论文 关键词：PLC 石油钻机 变频传动系统
论文摘要：本文叙述了西门子S7-400H热冗余PLC在石油钻机变频传动系统的应用特点，给出了一个典型应用配置，并对实际的应有情况做了分析评价。
一、S7-400H系列的性能特点
S7-400H系列PLC是西门子的最新一代高端产品，是可以实现硬件热冗余的控制器。S7-400H一般由两组S7-400通过光纤通信交换数据达到硬件热冗余的功能。
S7-400PLC的主要性能:
·全系列CPU处理速度整体提高3至70倍
·工作内存翻倍，最高达20MB
·定时器、计数器个数提高8倍
·通讯性能全面提高1倍
·零部件和编程工具保持兼容
·全面支持PROFIBUS等时模式
·支持不停机修改分布式硬件配置
S7-400的主要特色为：极高的处理速度、强大的通讯性能和卓越的CPU资源裕量。特别适合于高性能的中大规模系统。
需要容错能力的应用系统就要选择S7-400H PLC。基于标准S7-400模板的S7-400H是一个冗余的PLC，可以明显地减少生产过程的故障停机率，适用于那些需要尽可能减少或避免故障停机的应用场合。例如发电或输、配电、化学 工业 、采矿、运输等。
容错性是通过二个并行的中央控制器实现的。它们的CPU通过光缆连接并通过冗余的PROFIBUS DP线路对冗余的I/O进行控制。除了故障CPU和PROFIBUS外，I/O自身可以冗余。当发生错误或故障时进行无扰动的切换，即未受影响的热备控制器将在中断点继续执行控制而不丢失任何信息。
S7-400H的编程与非冗余的标准S7-400系统相同，都使用STEP-7语言。所有容错专用的功能可通过容易使用的STEP 7软件包来组态。为标准非容错系统编写的程序可以方便地移植到容错系统(反之亦然)。STEP 7 V5.3已将冗余选件包集成，无需再单独购买。
在PLC产品领域，SIMATIC S7-400满足了生产和过程自动化的系统解决方案的要求。
图1．ZJ50DB电控系统基本配置图
二、S7-400H组成的 网络 系统
1、ZJ50DB/70DB钻机是目前非常先进的钻机，其整体的技术水平体现在电控系统的设计与调试中。我们在设计中确保系统的高配置、长期使用的高性能、高可靠性以及较为完善的安全措施，并为用户提供良好的人机界面和故障诊断功能。设计完成后系统具有相当大的冗余能力。
ZJ50DB系统配置2座VFD房，分别为VFDI房和VFDII房。根据总体要求我们作了以下布置：
VFDI房包括1#综合柜（负责采集与发送VFDI房内的各种电气信号，另有柴油机组监控信号通信模块和显示机组参数的机组用工控机等），1MPA变频柜，1MPB变频柜，2MPA变频柜，2MPB变频柜，3MPA变频柜，，3MPB变频柜，进线开关柜，冷气机，主变压器等。
VFDII房包括绞车A变频柜，绞车B变频柜，转盘变频柜，绞车A制动柜，绞车B制动柜，切换柜（实现绞车B变频柜作为转盘变频柜的切换备用），PLC柜(系统PLC主站设于该柜内)，2#综合柜(负责采集与发送VFDII房内的各种电气信号，另有以画面形式监控和显示全套传动系统参数的上位工控机等)，送钻变频柜， 采用SIEMENS先进的智能软起动装置，并实现对重要辅机的保护和监控。
全套系统的基本设备配置图如图1所示。
