钻柱自动化处理中控制系统设计

1、青 岛 科 技 大 学本 科 毕 业 设 计 （论 文） 钻柱自动化处理中动力鼠洞控制系统的设计题 目 _ 戚淑芬指导教师_辅导教师_ 胡晶晶学生姓名_1107010120学生学号_1自动化与电子工程学院自动化_院（部）_专业_班3052015_年 _月 _日中文摘要钻柱自动化处理中动力鼠洞控制系统的设计摘 要目前，人类对石油能源的需求越来越高，技术的更新与换代也变得尤为重要。钻柱自动排放是石油钻井作业的重要组成部分，而动力鼠洞则是钻杆自动排放的关键环节。在国外对动力鼠洞的设计与研究也已经持续多年并且取得了可观的成果，正因为如此钻柱自动化处理技术在国外得到了广泛的应用。然而在国内，动力鼠洞控制

2、系统的设计做的并不充分，这严重限制了钻柱自动化处理技术的发展。早在20世纪40年代，起下钻的机械化方法就已经得到研发，于是产生了钻杆自动化处理技术，由此自动化的动力鼠洞系统开始得到研发与应用。动力鼠洞的驱动通常采用液压、机械和自动控制等技术，用机械设备取代传统的人工操作，从而实现了安全、高效和健康的钻井方式。本文通过对国内动力鼠洞控制系统技术的研究，选取液压缸作为执行机构，在对各种钻杆自动排放系统优缺点的比较之后，选取了西门子S7系列PLC和Profibus现场总线控制方式来对动力鼠洞控制系统进行控制。采用WinCC组态，通过上位机对动力鼠洞控制系统实施在线监管。关键词：PLC；WinCC；现

3、场总线；动力鼠洞控制系统IABSTRACTTHE DESIGN OF POWER RAT HOLES IN THE AUTOMATIC SYSTEM OF DRILLING PIPEABSTRACTNowadays people have a higher demand of petroleum energy, so the upgrading of technology becomes especially important. The automatic discharge system of drill pipe is one of the important components of

4、 petroleum drilling process, while the power rat holes are the key points of automatic drilling process which has been designed and studied for many years in the foreign countries, and considerable achievements have been made. This has led to a wide range of applications of drill stem automated proc

5、essing technology. While in China, there are not adequate researches of automatic power rat holes, so it seriously restricts the development of automatic discharge of drilling process.In the 1940s, the method of discharge of drill pipe has been studied, so that the technology of power rat holes has

6、been developed and used. The system of power rat holes usually adopts the technologies of hydraulic as power, machinery and automatic control. By doing this, mechanical equipment replaces traditional manual operation, so that a safe, efficient and healthy drilling process is achieved.By studying the

7、 technology of power rat holes both abroad and at home, this thesis takes hydraulic cylinder as the actuator. And by comparing the advantages and disadvantages of all kinds of automatic discharge systems of drill pipes, this thesis uses S7, PLC and Profibus to control the automatic discharge system

8、of drill pipe. It also uses WinCC, so that it can supervise drill stem automated processing technology on line on upper computers.KEY WORDS: PLC; WinCC; Profibus; Power Rat Hole目 录第一章 前言11.1课题研究的背景11.2课题研究的意义11.3国内外研究现状11.4课题的研究内容与目标31.4.1研究内容31.4.2研究任务3第二章 动力鼠洞控制系统的设计42.1动力鼠洞的结构42.2动力鼠洞的功能52.3传感器的选

9、择与安装52.3.1传感器选型依据52.3.2动力鼠洞控制系统传感器的选择与安装52.4动力鼠洞驱动方式选择62.5动力鼠洞的工作过程7第三章 PLC控制系统的设计93.1PLC概述93.2 PLC的选型93.3PLC控制系统抗干扰设计11第四章 Profibus控制系统与人机界面设计134.1Profibus简介134.2基于Profibus-DP的控制方案144.3监控系统的设计154.3.1WinCC简介164.3.2WinCC与PLC的链接164.4监控系统与人机界面设计19参考文献21致谢22青岛科技大学本科毕业设计（论文）第一章 前言1.1课题研究的背景作为如今世界经济发展的血液，

