陸地石油鉆機大鉤高度保護系統

趙 芳，諶海云，易 偉，唐 敏，李 靜

（1.西南石油大學電氣信息學院，四川成都 610500；2.四川昆侖石油設備制造有限公司，四川成都 610500；3.吐哈油田三塘湖采油廠，新疆哈密 839000；4.中原油田普光分公司采氣廠，四川達州 636150）

1 引言

大鉤是陸地石油鉆機配套的設備，主要是用于油田深、淺鉆井作業中提升和下放管柱的工具，是鉆井作業中必不可少的起重設備。由于鉆桿很重，即大鉤的負荷很重，若不控制大鉤的高度，上碰可能會撞壞石油鉆機天車，下砸可能會砸壞轉盤，造成不能生產。因此，確保大鉤的高度在一定范圍內的意義重大。之前的石油鉆機會在絞車上裝一個過卷閥，機械上保證不會上碰天車，但不能保證不下砸，功能不齊全，并且精度差，容易誤動作。本次設計完全根據大鉤的位置來準確控制，讓大鉤在上碰點和下砸點之間運動，避免事故的發生。

本次設計采用的編碼器是增量型編碼器RHI90N-OIAK1R61N-1024，此為高精度編碼器，在大鉤上下多次來回運行后仍然能保持零位。因此，不用經常去校核零位。而國內的同類產品其精度相對較低，且在大鉤上下運行后不能歸零，這樣來回次數多了就會產生累計誤差。

本系統使用的S7-300是模塊化小型PLC系統，主要面向制造工程的系統解決方案［1］。各種單獨的模塊之間可進行廣泛組合構成不同要求的系統。與S7-200 PLC相比較，S7-300 PLC采用模塊化結構，具備高速（0.6-0.1μs）的指令運算速度；集成了方便的人機界面（HMI）服務，使得人機對話的編程要求大大減少；具備強大的通信功能，S7-300 PLC可通過編程軟件Step 7的用戶界面提供通信組態功能，這使得組態非常容易、簡單。S7-300 PLC具有多種不同的通信接口，如多點接口（MPI）集成在CPU中，用于同時連接編程器、PC機、人機界面系統及其他SIMATIC S7／M7／C7等自動化控制系統［2］。

2 總體設計

本系統通過對編碼器數據的讀取，將其轉換為大鉤的實際高度，實現對大鉤高度的精確測量。對測量的大鉤實際高度與設定的大鉤保護上行下行點進行對比，通過PLC輸出控制指令，控制司鉆房氣路電磁閥的動作控制盤式剎車做出相應的動作，確保大鉤不超出設定范圍，其系統流程如圖1所示。

本系統包括了硬件組態模塊、邏輯判斷模塊等，系統結構如圖2所示。

圖1 系統流程圖

圖2 系統結構圖

硬件組態模塊是指編輯人員根據項目實際情況編輯硬件組態。進行正確的編輯后，編譯保存再執行下載。在線診斷可查看網絡連接和設備的運行狀態是否正確。另外在線時，如果編輯保存的組態與CPU中保存的內容不一致，則會給出提示。

邏輯判斷模塊主要是判斷經過轉換后的大鉤位置和設定的位置輸出控制電磁閥，電磁閥動作盤剎剎車。

設備控制模塊的功能是滿足輸出條件，則由本系統給出指令控制相應的設備。如果通過反饋得知系統相關設備未執行輸出，則重啟輸出或報警。

HMI（人機界面）顯示是通過觸摸屏實時顯示本系統所屬各個設備的電氣運行數據和狀態，讓操作人員隨時掌握鉆機設備的運行情況和數據，方便操作人員的操作和設備維護人員的診斷。

3 FM350計數模塊

FM350-1是一款用于高速計數的單通道智能計數模板，可以連接源型、漏型以及推挽式接口的編碼器，具有軟件門和硬件門控制計數和測量，帶比較值輸出?？梢栽贗MI53-1、IMI53-2、S7-300系統中使用。

3.1 硬件組態

在SIMATIC Manager中新建一個項目，雙擊“Hardware”進入硬件組態界面后，按照所需模塊進行硬件組態，如圖3所示。插入FM350模塊，進行FM350-1的參數配置，其參數配置如圖4所示。

其中Encoder是用來設置編碼器類型的選擇、最高計數頻率等信息。確認完相關參數后，保存配置信息，在硬件組態窗口中下載系統的硬件組態到CPU。

圖3 硬件組態

圖4 參數配置

3.2 程序編寫

安裝完組態包后，在STEP7的庫中添加庫程序，在編程之前需要將庫程序中的所有內容復制到項目中。對于FM350-1，使用UDT-2創建一個共享DB塊。在DB1中，分別寫入模塊地址和通道地址。設置好OB1、FC2、DB1并下載到CPU中。創建一個背景數據塊DB用于HMI顯示用。

4 系統的組態與仿真

WinCC flexible與WinCC十分類似，都是組態軟件，而前者基于觸摸屏，后者基于工控機。本系統采用了WinCC flexible組態軟件，它是一種前瞻性的面向機器的自動化概念的HMI軟件，具有舒適而高效的設計。WinCC flexible用于組態用戶界面，建立的組態數據包括：①過程畫面：用于顯示過程。②變量：用于運行時在PLC和HMI設備之間傳送數據。③報警：運行中發生故障時顯示報警狀態。④記錄：用于保存過程值和報警［3］。圖5所示為本系統的仿真圖。

圖5 系統的仿真

WinCC flexible支持多個不同自動化概念的組態。本次設計中HMI設備通過PROFIBUS總線與PLC連接［4］。在 WinCC flexible中，與 SIMATIC STEP 7的集成，其過程標簽提供了PLC和HMI系統之間的通訊連接。如果沒有全集成自動化的優點，每個變量必須定義兩次，一次用于PLC，一次用于HMI系統。SIMATIC STEP 7與組態用戶界面中的集成將降低出錯率并減少組態工作量。WinCC flexible通過變量和區域指針控制HMI和PLC之間的通迅。在WinCC flexible中，變量包括外部變量和內部變量。外部變量是HMI設備和PLC進行數據交換的媒介。在WinCC flexible中創建一個外部變量，必須為其指定與PLC程序中相同的地址，這樣HMI設備和PLC可以訪問同一映像寄存器，實現HMI設備與PLC之間的通信。

通常情況下，為了防止未經制授權的操作，需要通過用戶管理設置安全系統。在WinCC flexible軟件中，在運行系統管理里根據用戶的需要定義包括操作、監視、管理等權限。

5 結束語

本系統可對陸地石油鉆機的大鉤高度進行精確的測量，對測量大鉤實際高度與設定的大鉤保護的上碰下砸點進行對比，通過PLC輸出控制指令，通過控制司鉆房氣路電磁閥的動作控制盤式剎車，確保大鉤不超出設定范圍。從仿真的效果來看，達到了設計的目的。

［1］郁漢琪等.電氣控制與可編程序控制器應用技術，南京：華南大學出版社，2003.

［2］西門子（中國）自動化與驅動集團.深入淺出西門子S7-300PLC.北京：北京航空航天大學出版社，2004.

［3］劉華波，王雪等.組態軟件WinCC及其應用，北京：機械工業出版社，2009.

［4］崔堅，李佳.西門子工業網通信指南［M］.北京：機械工業出版社，2005.