頂驅(qū)PLC控制系統(tǒng)研究及應用

姚剛(盤錦遼河油田天意石油裝備公司, 遼寧 盤錦 124010)

頂驅(qū)PLC控制系統(tǒng)研究及應用

姚剛(盤錦遼河油田天意石油裝備公司, 遼寧 盤錦 124010)

文章從頂驅(qū)電控系統(tǒng)組成著手,通過功能介紹、硬件和軟件設計,系統(tǒng)地闡述了S7-300系列PLC在頂驅(qū)電控系統(tǒng)中的應用,介紹了DQ70國產(chǎn)頂驅(qū)采用西門子S7-300系列PLC作為主控制器的PLC控制系統(tǒng)和基于SIMATIC WinCC的人機界面系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)安全可靠、便于維護,與PLC通訊的HMI(人機界面)具有故障信息顯示及過程控制功能。

頂驅(qū);PLC;控制;研究

頂部驅(qū)動鉆井裝置從井架空間上部旋轉(zhuǎn)鉆柱，驅(qū)動鉆具旋轉(zhuǎn)鉆進，是以立根為單元的鉆進，能完成接立柱、循環(huán)鉆井液、倒劃眼等多種鉆井操作，使用頂驅(qū)裝置可以及時有效地處理遇卡事故，提高了鉆井機械化操作水平，目前已得到越來越廣泛的應用。

根據(jù)鉆井工藝及現(xiàn)場工作要求，DQ70頂驅(qū)控制系統(tǒng)采用PLC控制和PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)，并開發(fā)了監(jiān)控系統(tǒng)，提高了設備的自動控制水平。

1 頂驅(qū)電控系統(tǒng)概述

DQ70交流變頻頂驅(qū)電控系統(tǒng)設計總體性能滿足4000米鉆機的動力配置要求，操作控制和保護功能滿足鉆井工藝要求。電傳動系統(tǒng)由ABB ACS800系列交流變頻裝置驅(qū)動兩臺交流變頻電機，實現(xiàn)頂驅(qū)裝置的無級調(diào)速和正反轉(zhuǎn)運行。

DQ70頂驅(qū)電氣傳動與控制系統(tǒng)采用西門子S7-300PLC控制器，西門子PLC 與ABB變頻器之間通過Profibus-DP 總線和通訊模塊 RPBA 建立通訊連接，變頻器、司鉆操作箱等控制系統(tǒng)間通過現(xiàn)場總線控制技術(shù)實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)交換及控制；電傳動系統(tǒng)采用ABB ACS800變頻裝置控制頂驅(qū)主電機速度及力矩,系統(tǒng)性能滿足有關(guān)的國際IEC的規(guī)定，符合功率電子裝置有關(guān)的電磁兼容性(EMC)標準。

在設計過程中本著操作簡單、顯示集中、安裝方便、高自動化程度、高可靠性的原則，遵循鉆井操作工藝和對各操作點的操作幾率人性化設計，將一些先進自動化設計理念運用其中。

2 頂驅(qū)系統(tǒng)的組成及功能

DQ70頂驅(qū)全套控制系統(tǒng)主要包括頂驅(qū)電控房、司鉆操作臺、變頻電機、各種動力及控制電纜等組成。其中電控房內(nèi)配置變頻柜、濾波及過壓保護柜和MCC柜等設備。司鉆電控臺具有操作和顯示報警的功能，MCC柜配置變壓器、電機保護器、控制單元、柜內(nèi)照明裝置、繼電器等電器元件，為頂驅(qū)風冷系統(tǒng)、電機加熱器、液壓源、液壓電磁閥、潤滑系統(tǒng)供電，并為電控房內(nèi)的工控機、PLC模塊、空調(diào)、照明等供電。

PLC控制系統(tǒng)采用PROFIBUS-DP總線系統(tǒng)和ABB通訊模塊 RPBA進行數(shù)據(jù)快速交換，可通過工控機操作界面進行顯示和操作。

