基于WinCC及PLC在鉆井頂驅(qū)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

范永強(qiáng)

（中原油田西南鉆井公司，河南 濮陽 457001）

1 引言

所謂頂驅(qū)，即頂部驅(qū)動裝置的簡稱TDS(TOP DRIVE DRILLING SYSTEM)，它是可以直接從井架空間上部直接旋轉(zhuǎn)的鉆柱，沿專用導(dǎo)軌向下送進(jìn)，來完成多種鉆井操作動作的鉆井機(jī)械設(shè)備。

頂驅(qū)裝置是機(jī)電液一體化、集成度很高的產(chǎn)品。隨著自動化水平、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展和提高，頂驅(qū)裝置已經(jīng)成為現(xiàn)代鉆井設(shè)備的重要成果之一。本文利用WinCC設(shè)計(jì)頂驅(qū)的監(jiān)控裝置，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警記錄、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。在工控房利用PLC來完成數(shù)據(jù)的采集和上傳，形成了一套獨(dú)立的、完整的自動化監(jiān)控系統(tǒng)。

2 WinCC及PLC簡介

WinCC是西門子視窗控制中心(Windows control center)的簡稱。它從1996年進(jìn)入世界工控組態(tài)軟件市場，由于它追求性能最全面、技術(shù)最先進(jìn)、系統(tǒng)最開放的設(shè)計(jì)思想，并且遵從世界范圍內(nèi)使用的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)它能和不同的控制器進(jìn)行通訊，所以WinCC迅速發(fā)展成為了最成功的組態(tài)軟件之一。使用WinCC作為監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)組態(tài)軟件，它具有靈活的復(fù)雜可視化組件、方便地進(jìn)行擴(kuò)展、強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)接口、多樣的腳本語言，可以有效的降低操作人員的勞動強(qiáng)度，提高企業(yè)的勞動生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益。

PLC是可編程控制器(Programmable Logic Controller)的簡稱。它是以微型CPU為核心，融合了微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)及通信技術(shù)，從傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制裝置。PLC有自己的CPU和控制軟件，主要完成現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、存儲、報(bào)警、控制等功能，并通過通信信道與監(jiān)控中心微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，同時(shí)根據(jù)工控房的命令完成數(shù)據(jù)傳輸、控制輸出等任務(wù)。

3 監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 系統(tǒng)硬件組成

監(jiān)控系統(tǒng)的硬件由工控機(jī)、電源系統(tǒng)、大屏幕顯示裝置、PLC控制柜、控制電纜等幾大部分組成。基于WinCC及PLC的頂驅(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件布置圖如下所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行平臺

本監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器操作系統(tǒng)采用Windows Server 2003。它具有可靠性、可用性、可伸縮性和安全性，這使其成為可靠的運(yùn)行平臺。

3.3 通訊方式

PLC系統(tǒng)通過光纖和本子站進(jìn)行連接，與其他子站通過PROFIBUS通訊電纜連接。系統(tǒng)主控PLC為西門子S7-300系列可編程控制器:CPU315-2DP，液壓站和本體站使用ET200X遠(yuǎn)程輸入/輸出控制站，司鉆臺子站采用ET200M分布式I/O。

4 組態(tài)過程

本系統(tǒng)的組態(tài)過程主要分為3個部分:監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)、PLC程序設(shè)計(jì)、WinCC與PLC間的通訊。

4.1 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1.1 界面設(shè)計(jì)需求

監(jiān)控系統(tǒng)界面是操作人員與計(jì)算機(jī)監(jiān)控交互的主要方式，根據(jù)鉆井平臺現(xiàn)場的實(shí)際情況，監(jiān)控系統(tǒng)界面應(yīng)具有運(yùn)行可靠、操作方便、界面友好，圖形顯示直觀的特點(diǎn)。本監(jiān)控系統(tǒng)主畫面工分為四個區(qū)域，分別顯示不同的信息:(1)工具欄:在工具欄區(qū)內(nèi)是畫面切換按鈕。(2)顯示區(qū):畫面區(qū)是進(jìn)行監(jiān)控及控制操作的主要區(qū)域。(3)報(bào)警欄:報(bào)警欄可顯示系統(tǒng)當(dāng)前最新的報(bào)警內(nèi)容。(4)狀態(tài)欄:狀態(tài)欄區(qū)顯示當(dāng)前的畫面名稱、當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間等。

通過單擊工具欄上的按鈕可以進(jìn)入對應(yīng)的監(jiān)控畫面，本系統(tǒng)主要有如下監(jiān)控畫面:系統(tǒng)幫助畫面、電源系統(tǒng)畫面、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)畫面、頂驅(qū)系統(tǒng)畫面、控制狀態(tài)畫面、報(bào)警記錄畫面、趨勢畫面、系統(tǒng)登錄畫面、退出系統(tǒng)畫面。

