基于TIA自動化技術的絞車監視與控制系統設計

資 鵬，石維民，趙永健

（中國水利水電第十四工程局有限公司，昆明 650041）

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基于TIA自動化技術的絞車監視與控制系統設計

資 鵬，石維民，趙永健

（中國水利水電第十四工程局有限公司，昆明 650041）

摘 要：依托于西門子博途（TIA）軟件平臺，探討了鉆機八大件之一絞車的傳動控制方法。首先介紹絞車傳動系統原理，然后在博途軟件下設計其自動控制系統，完成控制系統硬件組態、PLC編程、和HMI編程，最后進行實驗驗證，表明使用博途自動化軟件TIA可以方便地實現傳動系統的監視與控制，實現對絞車電機的負載平衡分配。該方法在鉆機自動化應用中具有方便、穩定、可靠的優點。

關鍵詞：絞車；TIA；博途

0　引言

隨著計算機技術的快速發展，自動控制技術日新月異。以PLC為基礎的自動控制系統的設計從以往的上位機系統與下位機系統分別設計的方式逐漸轉變成在集成的自動自動化軟件平臺下完成組態、編程工作，以此為代表的是西門子自動化軟件平臺TIA的推出，這種轉變使各行業自動控制系的設計開發和集成更快捷簡便與可靠，在鉆機裝備制造中也不例外。本文討論利用博途軟件完成鉆機絞車模塊的控制系統設計，提高鉆機制造效率的方法。

博途軟件是西門子最新一代自動化框架軟件，是西門子集成自動化系列所有用于工程、編程、和調試自動化設備和驅動系統的基礎［1，2］。與以往版本按任務獨立的自動化軟件如Step7、WinCC、WinCC Flexible等軟件不同，全新的TIA平臺采用統一的工程組態和軟件項目環境，幾乎適用于所有的自動化任務，讓用戶節省大量時間，體現了其高效、易用的特點。本文主要使用博途的Step7和WinCC模塊。

1　絞車的硬件結構與控制原理

絞車是鉆機八大件之一，也是鉆機八大系統中起升系統的主要設備。絞車是集機械、電氣、液壓為一體的機械傳動設備。在鉆機中主要承擔旗下鉆具、控制鉆壓、處理卡轉、下套管、起放井架、底座等作用。絞車的主要部件包括滾筒軸、制動機構、傳統系統、控制系統、潤滑系統、支撐結構、和動力裝置［3］。目前鉆機市場主流是采用交流變頻電驅動絞車。其動力裝置一般采用兩臺交流變頻電機、傳動機構采用齒輪變速箱，根據鉆機具體要還可以選配送鉆電機以滿足鉆井工藝。絞車大致原理和結構如圖1、圖2所示。

圖1　絞車系統簡圖

圖2　絞車結構示意圖

交流變頻電驅動絞車由交流變頻電動機經連軸器同步將動力輸入齒輪減速箱輸入軸，動力經過經齒輪箱耦合后由齒輪減速后傳遞到主滾筒軸。制動裝置與滾筒主軸相連，實現絞車剎車、懸停等功能。絞車的調速完全由控制系統通過控制變頻器實現變頻調速以及扭矩的控制，本文則主要討論絞車主電機的傳動控制。

1.1絞車主回路

絞車主回路電路與原理如圖3所示，其中變頻器采用ABB公司的ACS800系列變頻器。ABB變頻器整流模塊將交流母線上的交流電轉化成直流母排上的直流電源。逆變器將直流母排上直流電轉換成頻率可控的交流電源并分別輸送給各個變頻電動機［4］。另外直流母線上的制動斬波器和制動電阻構成直流回路。絞車下放鉆桿的時候產生回升電能，制動電阻則通過該直流回路吸收這些回升電能，起能耗制動的作用。

圖3　絞車主回路單線圖

1.2絞車控制網絡

絞車控制系統是鉆機控制系統的一部分，所以絞車的控制網絡的設計不僅要結合鉆機的控制系統整理設計，同時還需要考慮絞車傳動控制的特殊要求。如圖4所示，鉆機一般采用典型的三層工業控制網絡。最頂層為人機交互層，主要實現在線監視與控制等功能。中間是PLC站點與各種控制模塊，主要完成信號采集與運算任務，實現設備控制邏輯等功能。最底層是各種傳感器、執行器等模塊，是控制網絡的現場設備。其中最頂層由工控機和觸摸屏等組成在線監視與控制網絡。觸摸屏可以實現在線監視和多點控制功能，工控機則完成參數曲線監視以及變量歸等功能。上層網絡要求高通信速率和較高的可靠性，一般采用以太網通信，可保證較遠的傳輸距離與可靠性。

