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1、SIMATIC控制系统在石油钻井设备上的应用hesp导语：本文结合石油钻井设备控制系统的详细实例，概括了利用西门子SIMATIC300进展系统集成的设计方法。b1引言/b该工程使用SIMATIC控制系统应用在ZJ30DB、ZJ50DB变频电动钻机上。我公司为由四家企业组成的中外合资企业。公司以科技为先导，主要消费石油钻井设备及其配套设备、电气控制系统、工程环保工程等。选用西门子SIMATIC300系列CPU作为变频电动钻机的控制核心，PLC与变频器的通讯采用Profibus总线。由于高可靠性及野外操纵对维修带来的复杂性要求，系统具有冗余备份和远程监控功能。2系统介绍该钻井设备布置分为五个区域:
2、钻台区、泵房区、动力及电传动区、固控区、油罐区。钻台区布置有绞车、转盘、顶驱、司钻室、司钻偏房等，为危险作业区，整个区域的电气均要求防爆。泵房区布置有泥浆泵组、电动灌注系统及钻井液管汇;动力及电传动区布置有柴油发电机房、气源净化装置房、辅助发电机房和电控房;固控区布置有泥浆循环罐、泥浆净化设备及套装水罐;油罐区包括油罐、泵、管线。由于钻台区为危险防爆区域，按照国际及国家有关标准，其他区域间隔井眼的长度至少在50米以上。整套PLC控制系统分别布置在电控房和司钻室，其中电控房内包括两台互相冗余的CPU和一套ET200M，司钻室包含ET200M。电控房内布置有LC控制柜、发电机柜、整流柜、VFD柜及
3、MCC柜。司钻室集钻机机电、气、液控制于一体，除了包含一套ET200M的电控柜外还包括主控制台和辅助控制台，具有钻机操纵和钻井参数实时显示、电气系统运行监控与显示、声光报警、故障指示等。控制系统可以完成对5台600kW以上电机其中包括3台泥浆泵电机、1台绞车机和1台转盘电机的控制和互相之间的联锁控制;还包括对发电机柜、整流柜及钻台传感器的数据收集、控制和报警、故障显示。在钻井经过中，对绞车和转盘的可靠性要求较高，假如绞车或者转盘发生故障，在短时间内不能修复，那么有可能造成井壁坍塌的大事故，因此系统具有冗余备份的功能。3控制系统构成控制站具有冗余备份功能，由两个SIMATICCPU315-2DP
4、模块构成;采用ET200M将现场输入输出点通过Profibus总线连接到控制站，并通过Profibus总线与5台ABB变频器通讯;经理室采用SIMATICWINCC软件通过S7协议与控制站通讯;并在控制站通过MPI口外接SIMATICTC35T以实现远程维护。b4系统功能/b整套钻机的钻井工艺大概情况如下:绞车装置主要用于起升、下放井架、底座、大钩及钻杆;转盘装置用于钻杆的上扣、下扣以及旋转钻杆带动钻头切削岩石;泥浆泵装置将高压泥浆通过管汇注入钻头，不仅起光滑、冷却钻头的作用，还将夹杂着岩石碎屑的泥浆带回泥浆净化系统以便重新使用。整个钻机系统的功能主要包括:1通过Profibus总线，实现S7
5、-300CPU与ABB变频器之间的通讯，以完成对相应电机的控制。根据传递参数数目确定PPO类型,编写相应的通讯程序。对关键钻井工艺经过实现平安联锁，假设发生故障，在操纵台面板上给出声光报警,并在MP370显示面板上给出报警或者故障提示。2泥浆泵控制:操纵员操纵司钻室的面板通过ET200M的Profibus-DP将信号传递到控制站S7-300CPU模块，控制三台泥浆泵的风机、喷淋泵、泥浆泵主电机的启动、停顿、速度给定以及相关的联锁保护。由于电机功率较大，要求强迫风冷。泥浆泵风机启动后，当其风压开关闭合即建立风压时，方可启动泥浆泵主电机。3绞车控制:使用脉冲编码器通过FM350模块计算大钩高度，对
