（机械电子工程专业论文）基于profibus现场总线的胜利作业八号平台设备控制系统的研究.pdf

基于p r o flb u s 现场总线的胜利作业八号平台 设备控制系统的研究 郭桂仙( 机械电子工程) 指导老师：齐明侠教授 摘要 海洋修井作业已经成为提高原油上产的重要手段，2 0 0 2 年胜利石油 管理局井下作业公司，胜利作业三号平台建成投产，标志我国自行设计 制造海洋修井平台的技术已十分成熟，但目前海洋平台多种设备的控制 和管理都是独立进行，导致平台建造、维修成本高，造成了人力、物力 上的很大浪费。本文结合国内外新型p l c 控制电机技术、通过 p r o f i b u s d p 总线，实现海洋平台设备的整体控制和保护。 论文通过西门子公司s t e p 7v 5 3 编程软件对海洋作业平台修井机、 撬装修井柱塞泵、深井泵的p l c 进行组态和编程，研究他们的 p r o f i b u s d p 网络配置方案，实现海洋作业平台设备的整体管理。并使 该系统具有过压、过频、过流、过负荷、逆功率等保护功能；同时修井 设备实现司钻电控台和脚踏控制器双重控制功能及自诊断和故障声光报 警，方便使用者检查和维修，有效地预防事故发生并能实现一定程度的 节能。 最后，同胜利石油管理局胜利电器有限责任公司，在井下作业公司 新建胜利作业八号平台进行网络组态、通信及程序调试三个方面的分别 测试，从而验证了上述设计思路的正确性及控制系统的可靠性。 关键词：海洋作业平台，设备。p l c ，通信，p r o f i b u s d p t h es t u d yo fs h e n g l iw o r k i n gp l a t f o r mn o 8e q u i p m e n t c o n t r o l s y s t e mb a s e do np r o f i b u s f i e l d b u s g u o g u i - x i a n ( e l e c t r o - m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rq im i n g - x i a a b t r a c t s e ar e p a i r i n gw e l lt a s kh a sb e e na l li m p o r t a n tm e t h o df o ri m p r o v i n gt h e c r u d eo i lp r o d u c t i o n s h e n g l iw o r k i n gp l a t f o r mn o 3w a sb u i l ta n dp u ti n t o p r o d u t i o ni n2 0 0 2 ，w h i c hi n d i c a t et h a t0 1 1 1 c o u n t r yh a st h ec a p a c i t yt od e s i g n a n dm a n u f a c t u r es e ap l a t f o r mb yo u r s e l v e s t h et e c h n o l o g yo fs e ar e p a i r i n g w e l lp l a t f o r mh a sb e e nm a t h u r e b u ti np r e s e n tc o n t r o l l i n ga n dm a n a g e m e n t o fd e v i c e so ns e ap l a t f o r ma l ea l w a y sc a r r i e dt h r o u g hs o l e l y , w h i c hl e a dt o l l i g hc o s to fc o n s t r u c t i o na n dm a i n t e n a n c ea n dag r e a tw a s t eo fm a n p o w e r a n dm a t e r i a lr e s o u r c e s i n t e g r a t i n gw i t ht h en e wk i n dp l cc o n t r o le l e c t r i c m a c h i n e r yt e c h n o l o g ya n db yp r o f i b u s - d pf i e l d b u st e c h n o l o g y , t h ep a p e r r e a l i z e st h ew h o l ec o n t r o la n dp r o t e c t i o no f t h es g ap l a t f o r me q u i p m e n t b ys i m e n sc o m p a n ys t e p 7 0v 5 3s o r * w a l e ，t h ep a p e rc a r r i e s t h r o u g ht h ec o n f i g u r a t i o na n dp r o g r a m o f t h es e a