1、引言

石油電驅(qū)動鉆機是近年來發(fā)展非常快的鉆井專用裝備，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外各大油田的開發(fā)。進入20世紀(jì)90年代，石油鉆機的控制系統(tǒng)已由模擬式控制技術(shù)逐步轉(zhuǎn)化為數(shù)字式控制技術(shù)，由繼電器控制模式逐步轉(zhuǎn)化為總線智能控制模式，并繼續(xù)朝著智能化控制方向發(fā)展和改進。由于profibus-dp現(xiàn)場總線技術(shù)比較成熟，可靠性高，模塊化功能強大，組態(tài)靈活方便，故障率低，現(xiàn)場維護方便，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電驅(qū)動鉆機系統(tǒng)中。

本文將從石油鉆機井場情況進行分析，介紹在石油鉆機電傳動系統(tǒng)中profibus-dp現(xiàn)場總線的應(yīng)用情況，并以一套普通zj40d鉆機電傳動系統(tǒng)為例，介紹了profibus-dp現(xiàn)場總線的具體應(yīng)用。

2、profibus-dp通信

隨著計算機控制技術(shù)的日新月異，工業(yè)控制結(jié)構(gòu)正發(fā)生著巨大的變化。profibus是目前國際上通用的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)之一，已被納入現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)iec 61158和歐洲標(biāo)準(zhǔn)en 50170，并于2006年批準(zhǔn)發(fā)布中國國家標(biāo)準(zhǔn)gb/t 20540-2006 profibus規(guī)范。profibus是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術(shù)，可實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備層到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實現(xiàn)工廠綜合自動化和現(xiàn)場設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。它以其獨特的技術(shù)特點、嚴(yán)格的認(rèn)證規(guī)范、開放的標(biāo)準(zhǔn)、眾多廠商的支持和不斷發(fā)展的應(yīng)用行規(guī)，profibus是一種國際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，廣泛適用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通電力等其他領(lǐng)域自動化。

profibus是siemens公司提出的一種適用于所有現(xiàn)場應(yīng)用的開放式工業(yè)控制現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。profibus由三部分組成，即profibus-dp（分布式外圍設(shè)備）、profibus-pa（過程自動化）和profibus-fms（現(xiàn)場總線報文規(guī)范）。在profibus現(xiàn)場總線中，profibus-dp（簡稱dp協(xié)議）的應(yīng)用最廣。dp協(xié)議是一種高速低成本通信，主要用于plc與分布式i/o和現(xiàn)場設(shè)備的高速數(shù)據(jù)通信。profibus-dp用于基礎(chǔ)控制層的高速數(shù)據(jù)傳送，主站周期地讀取從站的輸入信息，并周期地向從站發(fā)送輸出信息。profibus-dp的基本特性為：在一個有著32個站點的分布系統(tǒng)中，profibus-dp對所有站點傳送512bps輸入和512bps輸出，在傳輸速率為12mbps時，總線循環(huán)時間僅為1ms；經(jīng)過擴展的profibus-dp診斷能對故障快速定位。診斷信息在總線上傳輸并由主站采集。診斷信息分3級：本站診斷操作、模塊診斷操作和通過診斷操作；rs-485制式雙絞線，雙線電纜或光纜，波特率從9.6kbit/s到12mbit/s；總線存取支持單主或多主系統(tǒng)。各主站間令牌傳遞，主站與從站間為主-從傳送；線形、星形、環(huán)形以及可選的光纖雙環(huán)形冗余拓撲結(jié)構(gòu)。profibus-dp的上述特點使其在工業(yè)電氣自動化領(lǐng)域占據(jù)了重要的地位。

3、石油鉆機電氣傳動系統(tǒng)

石油天然氣勘探與開發(fā)用鉆機是由動力機、傳動機與多工作機組成的成套性聯(lián)合機組，屬于重型機械裝備。它主要包括旋轉(zhuǎn)鉆進系統(tǒng)、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)、鉆具起升系統(tǒng)、動力機組、傳動和控制系統(tǒng)、底座和其他輔助設(shè)備等。其中，轉(zhuǎn)盤、絞車和泥漿泵是鉆機最主要的三大部件。