10、石油是最为重要的能源之一1。同时它也是一种重要的工业原料和各国争相储备的战略物资，在世界第二大能源消费国的中国显得更为突出。我国经济在最近几年持续攀升，但是随之而来的却是石油能源的供应越来越紧张。尤其在近几年石油市场逐渐浮现出供不应求的局面，这更严重制约了我国经济的可持续发展。根据数据统计，在2012年我国国内全部石油产品净进口总量第一次突破5亿吨，达到5.03亿吨，比2011年增加5.6%2。其中原油产量高达2.07亿吨，比2011年增加1.9%。2012年我国石油净进口总量大约为3亿吨。这些数据都说明我国对进口石油的依赖变得越来越高3。我国对进口石油依赖程度如此之高并非是由于我国石油资源匮

11、乏所致4。因此，石油开采技术的更新与变革对于减少我国对石油进口的依赖和降低石油开采成本具有至关重要的作用。钻杆排放是石油钻井作业的重要环节，而动力鼠洞装置则是钻杆自动排放系统中必不可少的组成部分5。我国对动力鼠洞控制系统的研究和应用较少，只有大港油田有限责任公司和宝鸡石油机械有限责任公司等少数公司对动力鼠洞控制系统做过一些设计和研发6。因此，对动力鼠洞控制系统的研发势在必行7。1.2课题研究的意义在石油钻机钻杆升降的同时还需要重复地把钻杆送到钻台和把钻杆送下钻台8。过去,钻杆排放需要钻井工作人员和钻杆手动接触。只有井架工、钻工和司钻等操作人员密切的配合，才能防止危险事故的发生。钻杆人工排放不仅

12、重复性高和需要多人合作，而且劳动强度大与危险系数极高9。有数据显示，在钻井作业时钻杆升降过程中危险事故发生率高达30% 至50% ，这严重制约了石油钻井的效率。钻杆自动操作系统可以代替传统的人工起下钻方式。动力鼠洞作为钻杆自动排放系统的重要组成部分，能够辅助钻机完成钻杆的提升和下放操作，同时动力鼠洞还能够与铁钻工相互配合实现单根接成立根的操作。因为不再需要工人和钻杆的相互接触，从而让钻井工人离开了高危工作地区。动力鼠洞控制系统系统具有以下优点：（1）减轻了工人的劳动强度，提高了安全操作水平；（2）降低钻井成本并且提高了钻杆排放的自动化水平和钻井效率；（3）是实现安全钻井，健康钻井和提高钻井效率

13、的最有效途径。有数据显示，钻杆自动排放系统在被动力鼠洞装置辅助以后，钻杆升降时间可以节约25%以上 。1.3国内外研究现状20世纪40年代，少数国家（如挪威）在研制半自动化钻机时逐渐采用钻杆排放系统，同时，动力鼠洞控制系统也得到研发与设计。最初的动力鼠洞控制系统能够通过液压和气动阀来控制排放钻杆 ,以此实现起下钻的各种传统操作。但此时动力鼠洞控制系统的类型并不齐全，应用也不广泛10。直到20世纪90年代初，才先后出现各种不同类型的动力鼠洞控制系统。在随后的几年里，动力鼠洞控制系统也逐渐走进国门，其应用也逐渐广泛。中国石化集团胜利石油管理总局从2005年初就已经开始研究包括动力鼠洞控制系统在内的

14、钻机自动化技术。其先后研究设计了大功率交流变频电机直驱型转盘驱动系统、交流变频电机直驱型单轴一体化绞车、钻柱自动送转系统和动力卡瓦等钻井工具，并且已经投入到工业应用。在钻杆自动排放方面，2009年中国石化集团立项开始“钻井钻柱自动传送系统的研制”课题，到目前，其研制成果己经投入海洋钻井公司6号钻井平台现场使用。在钻井钻柱的立根排放技术上已完成全套自动化设计。在机械手方面多功能化方面，已研究设计出工业样机并且进行了多次工业试验，现在正在改进技术以应用到海洋钻机平台上。2010年7月，四川宏达石油设备有限公司生产的动力鼠洞系统有至少两个动力鼠洞组成。所需动力鼠洞装置包括提升导向装置、圆柱管、移动缓

