关于西门子S7-400H热冗余PLC在石油钻机的应用

　　论文关键词：plc　石油钻机　变频传动系统

　　论文摘要：本文叙述了西门子s7-400h热冗余plc在石油钻机变频传动系统的应用特点，给出了一个典型应用配置，并对实际的应有情况做了分析评价。

　　 一、s7-400h系列的性能特点

　　s7-400h系列plc是西门子的最新一代高端产品，是可以实现硬件热冗余的控制器。s7-400h一般由两组s7-400通过光纤通信交换数据达到硬件热冗余的功能。

　　s7-400plc的主要性能:

　　·全系列cpu处理速度整体提高3至70倍

　　·工作内存翻倍，最高达20mb

　　·定时器、计数器个数提高8倍

　　·通讯性能全面提高1倍

　　·零部件和编程工具保持兼容

　　·全面支持profibus等时模式

　　·支持不停机修改分布式硬件配置

　　s7-400的主要特色为：极高的处理速度、强大的通讯性能和卓越的cpu资源裕量。特别适合于高性能的中大规模系统。

　　需要容错能力的应用系统就要选择s7-400h plc。基于标准s7-400模板的s7-400h是一个冗余的plc，可以明显地减少生产过程的故障停机率，适用于那些需要尽可能减少或避免故障停机的应用场合。例如发电或输、配电、化学工业、采矿、运输等。

　　容错性是通过二个并行的中央控制器实现的。它们的cpu通过光缆连接并通过冗余的profibus dp线路对冗余的i/o进行控制。除了故障cpu和profibus外，i/o自身可以冗余。当发生错误或故障时进行无扰动的切换，即未受影响的热备控制器将在中断点继续执行控制而不丢失任何信息。

　　s7-400h的编程与非冗余的标准s7-400系统相同，都使用step-7语言。所有容错专用的功能可通过容易使用的step 7软件包来组态。为标准非容错系统编写的程序可以方便地移植到容错系统(反之亦然)。step 7 v5.3已将冗余选件包集成，无需再单独购买。

　　在plc产品领域，simatic s7-400满足了生产和过程自动化的系统解决方案的要求。

　　　　

　　图1．zj50db电控系统基本配置图
　　二、s7-400h组成的网络系统

　　1、zj50db/70db钻机是目前非常先进的钻机，其整体的技术水平体现在电控系统的设计与调试中。我们在设计中确保系统的高配置、长期使用的高性能、高可靠性以及较为完善的安全措施，并为用户提供良好的人机界面和故障诊断功能。设计完成后系统具有相当大的冗余能力。

　　zj50db系统配置2座vfd房，分别为vfdi房和vfdii房。根据总体要求我们作了以下布置：

　　vfdi房包括1#综合柜（负责采集与发送vfdi房内的各种电气信号，另有柴油机组监控信号通信模块和显示机组参数的机组用工控机等），1mpa变频柜，1mpb变频柜，2mpa变频柜，2mpb变频柜，3mpa变频柜，，3mpb变频柜，进线开关柜，冷气机，主变压器等。

　　vfdii房包括绞车a变频柜，绞车b变频柜，转盘变频柜，绞车a制动柜，绞车b制动柜，切换柜（实现绞车b变频柜作为转盘变频柜的切换备用），plc柜(系统plc主站设于该柜内)，2#综合柜(负责采集与发送vfdii房内的各种电气信号，另有以画面形式监控和显示全套传动系统参数的上位工控机等)，送钻变频柜， 采用siemens先进的智能软起动装置，并实现对重要辅机的保护和监控。

　　全套系统的基本设备配置图如图1所示。

　　钻机控制系统以西门子高性能的s7-400h热冗余主站plc为控制核心，通过现场总线控制技术把数字化设备组成profibus-dp网络,实现发电机控制单元、十台变频器、司钻监控、远程监控、电液气联控、自动送钻、一体化仪表系统、游车防碰等控制系统间的高速通讯，上位工控机和远程工控机实时监控、储存各个系统的运行状态并提供故障诊断信息。上位工控机、远程工控机与s7-400h热冗余主站plc通过光纤通信组成一个工业以太网；自动化级（plc）、数字传动级、司泵操作台和司钻操作台通过热冗余profibus-dp构成双总线网络系统，参数双向传递，显示一体化钻井仪表参数及画面，各种状态提示和帮助文本显示，为钻井工艺创建一个数字化、信息化、智能化的管理平台和友好的人机界面，实现对系统各装置的远程数据传输和故障监控，优化控制和监测整个钻井过程。系统操作与监控具有两种模式：plc正常模式与继电器应急模式。

