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）

0 引言

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)。

1 Win CC及PLC簡介

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。

2 背景技術(shù)

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。

3 監(jiān)控系統(tǒng)組成

3．1 系統(tǒng)硬件組成

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

3．2 系統(tǒng)通訊方式

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。

3．3 組態(tài)過程

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。

3．4 界面的設(shè)計方式

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)。

4 實現(xiàn)功能

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

5 結(jié)語

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）