15、冲装置和滑轮组组成。该型号的动力鼠洞控制装置中提升导向装置与液压升降油缸连接并且可滑动的设置于圆柱管下侧外壁上；所述滑轮组中的绳索一端越过动滑轮组与定滑轮组最后与所述移动缓冲装置相连同时另一端固定。该实用新型动力鼠洞完成钻杆的自动对接操作。同时实现了钻杆对接操作和钻进操作同时进行，因此钻杆传送效率大大提高。另外其装备提高了工作效率，减少了劳动力，并且通过对滑轮组的使用，可实现移动缓冲的大行程被小行程油缸所控制，降低了设备成本。此后，四川宏达石油设备有限公司生产的AMH 100-10x45型动力鼠洞需要操作工人在司钻房中进行操控。可用于与其它钻杆处理设备配合完成接/卸立根操作。由于管具扶正装置配

16、置，该型鼠洞中的管具便于对扣并且定心准确。同时液缸驱动的轮系游动提升系统的应用使得该鼠洞控制系统提升稳定与可靠11。2013年7月，甘肃蓝科石化高新设备股份有限公司生产的海洋钻井平台动力鼠洞装置，回转支承配置在其上部与不部圈管之间的扶正装置上。该回转支承由回转支承外回转圈和回转支承内固定圈啮合并与液缸连接。旋转轴安装在回转支承外回转圈上，上下扶正机构安装在回转支承上下端面上。该上下扶正机构与固定轴转动连接，并通过旋转轴与和回转支承与回转圈连接。与上下扶正机构相对应位置处的上下部圆管上开有切口。该装置解决了当前钻井平台自动化钻杆操作系统中动力鼠洞在生产作业时，频繁扶正钻杆及接、卸立杆的难题。极大

17、的提高了自动化钻杆操作系统处理钻杆的效率12。2014年7月，中国石油集团渤海石油装备制造有限公司发明新型海洋钻井平台动力鼠洞控制装置，管具承载定位装置安装在该型鼠洞外筒上，由于绕过管具承载定位装置所以钢丝绳可上下移动，伸缩液压缸的活塞与动滑轮组连接13。此动力鼠洞实现了配合机械手完成接立根操作与管具的自动升降功能，采用液压驱动。该鼠洞实现自动化和机械化，占地面积小并且避免发生意外事故，减轻了劳动强度。同时也克服了现有鼠洞装置接立根作业时需要进行人工操作的不足。1.4课题的研究内容与目标1.4.1研究内容该课题是为石油钻井平台设计的一套动力鼠洞控制系统，该系统可以实现钻柱的自动排放，通过上位机

18、的监管，可以手动或自动控制钻杆的排放作业，以此取代传统人工排杆操作。该系统涉及电气、液压、机械和上位机控制等方面的知识。（1）根据动力鼠洞控制系统的设计要求，明确设计的被控对象：升降液压缸和扶正机构；（2）根据动力鼠洞控制系统的设计要求，完成控制系统的传感器配置；（3）根据动力鼠洞的工作过程，完成PLC选型，系统配置；（4）通过对上位机的学习，应用Profibus完成动力鼠洞的计算机控制系统；（5）学习使用WinCC组态软件，完成控制系统的设计。1.4.2研究任务1硬件设计本课题所设计的动力鼠洞控制系统由两个动力鼠洞组成。动力鼠洞由提升导向装置、圆柱管、移动缓冲装置和滑轮组组成。提升导向装置与

19、液压升降油缸连接并且可滑动的设置于圆柱管下部外壁上；圆柱管内部能够滑动的设置移动缓冲装置；滑轮组中的钢丝绳分别越过动滑轮组与定滑轮组并且与移动缓冲装置相连；另一端固定。通过对控制对象的工艺分析，选定PLC的机型和分配I/O点14。2软件设计首先熟悉掌握西门子S7系列PLC的基本相关知识和软件编程方法，然后应用西门子PLC编程软件编写程序并进行模拟调试。第二章 动力鼠洞控制系统的设计2.1动力鼠洞的结构 图2-1 动力鼠洞机械结构图Figure2-1 The mechanical structure of power rat holes该动力鼠洞控制系统由两个动力鼠洞组成。动力鼠洞由提升导向装置

