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

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)的具體實例，概括了利用西門子SIMATIC 300進行系統(tǒng)集成的設(shè)計方法。該系統(tǒng)使用STEP 7軟件進行編程和調(diào)試，通過PROTOOL軟件來實現(xiàn)現(xiàn)場的可視化，通過WINCC軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、歷史歸檔和報表打印，實現(xiàn)了冗余備份和遠程維護功能。
關(guān)鍵詞(Keywords)：數(shù)據(jù)采集 歷史歸檔 冗余備份 遠程監(jiān)控

1 引言

該項目使用SIMATIC控制系統(tǒng)應(yīng)用在ZJ30DB、ZJ50DB變頻電動鉆機上。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)保項目等。

選用西門子SIMATIC 300系列CPU作為變頻電動鉆機的控制核心，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維修帶來的復(fù)雜性要求，系統(tǒng)具有冗余備份和遠程監(jiān)控功能。

2 系統(tǒng)介紹

該鉆井設(shè)備布置分為五個區(qū)域:鉆臺區(qū)、泵房區(qū)、動力及電傳動區(qū)、固控區(qū)、油罐區(qū)。鉆臺區(qū)布置有絞車、轉(zhuǎn)盤、頂驅(qū)、司鉆室、司鉆偏房等，為危險作業(yè)區(qū)，整個區(qū)域的電氣均要求防爆。泵房區(qū)布置有泥漿泵組、電動灌注系統(tǒng)及鉆井液管匯;動力及電傳動區(qū)布置有柴油發(fā)電機房、氣源凈化裝置房、輔助發(fā)電機房和電控房;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。由于鉆臺區(qū)為危險防爆區(qū)域，按照國際及國家有關(guān)標準，其他區(qū)域距離井眼的長度至少在50米以上。整套PLC控制系統(tǒng)分別布置在電控房和司鉆室，其中電控房內(nèi)包括兩臺相互冗余的CPU和一套ET200M，司鉆室包含一套ET200M。電控房內(nèi)布置有:PLC控制柜、發(fā)電機柜、整流柜、VFD柜及MCC柜。司鉆室集鉆機機電、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和輔助控制臺，具有鉆機操作和鉆井參數(shù)實時顯示、電氣系統(tǒng)運行監(jiān)控與顯示、聲光報警、故障指示等。控制系統(tǒng)可以完成對5臺600kW以上電機(其中包括3臺泥漿泵電機、1臺絞車機和1臺轉(zhuǎn)盤電機)的控制和相互之間的聯(lián)鎖控制;還包括對發(fā)電機柜、整流柜及鉆臺傳感器的數(shù)據(jù)采集、控制和報警、故障顯示。在鉆井過程中，對絞車和轉(zhuǎn)盤的可靠性要求較高，如果絞車或轉(zhuǎn)盤發(fā)生故障，在短時間內(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SIMATIC CPU 315-2DP模塊構(gòu)成;采用ET200M將現(xiàn)場輸入輸出點通過Profibus總線連接到控制站，并通過Profibus總線與5臺ABB變頻器通訊;經(jīng)理室采用SIMATIC WINCC 軟件通過S7協(xié)議與控制站通訊;并在控制站通過MPI口外接SIMATIC TC35T以實現(xiàn)遠程維護。

4 系統(tǒng)功能

整套鉆機的鉆井工藝概況如下:

絞車裝置主要用于起升、下放井架、底座、大鉤及鉆桿;轉(zhuǎn)盤裝置用于鉆桿的上扣、下扣以及旋轉(zhuǎn)鉆桿帶動鉆頭切削巖石;泥漿泵裝置將高壓泥漿通過管匯注入鉆頭，不僅起潤滑、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。

整個鉆機系統(tǒng)的功能主要包括:

(1) 通過Profibus總線，實現(xiàn)S7-300 CPU與ABB變頻器之間的通訊，以完成對相應(yīng)電機的控制。根據(jù)傳遞參數(shù)數(shù)量確定PPO類型, 編寫相應(yīng)的通訊程序。對關(guān)鍵鉆井工藝過程實現(xiàn)安全聯(lián)鎖，若發(fā)生故障，在操作臺面板上給出聲光報警, 并在MP370顯示面板上給出報警或故障提示。

(2) 泥漿泵控制:操作員操作司鉆室的面板通過ET200M的Profibus-DP將信號傳遞到控制站S7-300 CPU模塊，控制三臺泥漿泵的風(fēng)機、噴淋泵、泥漿泵主電機的啟動、停止、速度給定以及相關(guān)的聯(lián)鎖保護。由于電機功率較大，要求強制風(fēng)冷。泥漿泵風(fēng)機啟動后，當其風(fēng)壓開關(guān)閉合即建立風(fēng)壓時，方可啟動泥漿泵主電機。

