基于Win CC的監控系統在鉆井頂驅系統中的應用

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處，遼寧 盤錦124010）

0 引言

頂驅的全稱為頂部驅動裝置（Top Drive Drilling System，TDS），它是可以從井架空間上部直接旋轉鉆柱，沿專用導軌向下鉆進，來完成多種鉆井操作的鉆井機械設備，是一種集成度很高的產品。隨著自動化水平、計算機應用技術的不斷發展，頂驅裝置已成為現代鉆井設備發展的重要成果之一。本文將Win CC與PLC相結合，實現了實時趨勢監控、報警記錄、系統設置等功能，在電控房利用可編程邏輯控制器（PLC）來完成數據的采集和上傳，形成了一套獨立完整的自動化監控系統。

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年進入世界工控組態軟件市場，由于其追求性能最全面、技術最先進、系統最開放的設計思想，當年就被美國Contr ol Engineering雜志評為最佳H MI軟件。Win CC能和不同的控制器進行通訊，因此迅速發展成為最成功的組態軟件之一。基于Win CC的監控系統上位機組態軟件，具有靈活的復雜可視化組件、強大的標準接口（如OLE、Active X和OPC）、使用方便的腳本語言，由簡單任務擴展到復雜任務，可提高現場人員的工作效率。PLC取代傳統繼電器控制裝置以來發展迅速，在世界各地得到了廣泛應用。同時，PLC的功能也在不斷完善。隨著計算機技術、信號處理技術、網絡控制技術的不斷發展和用戶需求的不斷提高，PLC在開關量處理的基礎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、過程控制等領域也發揮著重要作用。

2 背景技術

我公司頂驅控制系統采用SIEMENS可編程控制器（PLC）、Pr ofibus現場總線等先進技術，可完成鉆井、旋扣、上卸扣、IBOP控制和井噴時的快速應急操作等頂驅要求的所有功能。上位監控系統軟件Win CC功能強大，界面友好，具有較強的自診斷和歷史數據記錄功能，從而可保證頂驅系統的工作安全可靠。

3 監控系統組成

3．1 系統硬件組成

監控系統的硬件主要由上位機（即監控計算機）、PLC控制柜、遠程ET200 M、輔助電機、變頻器、通訊電纜和控制電纜等部分組成。基于Win CC及PLC的頂驅監控系統硬件布置如圖1所示。

圖1 監控系統硬件組成圖

3．2 系統通訊方式

PLC系統和其他子站通過Profibus通訊電纜建立連接，系統主控采用SIEMENS S7－300系列可編程控制器（CPU315－2 DP），司鉆箱采用ET200 M遠程終端模塊。

3．3 組態過程

我公司采用的上位機監控系統組態過程分為3個部分：（1）界面設計：根據鉆井實際工況和頂驅實際應用情況，設計應該達到運行可靠、操作方便、界面友好、圖形顯示直觀、操作方便的要求。（2）PLC程序設計：通過進行設備的數據采集及I／O點的連接，將控制對象和動作指令要求連接起來，實現監控系統的功能。（3）Win CC和PLC之間的通訊：首先創建Win CC站與自動化系統間的物理連接，在 Win CC項目中添加適當的通道驅動程序，在通道驅動程序適當的通道單元下建立與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 界面的設計方式

我公司頂驅Win CC系統主要分為頂驅系統主畫面、頂驅系統畫面、報警畫面、趨勢記錄畫面、系統設置畫面和程序監控畫面。各種操作界面分別顯示不同的信息，大體上有如下4個區域：（1）工具欄：在工具欄內，有畫面切換的按鈕、當前的日期和時間以及返回主畫面。（2）顯示區：在屏幕中部，畫面顯示區是進行監視以及控制操作的區域。（3）標題欄：顯示名稱和日期。（4）狀態欄：顯示頂驅狀態（非正常／正常狀態）。做出任意BYPASS切換，此處均要顯示“系統處于非正常狀態”，更換元件后撤消屏蔽處理，顯示取消。非正常狀態下可以應急啟動頂驅。

4 實現功能

該系統分為2塊區域，左側一塊包括系統登錄畫面、輔助控制畫面、電源系統畫面、頂驅系統畫面、報警記錄畫面、趨勢記錄畫面、系統設置畫面和程序實時監控。按下某按鈕，右側顯示頂驅三維圖形，并指示各部件名稱。

（1）登錄畫面：根據實際井場應用情況分為管理員登錄和維護人員登錄，他們均有不同的操作權限。（2）輔助控制畫面：主要監測液壓控制系統的通斷情況，此畫面只能監測到繼電器。（3）電源系統畫面：主要提供電路工作狀態，以電路的形式表現，既直觀又與現實中相結合，另外，在主要節點處會加設故障分析、解決方式，可大大減少現場解決問題的難度和時間。（4）頂驅系統畫面：主要以動畫方式體現工作狀態，將頂驅各個機構的工作狀態充分顯示，具體動作顯示如圖2所示。（5）報警記錄畫面：頂驅正常運行情況下蜂鳴器不發出警報語音，否則，系統會根據不同的參數設置發出警示聲，提示維護工作人員進行相應的操作，并在故障旁邊設有“故障解析”按鈕，按下按鈕可到達故障解析畫面，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據庫，可以查詢到變頻器故障原因。（6）趨勢記錄畫面：實時顯示需要監控的鉆井工況，比如系統電源趨勢、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）系統設置畫面：此畫面設置登錄權限，另外內部可以設置其他權限，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，權限也不同。管理員可以設置用戶的權限及各種參數，而用戶只能查看。（8）程序實時監控：此畫面監控簡單的程序，使現場人員可以看到各輸入、輸出點的實時狀態以及頂驅啟動條件等程序段，利于現場工程師快速判斷故障點位置。

圖2 頂驅系統畫面

5 結語

我公司出廠的設備現有2臺應用在現場，監控情況良好，能夠實時跟蹤設備運行情況，出現故障時能夠及時報警并記錄處理方式。目前，該系統采用的是 Win CC 6．0系統，我們正在進行Win CC 7．0系統的升級研究，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的控制系統在化工污水處理中的應用［J］．機械與電子，2010（S1）

［2］范永強．基于 Win CC及PLC在鉆井頂驅監控系統中的應用［J］．中國新技術新產品，2010（18）