田德寶，董興華，張鵬飛，何慶，楊雙業(yè)，張彥偉

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002)

基于S7- 400PLC鉆柱升沉補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)的應(yīng)用

田德寶1,2，董興華1,2，張鵬飛1,2，何慶1,2，楊雙業(yè)1,2，張彥偉1,2

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002)

采用西門(mén)子公司的S7-400PLC做主站，ET200M做從站通過(guò)PROFIBUS-DP組成控制系統(tǒng)，完成鉆柱補(bǔ)償系統(tǒng)中的信號(hào)的采集、處理及控制功能。上位機(jī)采用觸摸式工控機(jī)，完成系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置及故障報(bào)警功能。系統(tǒng)基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可以很好的保證系統(tǒng)的控制周期及穩(wěn)定性。

升沉補(bǔ)償；S7-400PLC；ET200M； 主動(dòng)補(bǔ)償；PID

0 引 言

鉆柱升沉補(bǔ)償裝置是海洋鉆井裝備中重要設(shè)備之一。升沉補(bǔ)償技術(shù)對(duì)于海洋資源勘探開(kāi)發(fā)有著重要的作用[1]。鉆井平臺(tái)或浮船在波浪的作用下將產(chǎn)生周期性的升沉運(yùn)動(dòng)，并使鉆柱上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)[2]。這將會(huì)引起井底鉆壓的變化，甚至?xí)广@頭脫離井底，影響鉆進(jìn)效率，降低鉆頭和鉆桿的使用壽命，還將產(chǎn)生操作安全隱患。甚至導(dǎo)致無(wú)法鉆進(jìn)和被迫停工，這就造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，為了減少停工期，降低鉆井成本，鉆井平臺(tái)或浮船必須對(duì)鉆柱升沉運(yùn)動(dòng)采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償措施[3]。

鉆柱升沉補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)基于主動(dòng)與被動(dòng)聯(lián)合補(bǔ)償?shù)墓ぷ鞣绞?，按照系統(tǒng)的控制要求與工藝流程，采用西門(mén)子公司PLC作為核心控制器，通過(guò)搭建硬件電路、軟件編程及上位機(jī)監(jiān)控軟件組態(tài)。最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證補(bǔ)償精度滿足設(shè)計(jì)要求。

1 鉆柱升沉補(bǔ)償控制原理

鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)是一個(gè)典型的電液比例閥控制液壓系統(tǒng)，它是由液壓補(bǔ)償缸，電液比例方向閥，油缸位移傳感器、PLC控制器、運(yùn)動(dòng)參考單元(MRU)及司鉆控制的工控機(jī)等構(gòu)成[4]， 電控液系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 電液控制系統(tǒng)原理

如圖2所示，被動(dòng)補(bǔ)償缸上安裝的位移傳感器用來(lái)檢測(cè)鉆柱的運(yùn)動(dòng)位移，船體位移傳感器檢測(cè)船體隨海浪升沉位移。

通過(guò)S7-300 PLC的模擬輸入模塊采集船體升沉位移信號(hào)X1和被動(dòng)缸位移信號(hào)X2，并將兩者信號(hào)進(jìn)行比較，將得到的大鉤的升沉位移(ΔX=X1+X2)，為PID控制環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)，通過(guò)調(diào)用SETP 7中的PID程序塊，設(shè)置相應(yīng)的比例、積分、微分等參數(shù)。

經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算后，將產(chǎn)生控制電液比例方向閥的控制信號(hào)(ΔVp+ΔVi+ΔVd)，該控制信號(hào)經(jīng)過(guò)比例放大器進(jìn)行信號(hào)放大，產(chǎn)生相應(yīng)的控制電液比例閥的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，該驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)通過(guò)傳輸電纜控制高頻比例電磁鐵，進(jìn)而控制進(jìn)入主動(dòng)缸內(nèi)液壓油的流量及方向，從而控制主動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)速度和方向。被動(dòng)缸主動(dòng)缸和工作氣罐壓力的聯(lián)合作用下，以相應(yīng)的流量和壓力向被動(dòng)缸無(wú)桿腔提供動(dòng)力液壓油，從而對(duì)被動(dòng)缸產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)態(tài)控制力，控制被動(dòng)缸活塞的運(yùn)動(dòng)速度和方向。

圖2 補(bǔ)償系統(tǒng)控制原理圖

2 控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

控制器的選擇也是經(jīng)過(guò)深思熟慮的，S7-400系列PLC硬件可靠，安全實(shí)用，擴(kuò)展模塊齊全，功能強(qiáng)大，性價(jià)比高，可以在比較惡劣的環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作[5]。遠(yuǎn)程I/O ET200M模塊，通過(guò)冗余的Profibus總線與冗余的CPU 相連，實(shí)現(xiàn)分布式監(jiān)控，ET200模塊是高密度配置的模塊化I/O站，信號(hào)模塊種類(lèi)眾多，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行不同模塊的拼裝組合。有源總線模塊設(shè)計(jì)可以保證在運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行信號(hào)模塊更換，同時(shí)ET200M模塊具有診斷功能，每一個(gè)輸入/輸出通道都支持短路、斷線診斷。CPU414適用于對(duì)過(guò)程處理能力和響應(yīng)時(shí)間要求很高的場(chǎng)合，通過(guò)其工作存儲(chǔ)器，該CPU也適用于中等規(guī)模的應(yīng)用。