4.1.2 界面組態(tài)

(1)首先運(yùn)行WinCC組態(tài)程序，新建一個項(xiàng)目，并設(shè)置好WinCC運(yùn)行系統(tǒng)的啟動組件和使用語言。(2)建立WinCC與STEP7的動態(tài)連接，在S7協(xié)議中設(shè)置PROFIBUS通道、地址、槽號等建立工控房與各PLC的連接。(3)建立變量標(biāo)簽，WinCC按功能可分為外部變量、內(nèi)部變量、系統(tǒng)變量、腳本變量，變量的選擇要和PLC程序中的變量保持一致。(4)在WinCC圖形編輯界面中，繪制組態(tài)畫面。根據(jù)鉆井平臺的實(shí)際布置，利用WinCC自帶的圖形工具，繪制操作界面，務(wù)必使操作界面簡潔、友好。(5)激活WinCC畫面。對畫面的圖形的屬性進(jìn)行設(shè)置，如顏色、尺寸、閃爍等，畫面根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的情況、監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置值的不同，顯示不同的狀態(tài)。

4.2 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC控制器可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集及通過執(zhí)行器執(zhí)行工控房的各項(xiàng)命令，PLC程序設(shè)計(jì)實(shí)際上就是將對象的控制條件和動作要求轉(zhuǎn)化為PLC可以識別的指令的過程，以完成系統(tǒng)的溫度、液壓、功率、電流等的檢測，同時(shí)實(shí)現(xiàn)鉆井平臺各種設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控。其程序設(shè)計(jì)的基本流程如下圖所示。

圖2 PLC設(shè)計(jì)流程

4.3 WinCC與PLC間的通訊

根據(jù)頂驅(qū)工作環(huán)境的需要，中心監(jiān)控系統(tǒng)與PLC系統(tǒng)之間通過PROFIBUS現(xiàn)場總線進(jìn)行連接。PROFIBUS廣泛用于機(jī)械制造業(yè)、交通電力、石油化工等領(lǐng)域，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的分散式控制與通信。在WinCC中設(shè)置SIMATIC S7 Protocol Suite通信驅(qū)動模塊，通過PROFIBUS通信，可方便地和S7-300PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

5 實(shí)現(xiàn)功能

5.1 權(quán)限管理:監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)需要，按照值班人員，維護(hù)人員和系統(tǒng)管理員三種級別授予不同的操作權(quán)限。

5.2 圖形顯示:頂驅(qū)工作狀態(tài)、電源參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、控制狀態(tài)、報(bào)警等畫面的顯示，通過點(diǎn)擊不同的畫面按鈕進(jìn)入不同的圖形顯示畫面。

5.3 報(bào)警功能:頂驅(qū)設(shè)備正常運(yùn)行的情況下，蜂鳴器不發(fā)出警示語音或燈光顯示為正常運(yùn)行狀態(tài)。否則，系統(tǒng)會根據(jù)不同的參數(shù)設(shè)置發(fā)出警示音，提示工作人員進(jìn)行相應(yīng)的操作，排除故障。

5.4 報(bào)表匯總。監(jiān)控系統(tǒng)會記錄工作人員的操作記錄、報(bào)警時(shí)間、報(bào)警次數(shù)、故障位置等，可根據(jù)不同的需要生產(chǎn)各種報(bào)表。

5.5 趨勢曲線:監(jiān)控系統(tǒng)對檢測的功率、液壓、電流、電壓、溫度等以圖形的形式顯示出來，便于操作人員監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行情況。

5.6 實(shí)時(shí)控制。工作人員在工控房通過監(jiān)控程序組態(tài)畫面進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的設(shè)備啟、停、分閘、合閘等操作，同時(shí)，終端設(shè)備隨時(shí)執(zhí)行工控房的遙控、遙調(diào)、遙測等操作。

6 結(jié)論

基于WinCC和PLC的頂驅(qū)監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)功能全面，人機(jī)界面友好。WinCC和PLC具有很好的靈活性和擴(kuò)展性，在本監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了頂驅(qū)、液壓、整流等參數(shù)的顯示、記錄、報(bào)警和存檔，大大提高了企業(yè)的勞動生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益、提高了企業(yè)的自動化程度，同時(shí)降低了操作人員的勞動強(qiáng)度。本監(jiān)控系統(tǒng)已應(yīng)用于四川某鉆井公司，系統(tǒng)投入后運(yùn)行穩(wěn)定，安全性高。

[1]華中平,彭安華.鉆井監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].軟件導(dǎo)刊，2008-05-31.

[2]張成功.鉆井工程監(jiān)控管理系統(tǒng)研究[J].西南石油大學(xué)，2006-05-20.