t a s kp l a t f o r mw o r k e r o v e r r i g , s k i d - m o u n t e dw o r k o v e rp l u n g e rp u m pa n dd e 印w e l lp u m p t h ep a p e r r e s e a r c h e st h e i rp r o f i b u s d pn e t w o r kc o n f i g u r a t i o ns c h e m ea n dr e a l i z e s s e ap l a t f o r me q u i p m e n t sw h o l em a n a g e m e n t t h es y s t e mh a st h ep r o t e c t i o n f u n c t i o no fo v e r p r e s s u r e ，o v e r f r e q u e n c y , o v e r l o a da n de o u n t e r p o w e r a tt h e s a m et i m et h er e p a i r i n gw e l le q u i p m e n tr e a l i z e sd u p l ec o n t r o l l i n gp r o t e c t i o n o f t h ee l e c t r i c a ld r i l l e r sp l a t f o r ma n dk i c kc o n t r o l l e r , s e l f - d i a g n o s i sa n df a u l t v o i c ea n dl i g h ta l a r ml o g g i n g ，w h i c hp r o v i d ec o n v e n i e n c ef o r w o r k e r , p r e v e n ta c c i d e n ta n dr e a l i z ee n e r g ys a v i n gt os o m ee x t e n t t ov a l i d a t et h ec a p a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ec o n t r o ls y s t e m ，at e s t s t a n di sb u i l to ns h e n g l iw o r k i n gp l a t f o r mn o 8t on e t w o r kc o n f i g u r a t i o n c o m m u n i c a t i o na n dp r o g r a m m ed e b u g g i n g ，w h i c hw a so r g a n i z e db ys h e n g l i p e t r o l e u ma d m i n i s t r a t i o ns h e n g l ie l e e t i c a la p p l i a n c e sc o ，l t da n ds h e n g l i d o w n h o l ec o m p a n y k e y w o r d s ：s e a t , a s kp l a t f o r m ，e q u i p m e n t , c o m m u n i c a t i o n , p r o f i b u s n a , p l c 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石油 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 签名： 卿年扩月2 上卜日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：昱e 姓l2 硐年 6 月2 牛日 导师签名：迢煎2 。- 7 年j月2 4 日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 引言 我国海洋石油、天然气资源十分丰富，早在6 0 年代初就开始了海上 石油勘探工作，目前海洋石油已经成为我国石油开发的重点。海上石油 勘探作业是使用各种类型的海上活动平台n 1 。海洋平台修井机和撬装修 井柱塞泵和深井泵的设备都为海洋石油施工的主要设备。这类设备所处 的环境恶劣，而且各种工况下电机功率消耗也不同。这就需要电机、控 制台和中央配电屏各种信息共享，同时还要方便集中管理。在这种要求 下把平台设备联网管理就显得很有必要了。 如何将设备的各个控制点进行组态、编程，并进行实时可靠的网络 集中控制是该技术的关键问题。 在控制技术方面，p l c 作为一种稳定可靠的控制器已经得到了广泛 的应用，他可以很好的解决各控制节点之间的距离较远、实际工况复杂 等问题；在网络通信方式方面考虑，近年来兴起的p r o f i b u s 现场总线 控制技术集控制、计算机、通信三种技术于一体，可以实现监控系统的 数字化和网络化。 