20、、圆柱管、移动缓冲装置和滑轮组组成。提升导向装置与液压升降油缸连接并且可滑动的设置于圆柱管下部外壁上；圆柱管内部能够滑动的设置移动缓冲装置；滑轮组中的绳索分别绕过动滑轮组和定滑轮组与移动缓冲装置连接，同时另一端固定。2.2动力鼠洞的功能该动力鼠洞不仅能够实现钻杆的对接操作，而且还能让钻机中接立根操作和钻进操作同时进行。本课题所设计的动力鼠洞控制系统能够满足不同长度范围钻杆的需要；同时减轻了劳动强度，提高了钻井效率；通过使用滑轮组，用小行程的油缸移动大行程的缓冲装置也得以实现，以此降低了设备成本。2.3传感器的选择与安装2.3.1传感器选型依据我们在选择传感器需要考虑到下面5个因素：（1）灵敏度

21、。在选择传感器时我们希望它的灵敏度尽量高。因为高准确的输出信号通常由高灵敏度的传感器测量出。这样对于信号的处理有极大帮助。但是外界噪声极易影响到高精度的传感器。因为这些噪声也会被传感器放大系统进行放大，并最终影响到测量结果的准确度。（2）测量工作环境。依据实际的被测对象，进行传感器的合适选择时，需要从很多方面进行综合考虑。因在测量实际物理量的同时，还可能有其他多种原理的传感器可以选择。所以要依据具体工作情况进行合适的选择。同时也要依据传感器的使用条件和被测量特点等综合考虑如下问题：量程的范围、体枳的大小、接触方式以及信号的输出方式等。（3）线性范围。传感器的线性范围也就是信号输入与信号输出成正

22、比关系的范围。传感器的灵敏度在线性范围以内可以保持常值。如果传感器线性范围宽度广，用它测量出来的结果也会变得更准确可信。选择传感器的时候，如果确定传感器的类型，接下来就要看它的测量范围能否满足设计需要。实际应用的时候，任何一种传感器都不可能保证它是完全线性的。（4）频率特性。被测对象的频率响应特性决定频率范围。传感器的频率范围一定，只有在该范围以内才能够实现不失真的测量。但是在实际应用中，传感器的动作响应总是有一定的时间滞后，因此滞后时间越短的传感器通常被认为越理想。（5）稳定可靠性。能够决定传感器工作稳定可靠的原因比较多，除传感器自身的结构以外，传感器的工作环境也可以影响到传感器的稳定可靠性

23、。因此，选择适应工况的传感器才可以使传感器拥有较强的稳定可靠性。传感器的稳定性有者定量的技术指标，如果超过传感器的使用期后，在使用传感器之前要重新对测量精度进行标定，以此可以确认传感器的性能指标发生变化与否。在那些不容易标定或更换并且传感器需要长时间使用的地点，对传感器稳定可靠性的要求也更为苛刻15。2.3.2动力鼠洞控制系统传感器的选择与安装根据动力鼠洞的结构及功能，动力鼠洞需要完成钻杆在鼠洞内的接立根操作，另外，钻杆在鼠洞内的钻进与上升，需要控制其位置，所以本动力鼠洞装置选择了磁致伸缩位移传感器以及行程开关，详细选择情况及安装位置如下：1# 磁致伸缩位移传感器：动力鼠洞的液压装置上配置此传

24、感器，液压缸牵引钻杆的垂直位移可以通过滑轮比精确计算得出。2# 磁致伸缩位移传感器：动力鼠洞的扶正液压缸上配置此传感器，液压缸欠动作和过动作可以由反馈扶正装置的动作量防止。1# 行程开关：1#鼠洞辅助提升机的水平限位传感器。2# 行程开关：2#鼠洞辅助提升机的水平限位传感器。3# 行程开关：1#鼠洞铁钻工的水平限位传感器。4# 行程开关：2#鼠洞铁钻工的水平限位传感器。2.4动力鼠洞驱动方式选择动力鼠洞控制系统传统的驱动方式有液压驱动系统、气动驱动系统和电动驱动系统等，不同的驱动方式各有其特点，其对比如下：表2-1 不同驱动方式比较Table 2-1 Comparison of differe

