郝洪亮 常 珍 張 飛
(1.渤海裝備遼河重工有限公司電氣公司,遼寧 盤錦124010;2.盤錦遼河油田天意石油裝備有限公司,遼寧 盤錦124010;3.遼河油田曙光工程技術(shù)處,遼寧 盤錦124010)
頂驅(qū)的全稱為頂部驅(qū)動裝置(Top Drive Drilling System,TDS),它是可以從井架空間上部直接旋轉(zhuǎn)鉆柱,沿專用導(dǎo)軌向下鉆進(jìn),來完成多種鉆井操作的鉆井機(jī)械設(shè)備,是一種集成度很高的產(chǎn)品。隨著自動化水平、計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展,頂驅(qū)裝置已成為現(xiàn)代鉆井設(shè)備發(fā)展的重要成果之一。本文將Win CC與PLC相結(jié)合,實現(xiàn)了實時趨勢監(jiān)控、報警記錄、系統(tǒng)設(shè)置等功能,在電控房利用可編程邏輯控制器(PLC)來完成數(shù)據(jù)的采集和上傳,形成了一套獨立完整的自動化監(jiān)控系統(tǒng)。
Win CC是西門子視窗控制中心(Windows Contr ol Center)的簡稱,于1996年進(jìn)入世界工控組態(tài)軟件市場,由于其追求性能最全面、技術(shù)最先進(jìn)、系統(tǒng)最開放的設(shè)計思想,當(dāng)年就被美國Contr ol Engineering雜志評為最佳H MI軟件。Win CC能和不同的控制器進(jìn)行通訊,因此迅速發(fā)展成為最成功的組態(tài)軟件之一?;赪in CC的監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)組態(tài)軟件,具有靈活的復(fù)雜可視化組件、強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)接口(如OLE、Active X和OPC)、使用方便的腳本語言,由簡單任務(wù)擴(kuò)展到復(fù)雜任務(wù),可提高現(xiàn)場人員的工作效率。PLC取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來發(fā)展迅速,在世界各地得到了廣泛應(yīng)用。同時,PLC的功能也在不斷完善。隨著計算機(jī)技術(shù)、信號處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高,PLC在開關(guān)量處理的基礎(chǔ)上增加了模擬量處理和運動控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制,在運動控制、過程控制等領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用。
我公司頂驅(qū)控制系統(tǒng)采用SIEMENS可編程控制器(PLC)、Pr ofibus現(xiàn)場總線等先進(jìn)技術(shù),可完成鉆井、旋扣、上卸扣、IBOP控制和井噴時的快速應(yīng)急操作等頂驅(qū)要求的所有功能。上位監(jiān)控系統(tǒng)軟件Win CC功能強(qiáng)大,界面友好,具有較強(qiáng)的自診斷和歷史數(shù)據(jù)記錄功能,從而可保證頂驅(qū)系統(tǒng)的工作安全可靠。
監(jiān)控系統(tǒng)的硬件主要由上位機(jī)(即監(jiān)控計算機(jī))、PLC控制柜、遠(yuǎn)程ET200 M、輔助電機(jī)、變頻器、通訊電纜和控制電纜等部分組成。基于Win CC及PLC的頂驅(qū)監(jiān)控系統(tǒng)硬件布置如圖1所示。
圖1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成圖
PLC系統(tǒng)和其他子站通過Profibus通訊電纜建立連接,系統(tǒng)主控采用SIEMENS S7-300系列可編程控制器(CPU315-2 DP),司鉆箱采用ET200 M遠(yuǎn)程終端模塊。
我公司采用的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)過程分為3個部分:(1)界面設(shè)計:根據(jù)鉆井實際工況和頂驅(qū)實際應(yīng)用情況,設(shè)計應(yīng)該達(dá)到運行可靠、操作方便、界面友好、圖形顯示直觀、操作方便的要求。(2)PLC程序設(shè)計:通過進(jìn)行設(shè)備的數(shù)據(jù)采集及I/O點的連接,將控制對象和動作指令要求連接起來,實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的功能。(3)Win CC和PLC之間的通訊:首先創(chuàng)建Win CC站與自動化系統(tǒng)間的物理連接,在 Win CC項目中添加適當(dāng)?shù)耐ǖ莉?qū)動程序,在通道驅(qū)動程序適當(dāng)?shù)耐ǖ绬卧陆⑴c指定通訊伙伴的連接,并在連接下建立變量,同時還要注意將MPI口與電腦連接。
