頂驅PLC控制系統研究及應用

姚剛(盤錦遼河油田天意石油裝備公司, 遼寧 盤錦 124010)

頂驅PLC控制系統研究及應用

姚剛(盤錦遼河油田天意石油裝備公司, 遼寧 盤錦 124010)

文章從頂驅電控系統組成著手,通過功能介紹、硬件和軟件設計,系統地闡述了S7-300系列PLC在頂驅電控系統中的應用,介紹了DQ70國產頂驅采用西門子S7-300系列PLC作為主控制器的PLC控制系統和基于SIMATIC WinCC的人機界面系統，該控制系統安全可靠、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;PLC;控制;研究

頂部驅動鉆井裝置從井架空間上部旋轉鉆柱，驅動鉆具旋轉鉆進，是以立根為單元的鉆進，能完成接立柱、循環鉆井液、倒劃眼等多種鉆井操作，使用頂驅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。

根據鉆井工藝及現場工作要求，DQ70頂驅控制系統采用PLC控制和PROFIBUS現場總線技術，并開發了監控系統，提高了設備的自動控制水平。

1 頂驅電控系統概述

DQ70交流變頻頂驅電控系統設計總體性能滿足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。電傳動系統由ABB ACS800系列交流變頻裝置驅動兩臺交流變頻電機，實現頂驅裝置的無級調速和正反轉運行。

DQ70頂驅電氣傳動與控制系統采用西門子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間通過現場總線控制技術實現高速數據交換及控制；電傳動系統采用ABB ACS800變頻裝置控制頂驅主電機速度及力矩,系統性能滿足有關的國際IEC的規定，符合功率電子裝置有關的電磁兼容性(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 頂驅系統的組成及功能

DQ70頂驅全套控制系統主要包括頂驅電控房、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、柜內照明裝置、繼電器等電器元件，為頂驅風冷系統、電機加熱器、液壓源、液壓電磁閥、潤滑系統供電，并為電控房內的工控機、PLC模塊、空調、照明等供電。

PLC控制系統采用PROFIBUS-DP總線系統和ABB通訊模塊 RPBA進行數據快速交換，可通過工控機操作界面進行顯示和操作。

PLC控制系統的功能:①操縱操作機構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、電機溫度報警，減速箱油溫報警，液壓源油溫、液位報警，以及主軸轉速顯示，鉆井扭矩顯示、液壓站運行狀態顯示。③主電機轉速、扭矩控制。④操縱液壓泵、潤滑泵、風機的啟停。

3 系統硬件設計

(1)PLC控制系統 PLC控制系統采用S7-300PLC，其配置為CPU模塊CPU 315-2DP，PLC模擬量輸入、輸出模塊，數字量輸入、輸出模塊。PLC控制系統實現頂驅主電機速度和扭矩的精確控制和機械機構的自動控制，并通過與工控機的通訊監控運行過程中出現的故障，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控變量監測系統運行情況。

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

(3)操作監控系統 工控機系統采用Windows操作系統和WinCC中文版組態軟件，通過Profibus-DP網絡實現與下位機通信，工控機可實時接收數字及模擬量信號，如合閘信號、液位、溫度等數據，監控并控制現場設備的狀態，通過窗口界面顯示。

工控機在頂驅控制系統中主要起數據采集、數據處理、運行監視、控制、記錄統計制表、通信控制、系統自診斷、故障/報警作用。

4 系統軟件設計

(1)現場PLC控制軟件 PLC控制系統采用STEP7編程軟件,STEP7 編程軟件可以對硬件和網絡實現組態，在硬件組態界面可以監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，實現對頂驅交流變頻傳動系統和各個控制機構的邏輯控制，以滿足鉆井工藝的要求。

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

(2)人機界面軟件 人機界面軟件采用西門子過程監視系統SIMATIC WinCC，WinCC 是一種數據采集與監控系統，是基于Windows平臺運行的人機界面系統,可以高效監控并控制自動化過程，計算機通過WinCC人機界面系統的圖形編輯器，在工控機設計頂驅系統模擬運行畫面，根據PLC 設定的輸入輸出地址，在工控機系統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工控機對頂驅系統的監測和控制功能。

5 結語

DQ70頂驅電控系統采用PLC控制和操作監控系統，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。