25、nt driving system驱动系统类型液压驱动系统气动驱动系统电动驱动系统驱动系统特征功率不太受限制受限制受限制快速响应很高较高高结构性能结构适当，易于标准化，容易实现直接驱动，密闭性对控制系统非常重要。结构适当，易于标准化，容易实现直接驱动，密闭性对控制系统影响不突出。结构性能好，电机易于标准化，但是系统需要精准的电机减速装置。安全性防爆性能好，在一定条件下有火灾危险。防爆性能高。设备本身无爆炸性，但是直流有刷电机对环境防暴性较差。控制能力速度调节装置，配流原件，制动装置结构简单，能将位置和速度精准控制。速度调节装置，配流原件，制动装置结构简单，位置和速度的控制比较困难。结构简单，控

26、制灵活性强。速度和位置可精准控制安装要求安装要求高，特别注意防泄漏。安装要求不高安装要求随传动方式不同而异。维护要求要求定期维护。要求定期维护。要求定期维护。 2.5动力鼠洞的工作过程（1）第一根钻杆被辅助提升机抓起后，转至垂直位置。1#行程开关控制辅助提升机的水平位移。（2）当液压升降油缸的活塞全部伸出后，第一根钻杆由辅助提升机放入第一动力鼠洞中。动力鼠洞缓冲装置中的弹簧对钻杆起到缓冲作用，可以防止钻杆冲击力量过大。锥形头可以起到一定的定心作用并且其内部的橡胶垫可以保护钻杆接头。（3）系统控制辅助提升机垂直动作电机正转，此时其机械手垂直下降。（4）钻杆下端到位后，系统发出辅助提升机动作结束信

27、号，垂直动作电机停转，然后辅助提升机机械手液压缸后退。钻杆被机械手放开以后垂直动作液压缸后退，此时辅助提升机复位并为抓起下一根钻杆做准备。（5）系统可以根据1#磁致伸缩位移传感器返回的数据并结合钻杆长度变量计算出钻杆的精确位置。系统定时控制液压升降油缸活塞后退，此时移动缓冲装置被动滑轮组带动并向下移动到预设高度。系统结束液压升降油缸的定时，活塞停止后退。（6）随后第二根钻杆由2#行程开关控制的辅助提升机放入第二鼠洞中，2号鼠洞内的移动缓冲装置将钻杆下送至预设高度。（7）铁钻工在水平牵引电机的牵引下移动至4#行程开关处。铁钻工到位后，传感器将信息反馈至CPU。随后系统发出信号控制电机停止动作。（

28、8）扶正液压缸前进，其前进距离可由系统预设的钻杆直径计算得出。（9）铁钻工下抓管液压缸前进，随后第二根钻杆被夹紧；第三根钻杆被辅助提升机放下，其到位信号由系统定时器给出；铁钻工下抓管液压缸前进，夹紧后和第二根钻杆连接组成双立根。 （10）系统控制第一鼠洞液压升降油缸使移动缓冲装置向上移动，到达铁钻工工作时下钻杆预设高度后系统升降液压缸动作定时结束，液压缸停止动作。（11）在2#行程开关反馈控制的控制下，接单根机械手抓住双立根；辅助提升机的垂直动作电机反转，第二鼠洞中的双立根被提出；系统根据预设的钻杆长度以及位移传感器反馈数据计算得出提出高度。（12）辅助提升机移至第一鼠洞处，其位置由1#行程开