我公司頂驅(qū)Win CC系統(tǒng)主要分為頂驅(qū)系統(tǒng)主畫面、頂驅(qū)系統(tǒng)畫面、報警畫面、趨勢記錄畫面、系統(tǒng)設(shè)置畫面和程序監(jiān)控畫面。各種操作界面分別顯示不同的信息,大體上有如下4個區(qū)域:(1)工具欄:在工具欄內(nèi),有畫面切換的按鈕、當(dāng)前的日期和時間以及返回主畫面。(2)顯示區(qū):在屏幕中部,畫面顯示區(qū)是進(jìn)行監(jiān)視以及控制操作的區(qū)域。(3)標(biāo)題欄:顯示名稱和日期。(4)狀態(tài)欄:顯示頂驅(qū)狀態(tài)(非正常/正常狀態(tài))。做出任意BYPASS切換,此處均要顯示“系統(tǒng)處于非正常狀態(tài)”,更換元件后撤消屏蔽處理,顯示取消。非正常狀態(tài)下可以應(yīng)急啟動頂驅(qū)。
該系統(tǒng)分為2塊區(qū)域,左側(cè)一塊包括系統(tǒng)登錄畫面、輔助控制畫面、電源系統(tǒng)畫面、頂驅(qū)系統(tǒng)畫面、報警記錄畫面、趨勢記錄畫面、系統(tǒng)設(shè)置畫面和程序?qū)崟r監(jiān)控。按下某按鈕,右側(cè)顯示頂驅(qū)三維圖形,并指示各部件名稱。
(1)登錄畫面:根據(jù)實際井場應(yīng)用情況分為管理員登錄和維護(hù)人員登錄,他們均有不同的操作權(quán)限。(2)輔助控制畫面:主要監(jiān)測液壓控制系統(tǒng)的通斷情況,此畫面只能監(jiān)測到繼電器。(3)電源系統(tǒng)畫面:主要提供電路工作狀態(tài),以電路的形式表現(xiàn),既直觀又與現(xiàn)實中相結(jié)合,另外,在主要節(jié)點處會加設(shè)故障分析、解決方式,可大大減少現(xiàn)場解決問題的難度和時間。(4)頂驅(qū)系統(tǒng)畫面:主要以動畫方式體現(xiàn)工作狀態(tài),將頂驅(qū)各個機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)充分顯示,具體動作顯示如圖2所示。(5)報警記錄畫面:頂驅(qū)正常運行情況下蜂鳴器不發(fā)出警報語音,否則,系統(tǒng)會根據(jù)不同的參數(shù)設(shè)置發(fā)出警示聲,提示維護(hù)工作人員進(jìn)行相應(yīng)的操作,并在故障旁邊設(shè)有“故障解析”按鈕,按下按鈕可到達(dá)故障解析畫面,包括故障原因及簡單的處理方案。變頻器的故障可通過報文傳到PLC,由PLC傳送出錯誤的位置和時間并記錄下來,具有可追溯性。變頻器的故障解析,直接連接到矢量大全數(shù)據(jù)庫,可以查詢到變頻器故障原因。(6)趨勢記錄畫面:實時顯示需要監(jiān)控的鉆井工況,比如系統(tǒng)電源趨勢、實時頻率趨勢、實時扭矩趨勢、實時速度趨勢、實時主電機(jī)電壓趨勢、實時電流趨勢、實時功率趨勢、變頻器的輸出電壓趨勢、變頻器的輸出頻率趨勢等。實時趨勢圖與實時鉆井工況相符,在顯示實時趨勢圖的同時額定值一直都顯示,從而有利于工作人員做出比較。(7)系統(tǒng)設(shè)置畫面:此畫面設(shè)置登錄權(quán)限,另外內(nèi)部可以設(shè)置其他權(quán)限,主要分為管理員、用戶,需要填入用戶名和密碼,登錄身份不同,權(quán)限也不同。管理員可以設(shè)置用戶的權(quán)限及各種參數(shù),而用戶只能查看。(8)程序?qū)崟r監(jiān)控:此畫面監(jiān)控簡單的程序,使現(xiàn)場人員可以看到各輸入、輸出點的實時狀態(tài)以及頂驅(qū)啟動條件等程序段,利于現(xiàn)場工程師快速判斷故障點位置。
圖2 頂驅(qū)系統(tǒng)畫面
我公司出廠的設(shè)備現(xiàn)有2臺應(yīng)用在現(xiàn)場,監(jiān)控情況良好,能夠?qū)崟r跟蹤設(shè)備運行情況,出現(xiàn)故障時能夠及時報警并記錄處理方式。目前,該系統(tǒng)采用的是 Win CC 6.0系統(tǒng),我們正在進(jìn)行Win CC 7.0系統(tǒng)的升級研究,將來畫面會更加人性化,更易于操作。
[1]羅向陽.基于PLC及Win CC的控制系統(tǒng)在化工污水處理中的應(yīng)用[J].機(jī)械與電子,2010(S1)
[2]范永強(qiáng).基于 Win CC及PLC在鉆井頂驅(qū)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2010(18)