PLC與現場設備之間的現場總線網絡則要求良好的抗干擾性能和較高的通信速率，同時還要考慮系統兼容性、成本、以及鉆機控制系統整體要求。而Profibus、moudlebus、Profinet網絡是鉆機種最常用的幾種現場總線控制網絡。其中ProfibusDP網絡以優良的可靠性、較高的通信速率、良好的市場普及兼容性和低成本成為首選。如圖4所示，PLC與變頻器的通信模塊通過PorfibusDP網聯系在一起組成底層通信網絡。

圖4　絞車控制網絡示意圖

絞車電傳動系統中兩臺絞車變頻電機的動力在齒輪減速箱中耦合后輸出到滾筒主軸，在不同的鉆井工藝中有時需要雙電機工作以提供盡可能大的扭矩，有時需要單電機工作以達到節能的目的。在雙電機工作時連個電機功能分擔滾筒扭矩，這個過程是由ABB變頻控制器實現的。ABB變頻器之間通過變頻器的ROMI光纖通信模塊完成各耦合電機之間的傳動參數的傳輸，使各個電機協調完成扭矩與速度的控制。這樣得益于變頻器的強大功能，各個電機都能快速響應各自的負載和速度變化，而且還大大減小了PLC的程序復雜程度。

1.3PLC選型

PLC是下位機的控制核心，其選型的依據主要包括系統輸入輸出點規模、數據計算規模、所需CPU運算速率等。市場上PLC一般分為小型PLC其I/O點數在256點以下，中型PLC其I/O點數介于256至2048之間，和大型PLC其點數大于2048。鉆機控制系統輸入輸出點數在大約在1000以下，因此選用中型PLC。本文所涉及的絞車控制系統選用西門子出品的S7315型PLC，其運算性能優良而且CPU帶以太網接口與可配置的ProfibusDP網接口。

1.4上位機系統

如1.2節所述，上位機監控系統由工控機和觸摸屏組成。工控機監視軟件采用WinCC Runtime，觸摸屏采用西門子MultiTouch系列觸屏。觸屏可以實現多點監控功能，而工控機主要完成數據歸檔等功能［5］。

2　軟件編程

軟件編程分兩部分，一部分為PLC編程，另一部分是為觸屏或工控完成人機交互界面（HMI）。前者使用TIA的Step7模塊完成后者用TIA的WinCC模塊完成。

STEP7是用于西門子系列工控產品包括SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WinAC的編程、監控和參數設置，是SIMATIC工業軟件的重要組成部分。博途軟件下集成的Step7組價不僅支持新系列PLCS7-1200、S7-1500，對300400系列PLC完美兼容，在硬件配置和參數設置、通訊組態、編程、測試、啟動和維護、文件建檔、運行和診斷等方面的功能更強大、界面更直觀和人性化。

SIMATIC WinCC（Windows Control Center）—視窗控制中心（簡WinCC）是最常用的HMI軟件之一，WinCC以其卓越的使用性能已然成為市場的領導者。目前常用的工控機HMI組態采用SIMATIC WinCC，觸屏HMI組態采用WinCC Flexible，在博途中SIMATIC WinCC Professional組件具備所有HMI 功能，包括 SMATIC WinCC Basic、SMATIC WinCC Advance、SMATIC WinCC professional可完成所有觸屏和工控機的HMI編程。

2.1設備和網絡組態

首先在博途軟件里按照設計方案完成設備組態。在博途軟件的設備與網絡視圖中添加相應的設備，然后配置正確的網絡連接。相關信息如圖5所示，上層工業以太網需為每個設備配置正確的IP地址，線場層ProfibusDP網絡需配置正確的站點地址、波特率。須注意在設備與網絡視圖中添加工控機站點時不僅需添加工控機設備，還要添加以太網卡設備與應用軟件WinCC RT Professional作為工控機選配模塊。對于變頻器站點，只需添加變頻器通信模塊，在此之前還需要先安裝變頻器廠商提供的相應設備的GSD文件，最后在變頻器站點配置所需要的PPO消息字段。PPO消息字段是PLC通過總線網絡與各通信站點進行信息交換的I/O地址段。

圖5　絞車監控系統設備組態

2.2下位機PLC編程

完成設備和網絡組態后在項目樹的設備標簽下可以找到所所添加的PLC站點。站點里包含該PLC站點的程序塊、數據庫、變量表、工藝對象等所有相關數據。編程前首先根據程序流程圖規劃所需的主要數據，在程序塊文件夾下建立相應的數據塊。程序塊文件夾下建立所需的函數模塊FB或FC。博途提供多種編程語言，包括梯形圖LAD、功能塊FBD、語句表STL或SCL語言，可以實現使用兩種以上的語言混合編程。博途軟件采用塊文件夾對程序塊和數據塊進行管理，提高了程序的管理效率與可讀性。