29、关控制；铁钻工与第一鼠洞内钻杆连接成三立根，其位置由3#行程开关反馈控制；其后扶正液压缸前进以此起到扶正作用。（13）三立根被系统控制的辅助提升机从第一鼠洞中提出；三立根在二层台的控制下被排放到排管区，接立根操作全部结束。NYNYNYNY极限位？1#扶正液压缸停止初始状态1#扶正液压缸后退辅助提升机到达1#鼠洞初始状态1#缓冲装置上升钻杆触到缓冲装置1#移动缓冲装置停止1#移动缓冲装置停止#1#移动缓冲装置下降极限位？极限位？2#移动缓冲装置下降钻杆触到缓冲装置2#移动缓冲装置停止2#移动缓冲装置上升辅助提升机到达2#鼠洞极限位？极限位？2#移动缓冲装置停止铁钻工接好1#移动缓冲装置上升辅助提

30、升及到位2#扶正液压缸停止2#扶正液压缸后退1#扶正液压缸停止1#扶正液压缸前进1#移动缓冲装置停止铁钻工接好极限位？极限位？中限位？2#扶正液压缸前进2#扶正液压缸停止极限位？NYNYNYNY图2-2动力鼠洞控制系统流程图Figure 2-2 The flow chart of power rat holes21第三章PLC控制系统的设计3.1PLC概述美国的DEC公司在1969年成功设计出世界上最早的可编程控制器。该可编程逻辑控制器在汽车自动装配线上的试验中同样收获了成功。该控制器以CPU作为核心设备，它的控制功能主要通过存储在计算机内存里面的的程序来实现，这就是所谓的存储程序控方式。因为

31、当时的设备大都用顺序控制方式，而且仅能进行逻辑运算，所以它被称为可编程逻辑控制器（PLC）。世界上首台PLC问世至今，其大致经历过4次更新换代。PLC正向小型化、高性能、高可靠性和高速度等方面发展，并已形成了多种系列的产品。其编程语言也得到不断的丰富与完善，使其在二十世纪八十年代以来在工业控制领域中占据了主导地位。如今在化工、交通、冶金和电力等领域所广泛应用的控制器是以16位和32位微处理器为核心的第四代可编程逻辑控制器。可编程逻辑控制器也被称为现代工业自动化的三大支柱之一。一个基本的控制系统包括控制对象和控制器，可编程逻辑控制系统的组成也是如此，Siemens公司生产的PLC控制系统还包括了

32、网络与人机界面等部分，因此实用性大大提高。Siemens公司也将控制系统中的功能加以模块化。表3-1 PLC按规模分类Table 3-1 PLC class in size类型I/O点数存储器容量（KB）超小型64以下12小型6412824中型128515416大型51281921664超大行8192以上64128在使用PLC进行控制时用户可根据需要选择自己的功能模块，各个功能模块之间的通讯可通过Profibus总线进行数据交互。可编程控制器的工作原理建立在计算机工作原理之上，因此它是一种特殊的工控机，可编程控制器通过输入模块可从外部读入传感器和控制对象的一些信息。可编程控制器通过输出模块控制

33、外部被控对象的方法是通过编辑器内部对用户编制的控制程序进行运行实现。当中断程序（如定时等）出现在PLC工作周期中时，中断程序被PLC立即执行，这使得PLC拥有一定快速响应的能力。3.2 PLC的选型可编程控制器选型的原则是可以满足控制需求的容量以及控制方案的顺利实现。保证系统可靠性、维护方便快捷, 系统预留扩展、备件通用并且力争最佳的性价比。（1）合理的结构型式在对PLC选择型号以前要首先确定被控系统的配置存储器的容量和输入输出接点数。基本方法是根椐工艺的控制要求对输入输出接点数作一个总体统计，通常根椐统计的输入输出点数，再额外增加10%至30%的可扩展余量，作为输入输出点数估算的数据。在最后

34、购买时，还要根据制造厂商提供的产品特点，对输入输出点数进行最后确定16。PLC内部存储器专门用来存储用户程序和数据，一般有内置式和外插式两种。存储器的容量选择可以用下列公式进行估算：所需存储器容量(KB) = （12.5）×(DI×10+DO×8+AI/AO×100+CP×300)/1024公式中：DI为开关量输入总点数；DO为开关量输出总点数；AI/AO为模拟量通道总数；CP为通信接口总数。（2）确定网络通信功能因为不同PLC生产厂家制定的通信协议各不相同，并且没有国际统一标准，所以在选择通信功能受到了一定的限制。在此我们都选择西门子厂家的统