钻机控制系统以西门子高性能的S7-400H热冗余主站PLC为控制核心，通过现场总线控制技术把数字化设备组成PROFIBUS-DP网络,实现发电机控制单元、十台变频器、司钻监控、远程监控、电液气联控、自动送钻、一体化仪表系统、游车防碰等控制系统间的高速通讯，上位工控机和远程工控机实时监控、储存各个系统的运行状态并提供故障诊断信息。上位工控机、远程工控机与S7-400H热冗余主站PLC通过光纤通信组成一个工业以太网；自动化级（PLC）、数字传动级、司泵操作台和司钻操作台通过热冗余PROFIBUS-DP构成双总线网络系统，参数双向传递，显示一体化钻井仪表参数及画面，各种状态提示和帮助文本显示，为钻井工艺创建一个数字化、信息化、智能化的管理平台和友好的人机界面，实现对系统各装置的远程数据传输和故障监控，优化控制和监测整个钻井过程。系统操作与监控具有两种模式：PLC正常模式与继电器应急模式。
系统的PLC及总线控制网络如图2所示。
司钻操作台具有钻机操作和钻井参数实时显示、电气系统运行监控与显示、故障显示、报警的齐备功能。
图2 PLC及总线控制网络
司泵操作台独立在泵房区放置，可以实现正常与应急操作，通过指示灯显示系统基本的的运行状态。
系统采用西门子最高性能的S7-400H热冗余PLC和Profibus现场总线技术（双总线）进行绞车、转盘、泥浆泵、自动送钻变频系统之间的数据快速传输，并可通过触摸屏、显示屏、工控机、远程电脑实现监控、操作、故障报警、参量修改、诊断、存储、记录等功能。可以监控的参数主要有：柴油机组运行状态及参数、发电机运行状态及参数、变频器运行状态及参数、系统操作与运行状态、系统故障与报警信号、误操作信号、MCC运行状态、游车运行状态、一体化钻井仪表等。
采用PLC和Profibus现场总线控制和变频调速结合的总线控制系统具有以下的技术特点：
（1） 采用矢量控制的绞车电机四象限运行和游车位置闭环的防碰功能；
（2） 恒钻压自动送钻技术；
（3） PLC和总线控制；
（4） 一体化司钻台和一体化仪表系统；
（5） 操作和钻井参数实时显示、电气系统运行监控与显示、故障显示、报警与安全停车的齐备功能，为钻井工艺创建一个数字化、信息化、智能化的管理平台和友好的人机界面。
论文摘要：本文叙述了西门子S7-400H热冗余PLC在石油钻机变频传动系统的应用特点，给出了一个典型应用配置，并对实际的应有情况做了分析评价。
一、S7-400H系列的性能特点
S7-400H系列PLC是西门子的最新一代高端产品，是可以实现硬件热冗余的控制器。S7-400H一般由两组S7-400通过光纤通信交换数据达到硬件热冗余的功能。
S7-400PLC的主要性能:
·全系列CPU处理速度整体提高3至70倍
·工作内存翻倍，最高达20MB
·定时器、计数器个数提高8倍
·通讯性能全面提高1倍
·零部件和编程工具保持兼容
·全面支持PROFIBUS等时模式
·支持不停机修改分布式硬件配置
S7-400的主要特色为：极高的处理速度、强大的通讯性能和卓越的CPU资源裕量。特别适合于高性能的中大规模系统。
需要容错能力的应用系统就要选择S7-400H PLC。基于标准S7-400模板的S7-400H是一个冗余的PLC，可以明显地减少生产过程的故障停机率，适用于那些需要尽可能减少或避免故障停机的应用场合。例如发电或输、配电、化学 工业 、采矿、运输等。
容错性是通过二个并行的中央控制器实现的。它们的CPU通过光缆连接并通过冗余的PROFIBUS DP线路对冗余的I/O进行控制。除了故障CPU和PROFIBUS外，I/O自身可以冗余。当发生错误或故障时进行无扰动的切换，即未受影响的热备控制器将在中断点继续执行控制而不丢失任何信息。
S7-400H的编程与非冗余的标准S7-400系统相同，都使用STEP-7语言。所有容错专用的功能可通过容易使用的STEP 7软件包来组态。为标准非容错系统编写的程序可以方便地移植到容错系统(反之亦然)。STEP 7 V5.3已将冗余选件包集成，无需再单独购买。
在PLC产品领域，SIMATIC S7-400满足了生产和过程自动化的系统解决方案的要求。
