TCP 通信技術在鉆機控制系統(tǒng)中的開發(fā)應用

樊勇利，朱星元，張 洪，夏 輝，王 議，楊 斌

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞 721004；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司，陜西寶雞 721004；3.中國石油川慶鉆探工程有限公司，四川成都 610051）

0 引言

近年來，隨著網絡通信技術和計算機技術的發(fā)展，網絡化控制系統(tǒng)在鉆機中日趨普及[1]，同時為了滿足鉆機集成化控制需求，需要對絞車、轉盤、泥漿泵、頂驅、動力貓道、鐵鉆工、二層臺管柱處理系統(tǒng)、鉆臺機械手等多個設備進行集成化控制[2]，而實現(xiàn)多設備集成控制的前提條件是各設備之間能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時通信。通常由一臺PLC 作為集成控制單元，負責與各控制設備之間的數(shù)據(jù)收集與傳送，但是鉆機各設備的控制器往往由多個廠家提供，而各廠家之間的通信協(xié)議往往存在差異，這對整個鉆機的通信系統(tǒng)會產生一定障礙。如S7-1500 PLC 之間普遍采用西門子專用的Profibus 和Profinet 協(xié)議，而此類協(xié)議一般不會對外開放，因此需要采用一種開放式的通信協(xié)議，實現(xiàn)鉆機各設備之間的數(shù)據(jù)交互。

TCP 是一種面向連接的、可靠的數(shù)據(jù)流傳輸服務，是以太網傳輸數(shù)據(jù)時普遍采用的一種開放式通信協(xié)議，鉆機集成控制控制單元與其他第三方設備進行通信時，可采用TCP 方式進行數(shù)據(jù)傳輸。

1 通信系統(tǒng)組成

鉆機通信系統(tǒng)可劃分為現(xiàn)場設備層、集成控制單元、上位顯示操作層3 個層次，其中集成控制單元為整個鉆機通信系統(tǒng)的核心，由一臺S7-1500 PLC 統(tǒng)一負責系統(tǒng)內所有設備之間的數(shù)據(jù)接收、處理和轉發(fā)功能，避免了系統(tǒng)內每一個通信設備與所有其他節(jié)點單獨建立通信連接，鉆機通信系統(tǒng)基本組成如圖1 所示。

圖1 鉆機通信系統(tǒng)基本組成

現(xiàn)場設備層包括絞車、轉盤、頂驅、鐵鉆工、動力貓道等鉆機設備控制器，還包括一些智能儀表、智能傳感器、視頻監(jiān)控單元等，如果這些現(xiàn)場設備控制器不支持S7 通信協(xié)議，則可以采用開放式的TCP 通信協(xié)議，包括集成控制單元與上位機軟件之間，也可通過TCP 方式進行通信。

2 通信組態(tài)

S7-1500 PLC 的組態(tài)及軟件開發(fā)使用西門子PORTAL 博圖平臺進行開發(fā)。

打開PORTAL 軟件，新建一個項目，完成PLC 常規(guī)組態(tài)，進入網絡視圖后添加一個新連接，建立TCP 連接如圖2 所示。連接類型選擇“TCP 連接”。TCP 通信的雙方可分為客戶端和服務器，建立連接時，由客戶端主動向服務器發(fā)起連接請求，所以，如果需要由本機作為客戶端主動建立TCP 連接時，則勾選“主動建立連接”選項。

建立連接后，需要對連接參數(shù)進行設置，TCP 連接參數(shù)設置如圖3 所示，輸入本地連接參數(shù)，此處的連接ID 輸入建立TCP 連接時設定的ID 號，并設置對方通信設備的IP 地址，如果對方作為通信服務器，還需在地址詳細信息中設置服務器端口號，TCP 通過服務器IP 地址和端口號即可具備建立TCP 連接的條件。

圖3 TCP 連接參數(shù)設置

3 軟件開發(fā)

3.1 通信連接機制

S7-1500 PLC 作為客戶端與其他設備進行TCP 數(shù)據(jù)傳輸時，首先需要建立TCP 連接，其目的是確保IP 地址、端口、物理鏈路等正確無誤，為數(shù)據(jù)的傳輸建立通道。TCP 建立連接時會傳輸三次數(shù)據(jù)，稱為三次握手，數(shù)據(jù)報文結構由首部和數(shù)據(jù)部分組成，TCP 數(shù)據(jù)報文如圖4 所示，首部中包含Client 和Service 端口號、序列號、確認號和標志位等信息，用于連接的確認，數(shù)據(jù)部分為實際需要傳輸?shù)挠行畔3、4]。

圖4 TCP 數(shù)據(jù)報文

建立連接時，Client 先產生一個初始序列號Seq，作為SYN并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給Server，Client 進入SENT 狀態(tài)，等待Server確認。Server 收到數(shù)據(jù)包后也發(fā)送自己的SYN 報文作為響應，并初始化序列號Seq，為了確認Client 的Seq，Server 將Client 發(fā)送的Seq 加1，作為ACK 發(fā)送給Client，Server 進入RCVD 狀態(tài)。為了再次確認Server 的SYN，Client 將Server 發(fā)送的Seq 加1，作為ACK 發(fā)送給Server。Client 和Server 進入ESTABLISHED 狀態(tài)，完成三次握手，隨后Client 與Server 之間可以開始傳輸數(shù)據(jù)了[3、4]，TCP 建立連接機制如圖5 所示。