3.1 鉆機電控功能

本文以一套普通zj40d鉆機電傳動系統(tǒng)為例，介紹profibus-dp現(xiàn)場總線的具體應(yīng)用。電驅(qū)動鉆機電傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。zj40d鉆機電傳動系統(tǒng)主要完成以下功能：

對絞車電機，完成單臺電機的正、反轉(zhuǎn)控制及調(diào)速功能；對轉(zhuǎn)盤電機，完成單臺電機的正、反轉(zhuǎn)控制、調(diào)速及扭矩限制功能；對泥漿泵電機，完成每臺電機的啟、停及調(diào)速功能；自動送鉆電機，完成電機的正、反轉(zhuǎn)控制及調(diào)速功能；完成以上電機的風(fēng)機、油泵及其它輔助電機的啟、停聯(lián)鎖控制；完成大鉤位置的顯示以及防止上碰、下砸的功能；完成部分鉆井參數(shù)的讀取及顯示。

圖1 zj40d電氣傳動系統(tǒng)

3.2 鉆機電控組成

zj40d石油電驅(qū)動鉆機電傳動系統(tǒng)主要由以下部分組成：

（1） 1個simense s7-300 plc；

（2） 6個simense 6ra70直流調(diào)速器，分別控制1mpa、1mpb、2mpa、2mpb、rt、dw，一對一控制；

（3） 1個simense 6se71變頻柜，用于控制abf；

（4） 2個mp370觸摸屏，分別安裝于綜合柜門板和司鉆臺面板；

（5） 1個司鉆臺，包括et200遠程模塊。

（6） 5個mcc（電機控制中心）控制柜。

電傳動系統(tǒng)中的直流調(diào)速器、變頻柜、觸摸屏、plc以及遠程模塊，采用最少的硬件連接，依靠profibus-dp協(xié)議進行通信。硬件組態(tài)和軟件編程工作在step7軟件中實現(xiàn)。系統(tǒng)硬件組態(tài)如圖2所示。

圖2 zj40d組態(tài)圖

首先在step7中組態(tài)一個s7-300站，其中集成dp口選擇為主站模式。然后，在profibus-dp的硬件列表中，按照實際器件型號，選擇對應(yīng)的硬件從站型號，拖拽到dp主站總線上，每一臺硬件從站設(shè)備都需要設(shè)定好單獨的profibus-dp地址。需要注意的是，觸摸屏mp370的組態(tài)過程需要在protool軟件里完成。這樣，電傳動系統(tǒng)的硬件組態(tài)過程就完成了。

4、dp協(xié)議應(yīng)用設(shè)計

4.1 通信編程與參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)硬件組態(tài)完成后，基于profibus-dp的plc與各外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸是整個電傳動系統(tǒng)的控制關(guān)鍵。由于基于profibus-dp的plc與各設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞绞腔疽恢碌?，所以下文以plc與abf6se71變頻柜之間的數(shù)據(jù)傳輸為例對profibus-dp通信進行介紹。

硬件組態(tài)后的abf通信區(qū)地址如圖3所示，地址區(qū)i576-595共10個字，分別對應(yīng)pzd1--pzd10共10個傳輸控制數(shù)據(jù)。其中，pzd1為abf控制字1，pzd2為abf主給定，pzd3為abf控制字2。這樣，西門子s7-300 plc通過profibus-dp總線對6se71控制字的16位分別進行置位、復(fù)位，同時也對6se71施加了給定，這樣就可實現(xiàn)6se71變頻柜對所連接變頻電機的各項控制。

圖3 abf通信區(qū)

具體傳輸時，使用系統(tǒng)功能sfc15，將數(shù)據(jù)寫入profibus-dp從站。在step7里編程如圖4所示，便將數(shù)據(jù)表中的四個待傳字傳送到6se71變頻器對應(yīng)的地址單元i576—583。依此方式，繼續(xù)向6se71變頻器傳送余下的6個字。