本文重点对各设备p l c 部件组态，各i 0 节点功能，各设备之间组 成的p r o f i b u s d p 总线系统进行了开发研究。 1 2 现场总线概况 现场总线是一种工业数据总线，它是自动化领域中计算机通信体系 最低层的低成本网络。现场总线技术于8 0 年代中期始于欧洲，9 0 年代 初期形成了几种较有影响的现场总线，如p r o f i b u s 现场总线、f f 现场 总线、i n t e r b u s 现场总线以及c a n 现场总线等。这些现场总线各有自己 的标准，直到2 0 0 0 年才通过了工业控制系统用的现场总线国际标准i e c 6 1 1 5 8 ，该标准容纳了八种互不相容的现场总线( 目前被大部分现场总线 采用) 。我国现场总线技术及产品的开发工作刚起步，没有自己创建的 现场总线标准，采用国际i e c 6 11 5 8 标准“。 p r o f i b u s 现场总线主要由p r o f i b u s f m s ( f i e l d b u sm e s s a g e 中国石油大学( 华尔) 硕十论文第1 章前言 s p e c i f i c a t i o n ) 、p r o f i b u s p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) 和p r o f i b u s d p ( d i s t r i b u t i v ep e r i p h e r a l ) 三部分组成。其中d p 主要应用于p l c ，而f m s 主要用于非控制信息的传输。p r o f i b u s d p 是一种经济、高速数据传输 ( 速率为9 6 k b i t s 1 2 m b i t s ) 的设备级网络，主要用于现场控制器与分 散i o 之间的通信，可满足交直流调速系统快速响应的时间要求，d p 和 p a 可用分段耦合器连接。p r o f i b u s 由于成员多，起步早，所以在欧洲 已获得广泛的应用。现有产品品种齐全，从芯片到软件和测试工具已有 1 5 0 0 余种，已占有较大的市场份额，用户组织分布于2 0 多个国家，安 装设备超过2 0 万套。使用p r o f i b u s 技术的核心公司有s i e m e n s 、e + h 和s o f i n g 等。 p r o f i b u s 利用了现有的国家标准和国际标准。其协议以国际i s o ( 国际标准组织) 标准o s i ( 开放系统互连) 参考模型为基础。表1 1 说明了i s o o s i 通信标准模型。i s o o s i 通信标准模型由7 层组织，并 分成两类。一类是面向用户的第5 层到第7 层，另一类是面向网络的第 l 层到第4 层。第l 层到第4 层描述数据从一个地方传输到另一个地方， 而第5 层到第7 层给用户提供适当的方式去访问网络系统。 表卜1i s o o s i 通信标准模型 第7 层应用层 第6 层表达层面向用户 第5 层会话层 第4 层传输层 第3 层 网络层 面向网络 第2 层数据链路层 第1 层物理层 p r o f i b u s 协议采用了i s o o s i 模型中的第l 层、第2 层以及必要 时还采用了第7 层。第1 层和第2 层的导线和传输协议依据美国标准e i a r s 4 8 5 8 、国际标准i e c8 7 0 - 5 1 【3 】和欧洲标准e n6 0 8 7 0 5 1 【4 】。总线 存取程序、数据传输和管理服务基于d i n l 9 2 4 1 5 1 标准的第1 到3 部分 和i e c9 5 5 1 6 标准。管理功能( f m a 7 ) 采用i s od i s7 4 9 8 - 4 ( 管理框架) 的概念。从用户的角度看，p r o f i b u s 提供了三种通信协议类型：d p ， 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 f m s 和p a ，如表1 2 所示嘲。 表卜2p r o f i b u s 的协议结构 d p 设备行规p a 设备行规 f m s 设备行规 用户接口层 基本功能基本功能 ( 译者注) 扩展功能扩展功能 d p 用户接口应用层接口d p 用户接口直 直接数据链路映 ( a l i ) 接数据链路映 象程序( d d l m )象程序 ( d d l m ) 第7 层 应用层 ( 应用层)现场总线报文规范( f m s ) 第3 咱层 、未使用 、 第2 层( 数数据链路层数据链路层i e c 接口 据链路层)现场总线数据链 现场总线数据链路( f d l ) 路( f d l ) 第1 层( 物物理层( r s物理层( r s4 8 5 l w l ) i e c1 1 5 8 - 2 理层1 4 8 5 i 。w l ) 1 3p r o f l b u s 现场总线的技术优势 ( 1 ) 低成本 。 由于现场总线的通信是全数字式的且它的控制功能完全由现场设备 去执行，因此不需要输入、输出及其它控制板；而且现场装置可直接与 操作台相连，不再需要用于联接各控制板的“数据高速公路”，上述各 部分的冗余在现场总线系统里自然也就不再需要了。