6、最高位、最低位进展限位，防止“上碰下砸;具有“自动控制功能，可根据速度给定手柄的位置确定是否处于自动区域手柄全行程的020%，80%100%，处于自动区域可自动控制大钩的运行速度以及停顿位置;可选择高速、低速、超低速三种速度选择范围以适应不同工况;在起升、下放井架、底座时由于负载重量比拟大，使用“超低速速度选择方式060rpm，而且在起升、下放时，系统具有能耗制动功能，使得操纵平稳、可靠。4转盘控制:采用Profibus-DP协议通讯，可控制转盘变频器的速度给定值、扭矩限定值，并给出变频器过流、过压报警。5软件冗余:当由于供电单元、背板总线、主站、硬件或者软件引起的CPU发生故障、冗余备份总线
7、电缆、冗余从站接口通讯中断或者冗余从站接口发生故障时，通过SIMATICSoftwareRedundancy软件-简单的软件机制就可使一个发生故障的主CPU由冗余CPU接收过来，这对主备系统切换时间要求不高、而采用冗余备份系统或者其他特殊高可靠性系统不是绝对必要从性价比方面考虑的系统是比拟合适的。采用这种软件冗余备份方法，可有效地进步系统的可靠性;6远程监控:通过GSM无线通讯网络可实现远程监控。由于石油钻井设备应用现场的特殊性可靠性要求高，消费现场比拟偏僻、环境恶劣，现场效劳不可能迅速快捷，维修本钱相应较大。在远程终端通过SIMATICTELESERVICE软件，可在线实时分析故障原因并实现
8、远程软件晋级。这样可更有效地使用资源、提供快捷效劳、大大较少维修费用和维护时间、增强了设备的经济性;7人机界面:两个人机界面显示面板分别设置在电控房和司钻室。通过PROTOOL软件组态,显示设备运行状态以及各个电机的运行逻辑状态，监控现场设备的运行，设有故障页显示,便于故障定位和维护。8历史归档及报表打印:由设置在经理室的PC机完成。采用SIMATICWINCC软件编制，使用Microsoft公司的SQLSERVER作为数据库治理的工具，VISUALC实现对历史归档数据的查询、动态画面的组态，可实现报表、趋势、报警打印功能，为治理人员分析数据提供帮助。b5完毕语/b整套系统实现了钻井设备的分布
9、式集中控制。设置在电控房内的S7-300CPU，通过现场的分布式I/O模块收集设备状态、控制现场设备的运行，具有复杂程序控制和常规联锁保护功能，并通过两台显示面板实现现场设备的运行状况的可视化，系统还具有历史归档和报表打印功能，使整个系统具有较强的技术上风和竞争力。由于方案是初次使用西门子公司的PLC控制系统，整个系统的通讯采用Profibus电气网络，系统中的司钻室间隔电控房较远60m，系统初始设置通讯速率为1.5Mbps，但在现场调试经过中发现设置在司钻室的分布式I/O从站时常有通讯中断现象，而按照设计要求位于总线终端的中继器和总线连接器的终端电阻都置于“ON位置。这让现场调试、故障查找及
10、排除花费了较长时间。但按照手册查找，通讯速率应可达12Mbps，系统中设置通讯速率为1.5Mbps通讯应该可靠，但将波特率降低至500kbps，系统长时间运行平安可靠，再无通讯故障现象发生。这讲明系统的通讯质量存在问题。经分析，从电控房到司钻室的通讯线受到动力线的干扰较大。怎样根据网络的拓补构造、总线的硬件连接情况确定系统可靠平安运行的通讯速率以及怎样优化，这些困扰摆在我们眼前。目前，西门子公司已推出用于检测Profibus系统通讯质量的专用仪器，根据监测结果来改善拓补构造和硬件接线，便于设备安装、调试、故障定位与维护;另外，从性价比方面考虑，采用光纤通讯也是一种可行方案。从现场设备的调试和运行情况来看，SIMATICPLC控制系统的可靠性和灵敏性有目共睹，相信我们会有更多的设备来使用SIMATIC控制系统。end编辑：何世平