圖5 TCP 建立連接機制

3.2 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收程序

在西門子TIA PORTAL 軟件提供了TSEND_C 功能塊函數(shù)用于處理TCP 數(shù)據(jù)發(fā)送功能（圖6），完成通信組態(tài)后，在程序中調用TSEND_C 功能塊，然后連接好通信參數(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送[5][6]。TSEND_C 功能塊主要有以下3 個作用：

圖6 TCP 數(shù)據(jù)發(fā)送功能塊

設置并建立TCP 連接：在CONNECT 引腳參數(shù)中設置好要建立連接的通信參數(shù)，包括連接ID 號、連接類型、服務器IP 地址和端口號等參數(shù)，設置CONT=1 建立TCP 連接通道。

通過現(xiàn)有連接發(fā)送數(shù)據(jù)：當建立好通信連接后，在參數(shù)REQ中檢測到上升沿時執(zhí)行發(fā)送作業(yè)，如果需要循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)，可在REQ 引腳處輸入一個固定頻率的脈沖信號，循環(huán)觸發(fā)發(fā)送指令，引腳DATA 用于輸入需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，使用參數(shù)LEN 可指定通過一個發(fā)送作業(yè)發(fā)送的最大字節(jié)數(shù)。

斷開和重置通信連接：設置參數(shù)CONT=0，將斷開當前連接，可隨時通過將參數(shù)COM_RST 設置為1 來重置連接，這會終止現(xiàn)有通信連接并建立新連接。

接收數(shù)據(jù)時，需要編寫接收數(shù)據(jù)程序，在TIA PORTAL 軟件中提供了相應的TRCV_C 功能塊函數(shù)用于處理TCP 數(shù)據(jù)接收功能（圖7），接收功能塊的建立連接和斷開連接的方法與發(fā)送功能塊相同，不同點在于接收數(shù)據(jù)是通過將EN_R 引腳置1，當有數(shù)據(jù)發(fā)送過來時，將接收到的數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)內。

圖7 TCP 數(shù)據(jù)接收功能塊

通過TSEND_C 和TRCV_C 功能塊輸出的DONE、BUSY、ERROR、STATUS 等參數(shù)可對連接狀態(tài)和數(shù)據(jù)接收發(fā)送狀態(tài)進行判斷。

TCP 通信技術在鉆機通信系統(tǒng)中的應用越來越廣泛，在近年來快速發(fā)展的自動化鉆機中，集成控制單元與第三方廠家的嵌入式控制單元、智能傳感器、各類上位機軟件、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、遠程監(jiān)控系統(tǒng)之間經常會采用TCP 通信方式。在實際應用中，各個廠家可以根據(jù)各自功能特點約定數(shù)據(jù)的特定格式，集成控制單元接收到數(shù)據(jù)后進行解析后使用。

4 TCP 開放式通信在鉆機中的應用

近年來，國內石油鉆機已基本實現(xiàn)由機械化鉆機向自動化鉆機的轉化，鉆機控制系統(tǒng)通常采用在司鉆房內通過網絡通信方式實現(xiàn)集成化控制，控制對象除了常規(guī)的絞車、頂驅、泥漿泵等設備，還配套動力貓道、鐵鉆工、鉆臺機械手、二層臺排管機等管柱自動化設備及網絡攝像頭、智能儀表等網絡組件[7-9]，這些設備如果與集成控制PLC 不屬于同一廠家，往往就需要采用一種開放式的通信方式進行數(shù)據(jù)交換，而TCP 是目前最常見的一種以太網通信方式[10]，該通信方式在鉆機控制系統(tǒng)中已廣泛使用，滿足不同廠家設備之間的數(shù)據(jù)通信需求。

5 結束語

石油鉆機的功能要求越來越多樣化，相應的配套的自動化設備也越來越多，而這些專業(yè)化的設備往往來自不同的配套廠家，要想實現(xiàn)不同廠家設備的集成化統(tǒng)一控制，必須解決所有設備間的數(shù)據(jù)通信問題。TCP 是一種完全開放的通信協(xié)議，通過對鉆機通信系統(tǒng)的組成特點進行分析，以鉆機目前普遍使用的西門S7-1500 PLC 為例，介紹在TIA PORTAL 平臺下進行TCP 通信的組態(tài)方法、通信連接建立和斷開程序的使用、數(shù)據(jù)讀取和發(fā)送程序的設計等內容，實現(xiàn)鉆機控制系統(tǒng)中不同廠家設備通信接口的統(tǒng)一化設計，為鉆機的集成化、自動化控制提供一種數(shù)據(jù)通信解決方案。TCP 通信方式已在鉆機控制系統(tǒng)中得到廣泛的應用，使用效果穩(wěn)定，隨著鉆機集成越來越多廠家的控制設備，TCP 通信方式將在鉆機數(shù)據(jù)通信方面發(fā)揮更大的作用。