圖3 控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

在該項(xiàng)目中，根據(jù)系統(tǒng)性能和控制工藝需求，最終選擇西門(mén)子公司S7 414-5H冗余PLC作為核心控制器， ET200M模塊作為分布式遠(yuǎn)程I/O，觸摸式工控機(jī)作為上位機(jī)，WinCC作為上位監(jiān)控軟件以及部分網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等其他自動(dòng)化系統(tǒng)產(chǎn)品搭建系統(tǒng)控制平臺(tái)。如表1、圖3所示。

表1 控制系統(tǒng)主要產(chǎn)品

當(dāng)檢測(cè)到鉆柱與實(shí)際位移出現(xiàn)偏差時(shí)，位移傳感器信號(hào)通過(guò)ET200M上的S7-300PLC模擬輸入模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過(guò)PROFIBUS-DP通訊方式傳至CPU414-5H并通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)通訊方式上傳至上位機(jī)—觸摸式工控機(jī)，上位機(jī)觸摸式工控機(jī)根據(jù)偏差按照一定控制算法經(jīng)模擬輸出模塊輸出相應(yīng)控制信號(hào)，該控制信號(hào)經(jīng)過(guò)電液比例閥放大器將信號(hào)放大后驅(qū)動(dòng)比例電磁閥。進(jìn)而控制比例電磁閥的開(kāi)口大小，并使得液壓缸的活塞桿運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)的位置，從而實(shí)現(xiàn)鉆柱的位移運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。

3 控制軟件設(shè)計(jì)

如圖4，圖5所示，基于硬件平臺(tái)，并根據(jù)補(bǔ)償裝置的工藝流程，編寫(xiě)軟件程序。軟件程序主要由主程序，算法子程序、故障診斷及處理程序，通訊程序等部分組成。其中主程序主要負(fù)責(zé)對(duì)各功能塊的調(diào)用及對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的初始化，算法子程序是對(duì)數(shù)字量、模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理，例如電磁閥的通、斷及狀態(tài)信息檢測(cè)，液壓缸伸出位移及壓力的檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償液壓缸的伸出/縮回等。故障診斷及處理程序?qū)崟r(shí)診斷、處理系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的各種故障，并發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通訊程序用來(lái)完成PLC與上位機(jī)的通訊功能[6]。

圖4 PLC硬件組態(tài)圖

圖5 PLC通訊組態(tài)圖

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，設(shè)備的機(jī)械及液壓系統(tǒng)安裝就位，同時(shí)電控系統(tǒng)調(diào)試完畢時(shí)，則可進(jìn)入功能試驗(yàn)階段。由于缺乏真實(shí)的海況參數(shù)，試驗(yàn)選用單頻率的正弦波近似模擬平臺(tái)的升沉位移信息，y=0.5*sin2π/4.5,周期為4.5 s，幅值為0.5的正弦波形。同時(shí)，該升沉補(bǔ)償裝置，懸掛載荷10 T,如圖6所示。

圖6 補(bǔ)償趨勢(shì)及參數(shù)試驗(yàn)

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析了鉆柱升沉補(bǔ)償裝置的控制原理，按照工藝要求搭建一套硬件采用西門(mén)子PLC，軟件采用STEP7編程及WINCC人機(jī)界面的電氣控制系統(tǒng)。并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證方案及控制算法的可行性。

[1] 王哲駿，謝金輝，高劍，等.波浪補(bǔ)償技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2014,36(11)：1-7.

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[5] 廖常初.S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[6] 崔堅(jiān).西門(mén)子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

Application of a Control System for the Heave Compensation Device of the Drill String Based on S7- 400 PLC

Tian Debao1,2, Dong Xinghua1,2, Zhang Pengfei1,2, He Qing1,2, Yang Shuangyei1,2, Zhang Yanwei1,2

(1.Baoji Petroleum Machinery Co. Ltd., Baoji Shaanxi 721002, China;2. National Engineering and Technological Research Center for Oil & Gas Drilling Equipment, Baoji Shaanxi 721002, China)

We use Siemens S7-400PLC as main station and ET200M as slave station to build up a control system through PROFIBUS-DP for signal acquisition, processing and control in the compensation system of the drilling string. The upper machine adopts the touching type industrial control machine to perform such functions as status monitoring, parameter setting and fault alarm for the system. Based on real-time operation , this system can ensure the control period and stability of the system.

heave compensation；S7-400PLC；ET200M； active compensation； PID

國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目“深水鉆機(jī)及鉆柱自動(dòng)化處理關(guān)鍵技術(shù)研究”(2012AA09A203)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.02.031

TP29

A

1000-3886(2017)02-0100-03

田德寶(1983-)，男，河南南陽(yáng)人，工程師，碩士，現(xiàn)主要從事石油裝備設(shè)計(jì)及配套工作。 董興華(1983-)男，甘肅蘭州人，工程師，本科，現(xiàn)主要從事鉆井平臺(tái)自動(dòng)化控制、供配電和機(jī)電一體化。 張鵬飛(1981-)，男，河北承德人，工程師，碩士，現(xiàn)主要從事石油裝備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。 何慶(1987-)，男，河南商丘人，助理工程師，碩士，現(xiàn)主要從事石油裝備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。 楊雙業(yè)(1984-)，男，河北肅寧人，工程師，碩士，現(xiàn)主要從事石油裝備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。 張彥偉(1982-)，男，河南許昌人，工程師，本科，現(xiàn)主要從事石油裝備設(shè)計(jì)及配套工作。

定稿日期: 2016-08-12