现场总线系统只保 留集散控制系统( d c s ) 中的现场设备及操作站，操作站已不再是系统 的关键部分。现场总线设备可以执行多种测量、控制和计算，因此减少 了变送器的数量，不再需要单回路调节器和计算元件，从而节省了费用。 ( 2 ) 组态简单 由于所有仪表都引入了功能模块，组态变得非常相似或简单，不需 要因为自动化设备种类不同或组态方法的不同而进行培训或学习编程语 言。所有的生产厂商都使用相同的现场总线功能模块。功能模块是以用 3 中国石油大学( 华东) 硕十论文第1 章前言 户自定义的标识符和标准参数为基础的，用户可以根据标识符来指定某 一设备，毋需考虑设备地址、存储记忆地址和比特编号等。组态可通过 计算机编辑，然后下装至现场自动化设备。 由于不同厂商、不同型号的仪表的校准、量程设定和诊断等的操作 程序是一致的，使得培训操作员简单化和设备的更新。 现场总线已有大量的功能模块，且新的功能模块仍在不断增加“1 。 ( 3 ) 查索更多的信息及诊断状况 数字通信使用户从控制室中查索所有设备的数据、组态、运行和诊 断信息成为现实。而且现场总线的多变量特性为仪表及其它自动化设备 的革新提供了更广阔的天地。 现场设备的自诊断功能使故障可以及时地被报告，使检修人员在事 故发生之前可及时确定潜在事故地点并进行维修。硬件( 如传感器、执 行器和记忆单元) 故障，软件方面( 如组态和校准) 的问题都能够被及 时报告。操作人员毋需把变送器送去检测就可获得所需信息，从而大大 节省了时间和成本。 ( 4 ) 安装、运行、维修简便 由于现场仪表是并行连接，端子接头核对的工作量大大减少了，所 以接线简单，一条电缆通常可连接2 0 个设备。 现场总线设备能够模拟输入值、输出值或状态。这使得操作员在控 制室内便能够测试系统对故障及过程状况的反应。 现场总线可以存储有用的信息以便于维修，信息不会丢失。大量的 有用信息也被存储于自动化设备中，这些既可以从手持终端获取，又可 从操作站获取“】。 ( 5 ) 自由选择不同品牌设备 所有现场总线产品采用统一的标准，这使用户可以自由选择不同制 造商所提供的设备。 数据库的一致性。现场总线采用完全分散的数据库概念。任何同现 场总线接口的人机界面都可显示有关信息，这样就不会有重复的、不一 致的数据库。现场总线只使用一个数据库，即分散于现场仪表中的数据 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 库，人机界面就是从此数据库中获取定标数据的，手持终端所查索的也 是同一个数据库。 现场总线对国民经济的影响表现在：现场总线技术是控制系统的重 大变革，将在今后深深的影响自动化仪表和技术的发展。 新型的全数字控制系统的出现，将能充分发挥上层系统调度、优化、 决策的功能，更容易构成计算机集成制造系统( c “s ) 并更好地发挥其 作用。有利于企业实施综合自动化策略，使企业从粗放型向集约化转化。 现场总线和开放系统的应用将大大降低自动化系统的投资，仅系统 布线、安装、维修费用，可比现有系统减少6 6 ，另外，还带来节约厂 房面积，减少电缆桥架铺设等其他方面投资。 1 4 论文选题的目的及意义 由p r o f i b u s 总线技术的特点及国内外现场总线的发展趋势可以看 出，基于p r o f i b u s 现场总线的自动监控系统有着不可比拟的优点：采 用p r o f i b u s d p 现场总线技术设计的监控系统，能集控制、操作、监视 为一体，大大增强系统的可靠性、可维护性、集成性及可互换性，且操 作更为简便。p r o f i b u s d p 模块可取代昂贵的2 4 v 或( 0 2 0 ) m a 并行 信号线，用于分布式控制系统的高速数据传输，增强了现场级信息集成 量。不仅如此，系统的开放性、可操作性、互换性大大增强。采用p r o f i b u s 连接方式替代一对一的i o 连接，减少了由接线点造成的不可靠因素， 同时系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现 场设备的远程参数设定、修改等参数化工作，增强了系统的可维护性。 p r o f i b u s - d p 的实时性远高于其它局域网，是专为现场环境设计的，对 现场环境的适应性很强，因而特别适用于工业现场。它可支持光纤、双 绞线、同轴电缆、射频、红外线及电力线等传输介质m 】。 鉴于近年来兴起的电机p l c 控制和p r o f i b u s d p 网络联接的推广 使用，可大大降低施工成本，保护平台相关设备，提高施工效率。本课 题的研究是依托胜利石油管理局，胜利八号作业平台修井机电机控制， 设计开发一套基于p r o f m u s 现场总线网络和s t e p 7v 5 3 的修井机 p l c 控制系统的开发调试软件。 5 中国石油大学( 华东) 硕十论文第l 章前言 目前将该技术引入到海洋平台设备网络自动监控中并推广应用，还 有许多工作需要进行研究，如：如何对修井机的单机控制；如何合理配 置修井机的p r o f i b u s 总线系统；对钻台控制和s c r 的p r o f i b u s d p 网络通信以及与其他通信网进行衔接的问题。因此需要加快p r o f i b u s 及s t e p 7 用于修井机自动监控系统的研究工作，以尽快投入现场应用。 