　　系统的plc及总线控制网络如图2所示。

　　司钻操作台具有钻机操作和钻井参数实时显示、电气系统运行监控与显示、故障显示、报警的齐备功能。

　　　　

　　　　　　　　　　　　　　图2 plc及总线控制网络
司泵操作台独立在泵房区放置，可以实现正常与应急操作，通过指示灯显示系统基本的的运行状态。

　　系统采用西门子最高性能的s7-400h热冗余plc和profibus现场总线技术（双总线）进行绞车、转盘、泥浆泵、自动送钻变频系统之间的数据快速传输，并可通过触摸屏、显示屏、工控机、远程电脑实现监控、操作、故障报警、参量修改、诊断、存储、记录等功能。可以监控的参数主要有：柴油机组运行状态及参数、发电机运行状态及参数、变频器运行状态及参数、系统操作与运行状态、系统故障与报警信号、误操作信号、mcc运行状态、游车运行状态、一体化钻井仪表等。

　　采用plc和profibus现场总线控制和变频调速结合的总线控制系统具有以下的技术特点：

　　（1） 采用矢量控制的绞车电机四象限运行和游车位置闭环的防碰功能；

　　（2） 恒钻压自动送钻技术；

　　（3） plc和总线控制；

　　（4） 一体化司钻台和一体化仪表系统；

　　（5） 操作和钻井参数实时显示、电气系统运行监控与显示、故障显示、报警与安全停车的齐备功能，为钻井工艺创建一个数字化、信息化、智能化的管理平台和友好的人机界面。

　　司钻操作系统在plc正常操作方式时钻机操作和监控的全部功能，主要包括：发电机系统指示灯，各操作开关与给定手轮/手柄，主电机风机运行指示灯，主电机运行指示灯，指重表，泵压表，触摸屏，显示屏等。触摸屏和显示屏可以显示钻机系统相关的运行与监控参数，同时具有参数设定功能。通常乘坐一体化钻井仪表系统。

　　彩色触摸屏、显示屏主要功能：

　　1、设定自动送钻参数，设定游车防碰系统参数等。

　　2、查看所有在网络中设备的实时状态。

　　3、报警信息提示司钻关注提示到的设备状况。

　　4、故障信息提示司钻关注已产生故障的设备。

　　5、显示主要钻井参数：悬重、钻压、井深、机械钻速、转盘转速、转盘扭矩、泥浆压力、泥浆返回量、泵冲、液位（3罐）、游车位置、吨.公里及衍生的其他参数。

　　6、安全防护信息。

　　7、误操作信息与误操作保护。

　　8、故障诊断信息。

　　系统还配置了司泵操作台，以指示灯显示系统的基本运行状态。在取得司钻授权后可以操作泥浆泵。

　　在配置总线系统时建议将多台工控机联入工业以太网，prfibus总线仅连接主传动设备，这样可以避免其它非主要设备的调试安装及故障维护影响主传动设备。

　　一体化仪表系统通过数据采集单元（现场的传感器、编码器、变送器等），plc经过计算、处理，在触摸屏、显示屏、上位工控机、远程工控机上显示以下钻井参数：悬重、钻压、井深、机械钻速、转盘转速、转盘扭矩、泵冲、泵压、泥浆池液位、出口返回量、总泵次、游车位置、吨.公里及衍生的其他参数。

　　电、气、液联控系统：

　　plc总线系统根据司钻工的操作信号去控制阀岛完成一些气、液操作，并根据故障情况完成盘刹自动抱闸、转盘惯性刹车投入等保护功能。

　　一体化仪表系统具体主要显示监控以下参数：

　　发电机组数据：各发电机电压、电流、频率、有功功率、无功功率等。如果是模拟控制发电机组，则需要从控制模块引出实际信号并增加变送器变为标准信号输入到plc。如果是数字控制发电机组则可以直接采用通信方式读出这些信号。