(3) 絞車控制:使用脈沖編碼器通過FM350模塊計算大鉤高度，對最高位、最低位進行限位，防止“上碰下砸”;具有“自動控制”功能，可根據(jù)速度給定手柄的位置確定是否處于自動區(qū)域(手柄全行程的0～20%，80%～100%)，處于自動區(qū)域可自動控制大鉤的運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、底座時由于負載重量比較大，使用“超低速”速度選擇方式(0～60rpm)，而且在起升、下放時，系統(tǒng)具有能耗制動功能，使得操作平穩(wěn)、可靠。

(4) 轉(zhuǎn)盤控制:采用Profibus-DP協(xié)議通訊，可控制轉(zhuǎn)盤變頻器的速度給定值、扭矩限定值，并給出變頻器過流、過壓報警。

(5) 軟件冗余:當由于供電單元、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，通過SIMATIC Software Redundancy軟件-簡單的軟件機制就可使一個發(fā)生故障的主CPU由冗余CPU接管過來，這對主備系統(tǒng)切換時間要求不高、而采用冗余備份系統(tǒng)或其他特殊高可靠性系統(tǒng)不是絕對必要(從性價比方面考慮)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) 遠程監(jiān)控:通過GSM無線通訊網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)遠程監(jiān)控。由于石油鉆井設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)場的特殊性(可靠性要求高，生產(chǎn)現(xiàn)場比較偏僻、環(huán)境惡劣)，現(xiàn)場服務(wù)不可能迅速快捷，維修成本相應(yīng)較大。在遠程終端通過SIMATIC TELESERVICE 軟件，可在線實時分析故障原因并實現(xiàn)遠程軟件升級。這樣可更有效地使用資源、提供快捷服務(wù)、大大較少維修費用和維護時間、增強了設(shè)備的經(jīng)濟性;

(7) 人機界面:兩個人機界面顯示面板分別設(shè)置在電控房和司鉆室。通過PROTOOL軟件組態(tài), 顯示設(shè)備運行狀態(tài)以及各個電機的運行邏輯狀態(tài)，監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的運行，設(shè)有故障頁顯示, 便于故障定位和維護。

(8) 歷史歸檔及報表打印:由設(shè)置在經(jīng)理室的PC機完成。采用SIMATIC WINCC軟件編制，使用Microsoft公司的SQL SERVER作為數(shù)據(jù)庫管理的工具，VISUAL C實現(xiàn)對歷史歸檔數(shù)據(jù)的查詢、動態(tài)畫面的組態(tài)，可實現(xiàn)報表、趨勢、報警打印功能，為管理人員分析數(shù)據(jù)提供幫助。

5 結(jié)束語

整套系統(tǒng)實現(xiàn)了鉆井設(shè)備的分布式集中控制。設(shè)置在電控房內(nèi)的S7-300 CPU，通過現(xiàn)場的分布式I/O模塊采集設(shè)備狀態(tài)、控制現(xiàn)場設(shè)備的運行，具有復(fù)雜程序控制和常規(guī)聯(lián)鎖保護功能，并通過兩臺顯示面板實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的運行狀況的可視化，系統(tǒng)還具有歷史歸檔和報表打印功能，使整個系統(tǒng)具有較強的技術(shù)優(yōu)勢和競爭力。

由于方案是初次使用西門子公司的PLC控制系統(tǒng)，整個系統(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(60m)，系統(tǒng)初始設(shè)置通訊速率為1.5Mbps，但在現(xiàn)場調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)設(shè)置在司鉆室的分布式I/O從站時常有通訊中斷現(xiàn)象，而按照設(shè)計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)場調(diào)試、故障查找及排除花費了較長時間。但按照手冊查找，通訊速率應(yīng)可達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)長時間運行安全可靠，再無通訊故障現(xiàn)象發(fā)生。這說明系統(tǒng)的通訊質(zhì)量存在問題。經(jīng)分析，從電控房到司鉆室的通訊線受到動力線的干擾較大。

如何根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓補結(jié)構(gòu)、總線的硬件連接情況確定系統(tǒng)可靠安全運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，西門子公司已推出用于檢測Profibus 系統(tǒng)通訊質(zhì)量的專用儀器，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果來改善拓補結(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;另外，從性價比方面考慮，采用光纖通訊也是一種可行方案。從現(xiàn)場設(shè)備的調(diào)試和運行情況來看，SIMATIC PLC控制系統(tǒng)的可靠性和靈活性有目共睹，相信我們會有更多的設(shè)備來使用SIMATIC控制系統(tǒng)。