1 5 国内外研究现状 目前国际上现有的现场总线，没有任何一种能覆盖所有的应用面，按 其传输数据的大小可分为3 类：传感器总线( s e n s o r b u s ) ，属于位传输； 设备总线( d e v i c eb u s ) ，属于字节传输；现场总线，属于数据流传输。目 前应用比较多的有基金会现场总线( f f ) 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、w o r l d f i p 及c a n ”。 现有水平及发展趋势：国际上现有4 0 多种现场总线，但影响较大的 是工业控制系统用的现场总线国际标准i e c 6 1 1 5 8 ，容纳了八种互不相容 的现场总线，的主要有f f 、p r o f i b u s 、c a n 、l o n w o r k s 等。围绕着现场 总线技术的标准化，世界上各大厂商展开了激烈竞争，并主要形成了f f 和p r o f i b u s 两大阵营，都希望能够统一整个世界市场嘲。 目前现场总线产品主要是低速总线产品，应用于运行速率较低的领 域，对网络的性能要求不是很高。从应用状况看，无论是f f 和p r o f i b u s ， 还是其他一些现场总线，都能较好地实现速率要求较慢的过程控制。因 此，在速率要求较低的控制领域，谁都很难统一整个世界市场。而现场 总线的关键技术之一是互操作性，实现现场总线技术的统一是所有用户 的愿望。今后现场总线技术如何发展、如何统一，是所有生产厂商和用 户十分关心的问题“。 高速现场总线主要应用于控制网内的互连，连接控制计算机、p l c 等智能程度较高、处理速度快的设备，以及实现低速现场总线网桥间的 连接，它是充分实现系统的全分散控制结构所必须的。目前这一领域还 比较薄弱。因此，高速现场总线的设计、开发将是竞争十分激烈的领域， 这也将是现场总线技术实现统一的重要机会。而选择什么样的网络技术 作为高速现场总线的整体框架将是其首要内容n “。 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 现场总线技术的发展应体现为两个方面：一个是低速现场总线领域 的继续发展和完善；另一个是高速现场总线技术的发展。 作为新一代控制系统的体系结构，现场总线技术将具有如下技术指 标：实现系统的全分散控制；系统的开放性；现场设备的智能化与功能 自治性；互操作与互用性；对现场环境的适应性。我国在这一技术领域 还刚刚起步，还有很长的路要走。1 9 9 7 年4 月，中国仪器仪表行业协会 下属的现场总线专业委员会成立，标志着这一新技术在国内广泛应用的 开始。在应用领域，近年来国内引进了一些现场总线成套设备。在几乎 所有工业中，p r o f i b u s 都能提供广泛和具有坚实基础的经验，现已成为 世界上较大的现场总线系统。到2 0 0 3 年底，全球已经安装了1 3 0 0 万个 节点，是全球范围内目前唯一能够以标准方式应用于所有领域并贯穿整 个过程链的现场总线“”。p r o f i b u s 在国内应用日益广泛，如西安杨森 制药厂、云南玉溪卷烟厂、青岛啤酒厂、安阳钢铁集团有限公司及北京 档案馆空调工程集中监控系统等。 1 6 课题研究的预期目标、内容及技术关键 1 6 1 课题研究的预期目标 开发出一套较为完备和开放的适用于海洋修井作业平台的“基于 p r o f i b u s 现场总线的海洋平台设备控制系统”。该网络的拓展使用，满 足将来平台设备管理的全数字控制，为减少海洋平台管理者的劳动强度 提高工人生活水平，提供一个可行的理论支持。并且使该系统的设备具 有：过压、过频、过流、过负荷、逆功率等保护。可实现司钻电控台和 脚踏控制器双重控制功能及自诊断和故障和声光报警等功能方便使用者 检查和维修。有效地预防事故发生并能实现一定程度的节能。 1 6 2 研究内容及技术关键 ( 1 ) 通过调研确定海洋作业平台各种设备控制方法分析，确定控制 原理及方案；使平台修井设备运行符合工艺要求及安全性要求，同时具 有一定的自诊断及优化设备运行的功能。 ( 2 ) 根据调研结果和设备参数确定的控制方案，运用西门子编程软 件包s t e p 7 v 5 3 进行p r o f i b u s d p 现场总线网络配置；设计并选用合 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 适的主、从站及通信接口、总线端子、中继器、网络连接器等网络部件 进行物理连接；设计通信方式、编写通信程序并对所配置的网络系统进 行实时性分析。 ( 3 ) 同胜利油田胜利电器股份有限公司合作，组装胜利八号作业平 台所有设备，对系统相应的p l c 控制、系统的p r o f i b u s d p 网络配置 与通信及进行验证。 1 6 3 课题完成要点解析 系统组网时，首先进行硬件搭建并完成网络系统结构在硬件上的物 理连接，然后再进行软件网络配置及编程。用s t e p 7 进行系统硬件的配 置，同时应用语言编辑器进行必要的控制功能编制，然后在硬件诊断通 过的基础上，通过m p i 接口完成程序的下载，最后调试。 p r o f i b u s - d p 控制系统的软件设计内容主要包括三个方面：利用 s t e p 7v 5 3 软件组态硬件并设定它的参数，组态网络、连接和接口以及 建立和调试用户程序。 