SIMATIC控制系統在石油鉆井設備上的應用

摘要(Abstract)：本文結合石油鉆井設備控制系統的具體實例，概括了利用西門子SIMATIC 300進行系統集成的設計方法。該系統使用STEP 7軟件進行編程和調試，通過PROTOOL軟件來實現現場的可視化，通過WINCC軟件實現數據采集、歷史歸檔和報表打印，實現了冗余備份和遠程維護功能。
關鍵詞(Keywords)：數據采集 歷史歸檔 冗余備份 遠程監控

1 引言

該項目使用SIMATIC控制系統應用在ZJ30DB、ZJ50DB變頻電動鉆機上。我公司為由四家企業組成的中外合資企業。公司以科技為先導，主要生產石油鉆井設備及其配套設備、電氣控制系統、工程環保項目等。

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雜性要求，系統具有冗余備份和遠程監控功能。

2 系統介紹

該鉆井設備布置分為五個區域:鉆臺區、泵房區、動力及電傳動區、固控區、油罐區。鉆臺區布置有絞車、轉盤、頂驅、司鉆室、司鉆偏房等，為危險作業區，整個區域的電氣均要求防爆。泵房區布置有泥漿泵組、電動灌注系統及鉆井液管匯;動力及電傳動區布置有柴油發電機房、氣源凈化裝置房、輔助發電機房和電控房;固控區布置有泥漿循環罐、泥漿凈化設備及套裝水罐;油罐區包括油罐、泵、管線。由于鉆臺區為危險防爆區域，按照國際及國家有關標準，其他區域距離井眼的長度至少在50米以上。整套PLC控制系統分別布置在電控房和司鉆室，其中電控房內包括兩臺相互冗余的CPU和一套ET200M，司鉆室包含一套ET200M。電控房內布置有:PLC控制柜、發電機柜、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實時顯示、電氣系統運行監控與顯示、聲光報警、故障指示等。控制系統可以完成對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臺轉盤電機)的控制和相互之間的聯鎖控制;還包括對發電機柜、整流柜及鉆臺傳感器的數據采集、控制和報警、故障顯示。在鉆井過程中，對絞車和轉盤的可靠性要求較高，如果絞車或轉盤發生故障，在短時間內不能修復，則有可能造成井壁坍塌的大事故，因而系統具有冗余備份的功能。

3 控制系統構成

控制站具有冗余備份功能，由兩個SIMATIC CPU 315-2DP模塊構成;采用ET200M將現場輸入輸出點通過Profibus總線連接到控制站，并通過Profibus總線與5臺ABB變頻器通訊;經理室采用SIMATIC WINCC 軟件通過S7協議與控制站通訊;并在控制站通過MPI口外接SIMATIC TC35T以實現遠程維護。

4 系統功能

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;轉盤裝置用于鉆桿的上扣、下扣以及旋轉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以便重新使用。

整個鉆機系統的功能主要包括:

(1) 通過Profibus總線，實現S7-300 CPU與ABB變頻器之間的通訊，以完成對相應電機的控制。根據傳遞參數數量確定PPO類型, 編寫相應的通訊程序。對關鍵鉆井工藝過程實現安全聯鎖，若發生故障，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機、噴淋泵、泥漿泵主電機的啟動、停止、速度給定以及相關的聯鎖保護。由于電機功率較大，要求強制風冷。泥漿泵風機啟動后，當其風壓開關閉合即建立風壓時，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，可根據速度給定手柄的位置確定是否處于自動區域(手柄全行程的0～20%，80%～100%)，處于自動區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，系統具有能耗制動功能，使得操作平穩、可靠。

(4) 轉盤控制:采用Profibus-DP協議通訊，可控制轉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生故障時，通過SIMATIC Software Redundancy軟件-簡單的軟件機制就可使一個發生故障的主CPU由冗余CPU接管過來，這對主備系統切換時間要求不高、而采用冗余備份系統或其他特殊高可靠性系統不是絕對必要(從性價比方面考慮)的系統是比較適合的。采用這種軟件冗余備份方法，可有效地提高系統的可靠性;

(6) 遠程監控:通過GSM無線通訊網絡可實現遠程監控。由于石油鉆井設備應用現場的特殊性(可靠性要求高，生產現場比較偏僻、環境惡劣)，現場服務不可能迅速快捷，維修成本相應較大。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遠程軟件升級。這樣可更有效地使用資源、提供快捷服務、大大較少維修費用和維護時間、增強了設備的經濟性;

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

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

5 結束語

整套系統實現了鉆井設備的分布式集中控制。設置在電控房內的S7-300 CPU，通過現場的分布式I/O模塊采集設備狀態、控制現場設備的運行，具有復雜程序控制和常規聯鎖保護功能，并通過兩臺顯示面板實現現場設備的運行狀況的可視化，系統還具有歷史歸檔和報表打印功能，使整個系統具有較強的技術優勢和競爭力。

由于方案是初次使用西門子公司的PLC控制系統，整個系統的通訊采用Profibus電氣網絡，系統中的司鉆室距離電控房較遠(60m)，系統初始設置通訊速率為1.5Mbps，但在現場調試過程中發現設置在司鉆室的分布式I/O從站時常有通訊中斷現象，而按照設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。這讓現場調試、故障查找及排除花費了較長時間。但按照手冊查找，通訊速率應可達12Mbps，系統中設置通訊速率為1.5Mbps通訊應該可靠，但將波特率降低至500kbps，系統長時間運行安全可靠，再無通訊故障現象發生。這說明系統的通訊質量存在問題。經分析，從電控房到司鉆室的通訊線受到動力線的干擾較大。

如何根據網絡的拓補結構、總線的硬件連接情況確定系統可靠安全運行的通訊速率以及如何優化，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 系統通訊質量的專用儀器，根據監測結果來改善拓補結構和硬件接線，便于設備安裝、調試、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。從現場設備的調試和運行情況來看，SIMATIC PLC控制系統的可靠性和靈活性有目共睹，相信我們會有更多的設備來使用SIMATIC控制系統。