qū)變頻系統(tǒng)直流母線電壓的趨勢圖，下方的時間軸上顯示，兩張趨勢圖均是10個小時中所記錄的電壓趨勢，趨勢圖9是在鉆井時的電壓趨勢，在鉆井時電壓值較為平穩(wěn);趨勢圖10是在起下鉆時的電壓趨勢，起下鉆時，電壓出現(xiàn)很多的尖峰。從這兩張趨勢圖中可以明顯看出，起下鉆時，由于游車的啟停非常頻繁，對于頂驅(qū)直流母線電壓的影響很大，需要提醒司鉆在操作時注意平穩(wěn)。

圖6 電流趨勢圖

圖7 司鉆臺操作記錄

圖8 司鉆臺手輪設(shè)定值

圖9 鉆井時直流母線電壓趨勢

圖10 起下鉆時直流母線電壓趨勢

5 結(jié)束語

北石頂驅(qū)的WinCC監(jiān)控系統(tǒng)，功能全面，人機界面友好。通過與PLC的通訊，讀取了大量的頂驅(qū)運行參數(shù)，并將其記錄歸檔，顯示在趨勢畫面中。通過不同的趨勢畫面，可以選取需要的數(shù)據(jù)顯示，分析。趨勢畫面的利用，對于頂驅(qū)的使用維護，發(fā)生故障后的分析，解決，提供了大量有效的信息。

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