系统中采用的主站网络组态工具是s t e p 7v 5 3 软件，它是 s i m a t i c s 7 系统的基本的编程和组态软件平台，建立和组态一个自动化 系统的程序。它包括s i m a t i cm a n a g e r 和p r o f i b u s d ph w c o n f i g 等 基本程序。其图形用户接口为s i m a t i cm a n a g e r ，可为一个自动化任务 收集所有数据和必要的设定，并把这些信息组合在一个项目( p r o j e c t ) 中，在s i m a t i cm a n a g e r 中主对象是项目，在项目中所有的数据和程序 以树型结构存储。每个项目都是由以下组态信息构成：有关硬件结构的 组态数据；所使用模块的参数数据；网络和通信的组态数据；用于可编 程模块的程序。h w c o n f i g 则是组态硬件软件。 在本课题组态和建立p r o f i b u s d p 的网络中，主要采用s t e p 7 软 件包完成组态硬件并设定它的参数，组态网络、连接和接口以及建立和 调试用户程序。 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章平台设备p l c 控制 第2 章平台设备p l c 控制 2 1 引言 本章将海洋平台修井设备为研究对象，通过各种设备工作特点，针 对设备需要控制的主要对象选择合适的控制方法，确定各设备的控制方 案，并根据所选方案对设备控制系统进行硬件配置、运动控制程序及通 信程序的编制。 2 2 海洋平台修井系统简介 安装于胜利八号作业平台的修井系统为z j 4 0 d 型钻机，包括 s s 5 0 l - 2 a 型电传动系统，由3 套柴油发电机组，l 套应急柴油发电机组， 1 座s c r 房，7 台直流电动机，1 个司钻电控台，1 个脚踏控制器和1 个电磁刹车控制器构成。同时平台安装由平台压载用海水泵系统一套。 s c r 房内的3 台发电机组控制柜和l 台同期并网柜能对3 套发电机 组进行控制，并把这3 套机组并网发电，提供6 0 0 v 交流电源。4 台直流 传动柜把6 0 0 v 交流电整流成0 7 5 0 v 直流电，通过1 台切换柜来驱动泥 浆泵、转盘绞车等7 台直流电动机、l 台综合柜对各种操作及故障信号 进行处理、一台p c 柜对系统运行进行上位机监控、还预留一台顶驱柜： l 台6 0 0 v 4 0 0 v 、1 0 0 0 k v a 的变压器，通过1 台开关柜和5 台m c c 柜， 提供各种3 8 0 v 及2 2 0 v 交流用电；另有l 台电磁刹车柜给电磁刹车装置 提供0 3 1 0 v 的直流电源。主要技术参数如下； ( 1 ) 发电机组 柴油机型号；卡特彼勒 3 4 1 2 柴油机转速：1 5 0 0 r m i n 柴油机输出功率：4 3 1 k w 发电机型号；a r c b 6 8 4 发电机容量：7 1 2 k v a 发电机额定电压： 图2 1 主发电机 6 0 0 6 8 7 v 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章平台设备p l c 控制 发电机额定频率：5 0 h z 发电机功率因数：0 7 发电机励磁电压：d c 5 0 1 0 0 v 发电机励磁电流：d c 5 6 2 8 a 。如图2 1 所示。 ( 2 ) 发电机组控制柜及同期柜 频率稳定度：2 电压稳定度：3 设有各种保护：过压、过频、过流、过负荷、逆功率等。 ( 3 ) 直流电动机( 串励) 额定功率：4 4 0 k w 额定转速：1 4 0 0 r m i n 额定电压：7 5 0 v 额定电流：1 1 5 0 a ( 4 ) s c r 传动柜 输入电压：a c 6 0 0 v 输出电压；d c 0 7 5 0 v 输出电流：d c 2 5 0 0 a ( 短时3 0 0 0 a ) 幽2 - 2s c 8 配电屏 设有各种保护：过流、超速、熔断器 熔断等。如图2 2 所示。 ( 5 ) 撬装修井柱塞泵 型号：n b q 4 0 - 2 6 5 d 最高泵压：4 0 m p a 电动机型号：g e 7 6 1 j 动力端型号：p g 0 5 a l 鳘l2 - 3 撬装修井杜器泵 液力端型号：t h 0 6 最大输入功率：2 6 5 k w 最大输入扭矩：8 4 9 0 n m 柱塞直径：1 2 7 m m 最大排量( 单撬) ：2 2 5 0 l m i n l o 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章平台设备p l c 控制 整机重量：9 8 t 。如图2 3 所示。 2 3 修井设备控制系统功能简介 通过对多艘海洋作业平台司钻进行广泛调研，确定平台修井机绞车 电机司钻控制面板和撬装泵控制面板的设计，确定设备控制方案和电机 保护方案。并且需要对修井机绞车电机，三缸泵电机，深井泵电机各种 运行方式和各种安全保护措施进行定义。各个控制对象的控制方式如下。 2 3 1 司钻控制台面板功能 司钻通过操作司钻台上的转换开关、给定手轮和按钮等可以控制 1 # 、2 # 泥浆泵、绞车、转盘的各种工况，以及在紧急情况下跳开发电 机主开关。