圖6　程序理簡要流程

圖7　TIA中的S7編程

2.3觸屏編程

與PLC站定相似，每個觸摸屏的工程文件都包含在站點文件夾內，每個觸屏站點下包含畫面、HMI變量、連接、腳本、報表等文件夾。在畫面文件夾下便新建HMI畫面，組態按鈕、I/O域、文本域、圖形域等控件。對于觸屏HMI變量的使用，可以直接從PLC站點下的DB塊、變量表中用鼠標拖拽到畫面里或HMI變量表里，系統會在該站點下自動為變量添加正確的網絡連接，使下位機系統與上位機系統的銜接、集成更方便。最后再根據需要完成腳本程序代碼，觸屏HMI可以使用VB腳本實現上位機控制功能和計算任務。

2.4工控機編程

工控機站點下的HMI RunTime模塊下包含工控機HMI工程文件，與觸摸屏站點相似。除在腳本程序方面，RunTime功能更強大，不僅支持VB代碼還支持VC代碼。其余的編程方法也與觸摸屏完全相同。

3　實驗室調試驗證

調試前應首先檢查硬件設備并按照設計原理檢查電路，正確無誤后給系統合閘上電，并按一下步驟進行調試驗證。

1）從操作面板為各變頻器配置正確的參數。主要包括：（1）Profibus通信參數如地址、波特率、PPO類型、以及PPO字段中的參數指針和用于主從傳動應用的光纖通信參數等；（2）電機傳動參數并包括進行電機辨識，如電機額定電壓、額定電流、功率、功率因數等；（3）其他必要的應用參數，如電機的主從耦合應用參數組。

2）下載PLC程序至CPU，并用博途軟件在線調試功能，排除程序邏輯錯誤。

3）下載HMI程序至觸摸屏，并在線調試排除邏輯錯誤，和運行WinCCRunTime排除工控機HMI程序的邏輯錯誤。

圖8　觸屏與變頻器調試

其中對于電傳動系統中電機的主從應用，主從電機的典型耦合方式包括齒輪耦合、鏈條耦合、皮帶輪耦合。前兩者屬于剛性耦合，適宜采用扭矩控制模式、第三種屬于柔性耦合適宜采用速度控制模式。對于絞車電傳動系統，如上文所述絞車電機A和絞車電機B通過齒輪耦合，所以需配置從機變頻器參數組為扭矩控制模式。

圖9　工控機HMI調試

對于主電機和從電機的主控字工作方式又有獨立控制、從屬控制、混合方式。獨立控制是指主、從電機變頻分別從現場總線拾取PLC發送的主控字與給定值。從屬控制方式是指PLC只為主機發送主控字與給定值，從機的控制字和給定由主機通過光纖鏈路發送至從機。混合方式則介于兩者之間，從機的控制字由PLC與主機的控制字組合而成。三總方式可根據具體控制需求隨意選擇，并通過配置變頻器的主從應用參數組實現。

4　結束語

本文以鉆機絞車系統為對象，采用西門子博途軟件為自動化平臺，實現了絞車控制系統的集成化設計、編程、調試。調試過程表明采用TIA集成自動化軟件具有很多優點。博途軟件具有友好的人機界面，統一的項目平臺有利于項目文件的集成管理，提高了工程文件管理效率。博途是一個自動化集成平臺，它有利于技術人員調高開發效率、方便交流，使技術人員以最少的變量連接實現最優化的設計。尤其是博途軟件采用統一平臺使Step7與WinCC之間無縫連接，所有的變量只需要輸入一次不僅大大減少了工程組態時間、降低了成本，同時這種集中的數據管理機制讓還減小了錯誤的風險。博途軟件對于新老型號的自動化設備具備良好的兼容性。可以看出集成化的自動化組態軟件是自動化的發展方向。利用如像博途這種集成自動化軟件完成工程項目能大幅提高效率，節約成本。

參考文獻：

［1］ 張立眾，馬永翔.鉆機絞車PLC控制系統的研究與設計［J］.化工自動化及儀表，2011，38（5）.

［2］ 周雨松.一種基于S7-300PLC的石油鉆機絞車提升高度的控制系統［J］.自動化技術與應用.2015，34（9）.

［3］ 張天生.電動鉆機絞車控制研究［J］.電氣傳動.2012，42（8）.

［4］ 張偉.ABB變頻器在石油鉆機中的應用研究［J］.中國石油和化工標準與質量.2013，（2）.

［5］ 王穎.WinCC Flexible在鉆機電控系統中的應用［J］.工業控制計算機.2013，26（8）.

Monitor and control system design of drawworks based on TIA automation technique

ZI Peng， SHI Wei-min， ZHAO Yong-jian

中圖分類號：TP23

文獻標識碼：B

文章編號：1009-0134（2016）05-0124-04

收稿日期：2016-01-07

作者簡介：資鵬（1989 -），男，云南陸良人，碩士研究生，研究方向為機械自動化。