顶驱PLC控制系统研究及应用

姚刚(盘锦辽河油田天意石油装备公司, 辽宁 盘锦 124010)

顶驱PLC控制系统研究及应用

姚刚(盘锦辽河油田天意石油装备公司, 辽宁 盘锦 124010)

文章从顶驱电控系统组成着手,通过功能介绍、硬件和软件设计,系统地阐述了S7-300系列PLC在顶驱电控系统中的应用,介绍了DQ70国产顶驱采用西门子S7-300系列PLC作为主控制器的PLC控制系统和基于SIMATIC WinCC的人机界面系统，该控制系统安全可靠、便于维护,与PLC通讯的HMI(人机界面)具有故障信息显示及过程控制功能。

顶驱;PLC;控制;研究

顶部驱动钻井装置从井架空间上部旋转钻柱，驱动钻具旋转钻进，是以立根为单元的钻进，能完成接立柱、循环钻井液、倒划眼等多种钻井操作，使用顶驱装置可以及时有效地处理遇卡事故，提高了钻井机械化操作水平，目前已得到越来越广泛的应用。

根据钻井工艺及现场工作要求，DQ70顶驱控制系统采用PLC控制和PROFIBUS现场总线技术，并开发了监控系统，提高了设备的自动控制水平。

1 顶驱电控系统概述

DQ70交流变频顶驱电控系统设计总体性能满足4000米钻机的动力配置要求，操作控制和保护功能满足钻井工艺要求。电传动系统由ABB ACS800系列交流变频装置驱动两台交流变频电机，实现顶驱装置的无级调速和正反转运行。

DQ70顶驱电气传动与控制系统采用西门子S7-300PLC控制器，西门子PLC 与ABB变频器之间通过Profibus-DP 总线和通讯模块 RPBA 建立通讯连接，变频器、司钻操作箱等控制系统间通过现场总线控制技术实现高速数据交换及控制；电传动系统采用ABB ACS800变频装置控制顶驱主电机速度及力矩,系统性能满足有关的国际IEC的规定，符合功率电子装置有关的电磁兼容性(EMC)标准。

在设计过程中本着操作简单、显示集中、安装方便、高自动化程度、高可靠性的原则，遵循钻井操作工艺和对各操作点的操作几率人性化设计，将一些先进自动化设计理念运用其中。

2 顶驱系统的组成及功能

DQ70顶驱全套控制系统主要包括顶驱电控房、司钻操作台、变频电机、各种动力及控制电缆等组成。其中电控房内配置变频柜、滤波及过压保护柜和MCC柜等设备。司钻电控台具有操作和显示报警的功能，MCC柜配置变压器、电机保护器、控制单元、柜内照明装置、继电器等电器元件，为顶驱风冷系统、电机加热器、液压源、液压电磁阀、润滑系统供电，并为电控房内的工控机、PLC模块、空调、照明等供电。

PLC控制系统采用PROFIBUS-DP总线系统和ABB通讯模块 RPBA进行数据快速交换，可通过工控机操作界面进行显示和操作。

PLC控制系统的功能:①操纵操作机构各路阀组电磁阀换向及互锁功能。②报警和显示：电机、变频器运行状态、电机温度报警，减速箱油温报警，液压源油温、液位报警，以及主轴转速显示，钻井扭矩显示、液压站运行状态显示。③主电机转速、扭矩控制。④操纵液压泵、润滑泵、风机的启停。

3 系统硬件设计

(1)PLC控制系统 PLC控制系统采用S7-300PLC，其配置为CPU模块CPU 315-2DP，PLC模拟量输入、输出模块，数字量输入、输出模块。PLC控制系统实现顶驱主电机速度和扭矩的精确控制和机械机构的自动控制，并通过与工控机的通讯监控运行过程中出现的故障，可以将烟感、温感等输入信号通过模拟量模块处理，为工控机提供实时监控变量监测系统运行情况。

(2)顶驱系统通讯 PLC 系统与司钻操作台和变频器之间通过PROFIBUS 总线通讯连接，为顶驱装置的主电机提供相应的扭矩、转速控制以及起下钻时 倾斜臂、回转头、上卸扣等功能控制。

(3)操作监控系统 工控机系统采用Windows操作系统和WinCC中文版组态软件，通过Profibus-DP网络实现与下位机通信，工控机可实时接收数字及模拟量信号，如合闸信号、液位、温度等数据，监控并控制现场设备的状态，通过窗口界面显示。

工控机在顶驱控制系统中主要起数据采集、数据处理、运行监视、控制、记录统计制表、通信控制、系统自诊断、故障/报警作用。

4 系统软件设计

(1)现场PLC控制软件 PLC控制系统采用STEP7编程软件,STEP7 编程软件可以对硬件和网络实现组态，在硬件组态界面可以监控主站和各个子站间的通讯故障，在程序中使用各种控制指令，实现对顶驱交流变频传动系统和各个控制机构的逻辑控制，以满足钻井工艺的要求。

顶驱PLC控制系统通过使用语句表、梯形图或功能图输入控制程序，来实现DQ70顶驱装置的控制功能要求，并用以工控机的监测和控制。

(2)人机界面软件 人机界面软件采用西门子过程监视系统SIMATIC WinCC，WinCC 是一种数据采集与监控系统，是基于Windows平台运行的人机界面系统,可以高效监控并控制自动化过程，计算机通过WinCC人机界面系统的图形编辑器，在工控机设计顶驱系统模拟运行画面，根据PLC 设定的输入输出地址，在工控机系统界面分配相应的输入/输出地址，通过与PLC等设备的通信用以实现工控机对顶驱系统的监测和控制功能。

5 结语

DQ70顶驱电控系统采用PLC控制和操作监控系统，提高了控制水平和对设备的保护，其各种性能达到了设计要求，能满足在钻井施工的各种工艺条件要求，具有良好的应用前 景和推广价值。