正常工 作时，“系统”转 换开关应指向“正 常”位置，此时系 统运行在d p 总线 及p l c 控制方式 下，各种操作及控 制指令通过现场总 线向挂靠在总线上 的电气设备传递 图2 4 司钻台控制面板 如图2 4 所示。 当d p 总线及 p l c 有故障而无法运行时，“系统”转换开关应指向“应急”位置，此 时系统运行在应急方式下，各种操作及控制指令通过电缆向各电气设备 传递。所有逻辑操作由继电器实现。当系统出现故障或报警时，指示灯 应有指示，当黄色报警灯闪烁时，说明系统已经不在正常情况下运行了， 但此不正常情况下运行，短时内不至于发生故障而损坏设备，如电动机 风机停、房温高等，等一个周期完后，如提钻完后，应立即通知电气技 术员检查排除，工作完成后方可重新开钻。当系统出现故障或报警时， 钻台内的报警铃应响，此时司钻已知道有故障或报警，可操作“消音” l l 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章平台设备p l c 控制 开关，让铃不再响。无响铃而故障灯或报警灯仍指示时，表明故障或报 警仍存在。 2 3 2 绞车电机的操作 首先确认绞车给定手轮在零 位，然后把“绞车选择”开关转到 相应位置，再根据需要把电机选择 开关转到“d w a 正转”、“d w a 反转”、“双机”“d w b ”位置， 最后把“工作选择”开关转到所需 位置；待系统自检通过，绞车对应 运行灯亮后，司钻操作给定手轮， 图2 - 5 脚踏控制器 就可使绞车按选择的方向和转速运行。在起下钻时，司钻还可利用脚踏 开关来代替手轮的操作。脚踏得越深，绞车转速越高。当脚抬离时，绞 车以手轮给定的速度运转。如图2 - - 5 所示。 2 3 3 撬装修井柱塞泵的操作 首先确认1 # 泵给定手轮在零位，然后选择1 # 泵工作。此时电动机 风机应工作，若系统正常，自检通过，则1 # 泵对应运行灯亮，表示准 备工作就绪，可以开始工作。司钻慢慢转动给定手轮，电动机的转速就 会加快，直到泥浆泵排量和泵压达到要求值，停止转动给定手轮。在工 作过程中，随时可以转动手轮，以满足施工时所需的泵冲和泵压。 为了确保系统施工时的高可靠性，s c r l 和s c r 2 均可切换，s c r l 可带l # 泵和绞车，s c r 2 可带2 # 泵和转盘。某一柜有故障时，可切换至 相应柜子，以应急用。在运行1 # 、2 # 泥浆泵、绞车或转盘之前，应该 至少有一台发电机组并网运行，且系统没有故障。司钻台上的仪表反映 为：发电机并网灯至少有一个亮，房温高灯、高负荷灯、故障灯和警告 灯灭。如果以上指示正常，将系统正常应急转换开关转到“正常”位置 ( 若系统通讯出现故障，将其转至“应急”位置) ，然后就可以进行以下 操作。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章平台设备p i c 控制 2 3 4 深井泵的操作 本课题涉及的深井泵，是采用西门子m m 4 4 0 系列变频器实现对电 机运行的直接控制的潜水电机离心泵，要求要求变频器启动转矩要达到 1 5 0 以上。此外，考虑到电机所需的各种保护，能基本杜绝在正常的设 计负荷范围内因变频器过流保护而停机“”。 2 4p l c 选择 近年来，高速发展的工业控制器p l c 具有下列突出优点：高度的可 靠性，适用于工业环境；可与工业现场信号直接连接；编程操作容易且 有完善的自诊断功能；控制程序可变，具有很好的柔性；体积小，省电， 可以积木式组合，而且价格低廉；比较完备的逻辑运算、限时控制、计 数控制、条件控制、步进控制、a d 与d a 转换、通信和联网、数据处 理、对控制系统进行监控等。p l c 能够满足单机控制系统的功能要求， 并且方便系统的功能扩展。故该方案选择用p l c 进行控制。考虑到控制 对象输入、输出点数较少，程序存储器、数据存储器的容量不是很大， 通信方便并兼顾厂商的技术、售后服务等因素，选用西门子的小型 p l c s 7 3 0 0 ，c p u 型号为3 1 5 2 d p ，该c p u 在p r o f i b u s d p 系统中接 口既可以作为d p 主站运行也可以作为d p 从站运行。( 表2 1 列出 3 1 5 2 d p 作为主站和从站的相关参数) 。当将d p 接口用作d p 从站时，可 选择总线存取控制方式，有两种方式可供选择：“d p 从站作为主动节点” 和“d p 从站作为被动节点”“。 从d p 协议的角度看，作为主动节点的d p 从站在与d p 主站数据交 换期间扮演一个( 被动的) d p 从站角色。但是，一旦这个“主动的d p 从站”获得令牌后，由于增加了通信服务( 如f d l 功能或s 7 功能) ，它 也可以与其他节点进行数据交换。这样，就可能在总线上运行编程装置 ( p g ) 、操作员面板( o p ) 和p c 等设备，而且当执行p r o f i b u s d p 功能时通过s i m a t i cs 7 控制器的d p 接口一个s 7c p u 与其他s 7c p u 之间也可以有数据传送“日。 