图1．ZJ50DB电控系统基本配置图
二、S7-400H组成的 网络 系统
1、ZJ50DB/70DB钻机是目前非常先进的钻机，其整体的技术水平体现在电控系统的设计与调试中。我们在设计中确保系统的高配置、长期使用的高性能、高可靠性以及较为完善的安全措施，并为用户提供良好的人机界面和故障诊断功能。设计完成后系统具有相当大的冗余能力。
ZJ50DB系统配置2座VFD房，分别为VFDI房和VFDII房。根据总体要求我们作了以下布置：
VFDI房包括1#综合柜（负责采集与发送VFDI房内的各种电气信号，另有柴油机组监控信号通信模块和显示机组参数的机组用工控机等），1MPA变频柜，1MPB变频柜，2MPA变频柜，2MPB变频柜，3MPA变频柜，，3MPB变频柜，进线开关柜，冷气机，主变压器等。
VFDII房包括绞车A变频柜，绞车B变频柜，转盘变频柜，绞车A制动柜，绞车B制动柜，切换柜（实现绞车B变频柜作为转盘变频柜的切换备用），PLC柜(系统PLC主站设于该柜内)，2#综合柜(负责采集与发送VFDII房内的各种电气信号，另有以画面形式监控和显示全套传动系统参数的上位工控机等)，送钻变频柜， 采用SIEMENS先进的智能软起动装置，并实现对重要辅机的保护和监控。
全套系统的基本设备配置图如图1所示。
钻机控制系统以西门子高性能的S7-400H热冗余主站PLC为控制核心，通过现场总线控制技术把数字化设备组成PROFIBUS-DP网络,实现发电机控制单元、十台变频器、司钻监控、远程监控、电液气联控、自动送钻、一体化仪表系统、游车防碰等控制系统间的高速通讯，上位工控机和远程工控机实时监控、储存各个系统的运行状态并提供故障诊断信息。上位工控机、远程工控机与S7-400H热冗余主站PLC通过光纤通信组成一个工业以太网；自动化级（PLC）、数字传动级、司泵操作台和司钻操作台通过热冗余PROFIBUS-DP构成双总线网络系统，参数双向传递，显示一体化钻井仪表参数及画面，各种状态提示和帮助文本显示，为钻井工艺创建一个数字化、信息化、智能化的管理平台和友好的人机界面，实现对系统各装置的远程数据传输和故障监控，优化控制和监测整个钻井过程。系统操作与监控具有两种模式：PLC正常模式与继电器应急模式。
系统的PLC及总线控制网络如图2所示。
司钻操作台具有钻机操作和钻井参数实时显示、电气系统运行监控与显示、故障显示、报警的齐备功能。
图2 PLC及总线控制网络
司泵操作台独立在泵房区放置，可以实现正常与应急操作，通过指示灯显示系统基本的的运行状态。
系统采用西门子最高性能的S7-400H热冗余PLC和Profibus现场总线技术（双总线）进行绞车、转盘、泥浆泵、自动送钻变频系统之间的数据快速传输，并可通过触摸屏、显示屏、工控机、远程电脑实现监控、操作、故障报警、参量修改、诊断、存储、记录等功能。可以监控的参数主要有：柴油机组运行状态及参数、发电机运行状态及参数、变频器运行状态及参数、系统操作与运行状态、系统故障与报警信号、误操作信号、MCC运行状态、游车运行状态、一体化钻井仪表等。
采用PLC和Profibus现场总线控制和变频调速结合的总线控制系统具有以下的技术特点：
（1） 采用矢量控制的绞车电机四象限运行和游车位置闭环的防碰功能；
（2） 恒钻压自动送钻技术；
（3） PLC和总线控制；
（4） 一体化司钻台和一体化仪表系统；
（5） 操作和钻井参数实时显示、电气系统运行监控与显示、故障显示、报警与安全停车的齐备功能，为钻井工艺创建一个数字化、信息化、智能化的管理平台和友好的人机界面。
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