　　传动系统数据：各变频柜转速、功率、电压、电流、转矩等。这些数据均从变频器直接通信传输到plc主站。

　　其它电气运行情况： mcc运行状态，各风机、注油泵、喷淋泵等运行状态。这些信号一般要从开关量模块输入。

　　钻井工艺参数：悬重、钻压、转盘转速、转盘扭矩、泵压、大钳扭矩、入口流量、出口返回量、井深、机械钻速、游车位置、吨·公里、钻时及衍生的其他参数。悬重、泵压、大钳扭矩和出口返回量测量要安装传感器；转盘转速、转盘扭矩由全数字传动系统给出，不需要传感器；井深、机械钻速、游车位置等依据滚筒编码器数据由plc程序依据一定算法计算；吨·公里依据滚筒编码器和悬重传感器数据由plc程序计算；钻时由plc计时，每次钻进时在触摸屏上手动启动计时；入口流量可由公式计算：

—效率， —缸套直径， —冲程， —冲数。
　　罐区泵区监控数据：泵冲、总泵次、泥浆池液位等。泵冲与电机转速成正比的固定关系，可由全数字传动系统给出，不需要传感器；总泵次由泵冲按照积分算法累计；泥浆池液位一般安装超声波液位传感器。

　　综合以上显示参数可以设定一些报警设置，例如液位过高或过低，出口返回量异常等，提醒司钻注意。

　　一体化司钻台和一体化仪表系统省却了体积大、造价高、安装复杂的机械式参数仪系统，省却了许多传感器，数据准确，实时性好。传感器安装复杂，维护麻烦，对恶劣环境的承受能力差。从电气上来说硬件成本增加不多，软件开发的工作量增大了。罐区的传感器也可以采用asi（执行器-传感器总线）总线方式以减少接线，可与智能井电共用asi总线。

　　以下三张图片是实际运行的系统的部分画面。

　　　　　　　

　　三、s7-400h在石油钻机的应用情况

　　s7-400h热冗余系统应用于陆地石油钻机是一次尝试。我们已经成功地将s7-400h plc应用于zj50db钻机电控系统。s7-400h在现场运行比较稳定，热冗余性能得到充分验证。

　　特别要提到的是s7-400h热冗余系统的冗余特性主要是针对cpu部件，通信部件和通信介质而设计的。例如当网络1的通信电缆热冗余对现场电磁干扰并不具有“冗余”能力，电磁环境兼容性方面的设计仍然要严格执行相关的技术标准。在实际现场我们见到了一套以s7-300plc设计的软件冗余双plc控制zj50ldb变频传动系统，由于抗干扰措施不足，经常发生通信中断故障，双plc也不顶用。在检查故障时从pmu单元上直接手动启动变频器，就发现两套plc通信过程连续相互切换，第一套中断后第二套运行接着又中断并转入第一套，每一套都不能稳定工作。所以从抗干扰的角度来说单总线和双总线的能力是一样的。

　　但是由于双总线系统比较复杂，接线较多，陆地钻机又是频繁移动设备，安装和拆卸要复杂一些。所以s7-400h非常适合于高性能要求高可靠性的大型控制场合，而且满足大规模系统的大容量控制任务。例如海洋钻井平台，大型轧钢工厂，石油炼化工厂等。现在已经有新建造的海洋钻井平台开始使用s7-400h热冗余系统。在发生故障时，对现场用户维护人员的实际维护能力的要求较高。陆地石油钻机电控系统从plc应用的角度来衡量只是一个中小型系统，如果不要求硬件热冗余，就可以采用s7-300plc同样能够达到良好的效果。

　　参考文献：

　　1．西门子电气传动有限公司，《矢量控制使用大全》

　　2．西门子电气传动有限公司，《simatic s7-400可编程控制器产品目录》

　　3．西门子电气传动有限公司，《simatic s7-400可编程控制器模板规范》

　　4．安建钧，安建珍：《钻机变频传动电控系统的总体设计》，电气传动自动化，2006年第6期

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