1 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章平台设备p l c 控制 表2 - 1c p u 数据总揽 模板 c p u 3 1 5 2d p m l f b 号( 订单参照) 6 e s 73 1 5 2 af 0 3 一o a b o 接口数2 ( 对m p l 只用第1 接口) 运行方式d p 主站d p 从站 波特率( k b i t s )9 6 t 1 2 ，0 0 0 9 6 1 2 0 0 0 最大d p 从站数6 4 最大模块数 5 1 23 2 输入字节从站最大2 4 4 输出字节从站最大2 4 4 作为从站的输入字节最大2 4 4 作为从站的输出字节晟大2 4 4 连续的数据模块最大3 2 字节最大3 2 字节 可用的输入区域1 k 字节 可用的输出区域1 k 字节 最大参数数据从站2 4 4 字节 最大组态数据从站2 4 4 字节 最大诊断数据从站2 4 0 字节 交叉通信支持 有 有 固定总线循环时间有 s y n c f r e e z e 有无 2 5 深井泵控制变频器的选择 由于电力电子技术和控制理论的发展，特别是矢量控制方式的应用， 使得交流电机的变频器控制在调速、节能、加减速特性、控制质量及可 维护性等方面具有不可比拟的优越性，而且价格也已降到较低水平，易 于被人们所接受。因此，本文采用变频器实现对深井泵电机运行的直接 控制。选择变频器时应以实际电机电流值作为变频器选择的依据，电机 的额定功率只能作为参考。另外，应充分考虑变频器的输出含有丰富的 高次谐波，会使电动机的功率因数和效率变坏。因此，用变频器给电动 机供电与用工频电网供电相比较，电动机的电流会增加1 0 而温升会增 加2 0 左右。所以在选择电动机和变频器时，应考虑到这种情况，适当 留有余量，以防止温升过高，影响电动机的使用寿命。 深井泵的负载基本属于反抗性负载和位能性负载的综合，要求变频 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章平台设备p l c 控制 器启动转矩要达到1 5 0 以上。此外，考虑到电机所需的各种保护，变频 器选用西门子m m 4 4 0 系列的变频器，该系列是具有免测速记矢量控制 功能的通用型变频器，用于控制三相交流电动机，可以计算出所需输出 电流及频率的变化量以维持所期望的电机转速，而不受负载条件变化的 影响；具有2 0 0 最长3 s 或1 5 0 最长6 0 s 的过载能力；采用绝缘栅双极 型晶体管( i g b t ) 为功率输出器件，有很高的运行可靠性；拥有过电压、 欠电压、接地故障、短路、变频器过热、1 2 t 电机过热等多项保护。在带 编码器的矢量控制方式下，将电机散热风扇盖加长后将双通道编码器安 装到电机风扇处的轴端，并用电缆连接到变频器编码器模板的相应接线 端子上，可使变频器在零速时仍具有额定转矩的负载能力，并且速度控 制的精度更高，同时速度控制和转矩控制的动态性能可以得到很好地改 善，能基本杜绝在正常的设计负荷范围内因变频器过流保护而停机。驱 动深井泵的电机为6 极电机，额定转速为9 8 5 r r a i n ，额定功率为3 7 k w ， 额定电流为7 8 a ，变频器应选择其额定输出电流等于电机额定电流的1 1 倍，即8 6 a 。由于变频器选型表上的适用电机功率是以4 极的标准电机 为对象，在输出额定电流以内可以传动的电机功率，6 极以上的电机额 定电流比标准电机的电流大，同时考虑到深井泵电机负载特性，如果按 照电机的额定电流或功率值选择变频器的话，有可能发生因峰值电流使 过电流保护动作现象。为此需要变频器的额定电流留有一定的余量，所 以论文中选用比按适用电机功率选择的变频器容量大一档的变频器 m m 4 4 0 型，防护等级i p 2 0 ，带内置滤波器，输入额定电流1 0 4 a ，主保 险为1 6 0 a ，电机的额定输出功率对恒转矩负载为4 5 k w ，对变转矩负载 为5 5 k w ，输出电流最大连续有效值对恒转矩及变转矩负载分别为9 0 a 及1 1 0 a ，可以满足电机的负载要求“e 】。 2 6p l c 控制系统功能分析 按照2 3 节所提出的设备控制要求，同时兼顾硬件上应方便将来系 统的扩展及实现油田的自动化管理、维修方便并安全可靠。此外还要考 虑柴油机组工作效率等因素，对设备控制系统p l c 完成电路设计，该控 制系统的电路设计主要包括主电路回路设计( 动力部分) 和控制回路设 1 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章平台设备p l c 控制 计( 包括p l c 的输入、输出部分) 。控制系统的主原理图及司钻台原理 图如图2 - 6 、图2 - 7 所示，主控电路图如2 - 8 所示。 交漉t 电薄 3 相 c o v 一一- 、，- 。世摄作台电加热电 降压蹙 广_ 柜 m 目 电谭和拒内照明 一。o ：i 一 行o ! 皇嚣电薄f 譬：2 器韭 综合柜p l c 及执 抒继电器电潭 综台柜p l c 及执 分威蟪一啪- - t删 行维电嚣电灏 一 _ # m _ 主开差、：廿葛三一 l 直流调速嚣 & ；附舰引 工作电撅 一厂、 直漉电动机 挣却风轨 盏嚣跫i 窘i 一 同步信号 6 【 。 电流反馕 i ；e _ - 一 j i 节爰薯鬟缱露长 厂一 s