圖4 通信傳輸程序

同樣，plc也可以將6se71變頻柜的狀態(tài)字或運行數(shù)據(jù)讀入plc，以供plc內(nèi)部程序處理需要。具體讀取時，使用系統(tǒng)功能sfc14，將數(shù)據(jù)從profibus-dp從站讀入plc。在step7里編程如圖5所示，便將6se71變頻柜地址為q576-583的四個字讀入到plc中的數(shù)據(jù)表中。

圖5 通信讀取程序

要使6se71變頻柜能夠用plc通過profibus-dp進行控制，也需要對變頻器的參數(shù)進行設(shè)置。主要參數(shù)設(shè)置有：

p918=12；（6se71從站地址）

p554.001=3100，

.002=22；（起動）

p443.001=3002，

.002=544；（主給定）

p566.001=3107，

.002=10；（復(fù)位）

p734.001=32；（狀態(tài)字1）

.002=151；（實際速度）

.003=33；（狀態(tài)字2）

依照以上設(shè)定方式，逐一對各直流調(diào)速柜進行設(shè)定后，進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，電傳動系統(tǒng)能夠按照設(shè)定要求可靠工作。

4.2 現(xiàn)場總線抗干擾對策

在大型的設(shè)備運行調(diào)試過程中， 減少干擾是最基本的，這是全數(shù)字控制系統(tǒng)的一個重要問題?？垢蓴_設(shè)計是傳動系統(tǒng)的重點綜合性問題，本設(shè)計中也存在這樣的問題，如果處理不好會造成各種各樣的現(xiàn)場問題。目前，大多數(shù)情況下還是依據(jù)經(jīng)驗的積累來選擇抗干擾措施。在設(shè)計中，可以考慮以下一些措施：

（1） 交流進線過電壓吸收裝置：可在發(fā)電機出線、房體進線處安裝電涌保護器spd或者阻容吸收裝置。

（2） 動力屏蔽：系統(tǒng)中直流輸出與變頻輸出均具有極強的瞬變電壓干擾能力，含有較多的高次諧波，因此全部的動力輸出均考慮采用屏蔽電纜，可以有效地抑制動力輸出對控制信號的干擾。

（3） 控制屏蔽：全部控制電纜也采用屏蔽電纜，屏蔽層兩頭接地，可以防止強干擾進入控制回路。

（4） 分開布線：電控房內(nèi)外都實施動力與控制分開布線，電纜槽考慮設(shè)有動力與控制隔離槽，特別注意通信電纜應(yīng)單獨鋪設(shè)。房外布線時要注意這一點。

（5） 接地措施：系統(tǒng)采用tn-s接地方式，零線與地線分離，房內(nèi)設(shè)置接地母線，電機側(cè)也要沒置接地裝置，并保證可靠接地。

（6） 控制電源隔離：獨立的供電模塊提供穩(wěn)定的直流24v和直流10v電源，以確保控制電源的穩(wěn)定和不受干擾。

（7） 信號隔離：進入變頻柜和直流調(diào)速柜的開關(guān)量信號和進入plc總線系統(tǒng)的外部開關(guān)量信號經(jīng)過中間繼電器的轉(zhuǎn)換與隔離，可以防止強干擾直接竄入。

5、結(jié)束語

實驗證明，基于profibus-dp的zj40d鉆機電傳動系統(tǒng)能夠可靠工作，各部分均能按照設(shè)計要求工作，并具有profibus-dp和bypass兩種控制方式，保證鉆井過程可靠進行。基于profibus-dp的石油鉆機電傳動系統(tǒng)，不僅可以提高鉆井工藝的自動化水平，最大限度地提高生產(chǎn)效率，還可提高了鉆井系統(tǒng)的一體化程度。正是由于profibus-dp現(xiàn)場總線的應(yīng)用，可以方便地與現(xiàn)場的工業(yè)設(shè)備進行連接，并且安裝、調(diào)試、維護、更換都很方便。