PLC控制系統(tǒng)的功能:①操縱操作機構(gòu)各路閥組電磁閥換向及互鎖功能。②報警和顯示：電機、變頻器運行狀態(tài)、電機溫度報警，減速箱油溫報警，液壓源油溫、液位報警，以及主軸轉(zhuǎn)速顯示，鉆井扭矩顯示、液壓站運行狀態(tài)顯示。③主電機轉(zhuǎn)速、扭矩控制。④操縱液壓泵、潤滑泵、風機的啟停。

3 系統(tǒng)硬件設計

(1)PLC控制系統(tǒng) PLC控制系統(tǒng)采用S7-300PLC，其配置為CPU模塊CPU 315-2DP，PLC模擬量輸入、輸出模塊，數(shù)字量輸入、輸出模塊。PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)頂驅(qū)主電機速度和扭矩的精確控制和機械機構(gòu)的自動控制，并通過與工控機的通訊監(jiān)控運行過程中出現(xiàn)的故障，可以將煙感、溫感等輸入信號通過模擬量模塊處理，為工控機提供實時監(jiān)控變量監(jiān)測系統(tǒng)運行情況。

(2)頂驅(qū)系統(tǒng)通訊 PLC 系統(tǒng)與司鉆操作臺和變頻器之間通過PROFIBUS 總線通訊連接，為頂驅(qū)裝置的主電機提供相應的扭矩、轉(zhuǎn)速控制以及起下鉆時 傾斜臂、回轉(zhuǎn)頭、上卸扣等功能控制。

(3)操作監(jiān)控系統(tǒng) 工控機系統(tǒng)采用Windows操作系統(tǒng)和WinCC中文版組態(tài)軟件，通過Profibus-DP網(wǎng)絡實現(xiàn)與下位機通信，工控機可實時接收數(shù)字及模擬量信號，如合閘信號、液位、溫度等數(shù)據(jù)，監(jiān)控并控制現(xiàn)場設備的狀態(tài)，通過窗口界面顯示。

工控機在頂驅(qū)控制系統(tǒng)中主要起數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、運行監(jiān)視、控制、記錄統(tǒng)計制表、通信控制、系統(tǒng)自診斷、故障/報警作用。

4 系統(tǒng)軟件設計

(1)現(xiàn)場PLC控制軟件 PLC控制系統(tǒng)采用STEP7編程軟件,STEP7 編程軟件可以對硬件和網(wǎng)絡實現(xiàn)組態(tài)，在硬件組態(tài)界面可以監(jiān)控主站和各個子站間的通訊故障，在程序中使用各種控制指令，實現(xiàn)對頂驅(qū)交流變頻傳動系統(tǒng)和各個控制機構(gòu)的邏輯控制，以滿足鉆井工藝的要求。

頂驅(qū)PLC控制系統(tǒng)通過使用語句表、梯形圖或功能圖輸入控制程序，來實現(xiàn)DQ70頂驅(qū)裝置的控制功能要求，并用以工控機的監(jiān)測和控制。

(2)人機界面軟件 人機界面軟件采用西門子過程監(jiān)視系統(tǒng)SIMATIC WinCC，WinCC 是一種數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，是基于Windows平臺運行的人機界面系統(tǒng),可以高效監(jiān)控并控制自動化過程，計算機通過WinCC人機界面系統(tǒng)的圖形編輯器，在工控機設計頂驅(qū)系統(tǒng)模擬運行畫面，根據(jù)PLC 設定的輸入輸出地址，在工控機系統(tǒng)界面分配相應的輸入/輸出地址，通過與PLC等設備的通信用以實現(xiàn)工控機對頂驅(qū)系統(tǒng)的監(jiān)測和控制功能。

5 結(jié)語

DQ70頂驅(qū)電控系統(tǒng)采用PLC控制和操作監(jiān)控系統(tǒng)，提高了控制水平和對設備的保護，其各種性能達到了設計要求，能滿足在鉆井施工的各種工藝條件要求，具有良好的應用前 景和推廣價值。