35、一通信模块。（3）专用模块的选择根据此系统的控制需求，PLC进行逻辑控制的同时还要实现网络通信、模拟量的输入输出和网络通信的功能。在选用功能模块的同时软件选择上也应与硬件配套，通过系统软件配置来实现相应的控制功能，以便方便用户编写程序。（4）考虑冗余问题根据系统对安全性稳定性、和软硬件在线维护确定PLC是否要有冗余。冗余分为硬冗余方式和软冗余两种方式。对可靠性要求非常高的系统应组成冗余控制系统。（5）注意对工作环境的要求PLC的工作环境是个硬性指标。如温度、噪声、湿度、工作电压和信号屏蔽等。因此要选择适应工作环境的产品。综合考虑以上因素，我们的选择情况如下：表3-1 CPU点数配置Table

36、3-1 The configuration of CPU输入输出点DIDOAI数量3186表3-2 系统配置Table 3-2 The configuration of system名称厂家型号单位数量备注1处理器西门子CPU317T-2DP个12中央机架西门子UR2-H个13电源模块西门子PS307 (10A)个14通讯模块西门子CP5611个15开关量输入模块西门子SM321个132点输入6开关量输出模块西门子SM322个132点输出7模拟量输入模块西门子SM331个18通道8前连接器西门子6ES7492-1AL00-0AA0个19存储卡西门子6ES7952-0AF00-0AA0个110冗

37、余硬件西门子6ES7952-0AF00-0AA0个111接口模块西门子IM365个112人机接口西门子TP170B个113编程软件西门子Step7套114触摸屏开发软件西门子WinCC flexible套115编程电缆西门子BMXXCAUSBH08米3USB编程电缆用于连接HMI单元16监控系统西门子WinCC v7.0套1WinCC v7.017中间继电器欧姆龙MY2NJ套18插拔式，带动作指示灯18电加热器赛普 HG-140-15w只1除湿防潮恒温19UPS电源山特C3KS只120行程开关德力西LXK3个621位移传感器MTSRHM0100MD631P102个63.3PLC控制系统抗干扰设

38、计PLC控制装置的设计专门为满足特定的工业生产环境。可直接在工业环境中使用并通常不需采取特别抗干扰措施。PLC自身工作电压较低并且工作频率较高，因此当生产环境过于恶劣或者安装不当，都会使PLC的正常工作受到影响。因此在PLC的设计时应设法保障使用说明中提到的湿度、温度、压力、电源和空气等一般运行条件外，还要特别注意系统输入输出环节，考虑一定的抗干扰措施十分必要。需要考虑以下几点：1公共阻抗耦合干扰的抑制方法（1）尽量减少公共阻抗之间导线的长度；为了减少电感，可以减少各回路的长度或者布线成直线。（2）至于减少导线电阻，可以尽量增大导线截面。（3）机柜接地与系统接地分开设置。（4）采用变压器等设备

39、完成电位隔离。2抑制电容性干扰的措施（1）减短导线长度；避免平行布线；信号线分别于电源线分开敷设。（2）干扰源的干扰作用可通过电气屏蔽来抑制。（3）将耦合电容彼此电气对称，平衡的连接可以抵消耦合作用。3抑制电感性干扰措施（1）减少系统各个部分间的电感。主要措施是导线尽量短；减少系统各单元偶和部分的间距。（2）抑制干扰现场。主要方式有：静态磁屏蔽，涡流屏蔽。低频段用静态磁屏蔽来抑制。高频段用涡流屏蔽来抑制。（3）采用结构平衡措施，如采取双绞线结构。4抑制波阻抗干扰的措施对于传导波耦合，可通过强弱点线路分开敷设的方法抑制。对于辐射波干扰经常使用金属屏蔽物来克服。第四章 Profibus控制系统与人

40、机界面设计4.1Profibus简介Profibus是指以工厂内的控制机器间的数字通讯和测量为主的网络。现场总线的关键标志是支持双总线式和向多节点的全数字通讯，并且遵循OSI和ISO开放系统互连参考模型的全部通讯协议。Profibus总线具有高可靠化、高性能化、保养简便化、通信速率快、抗干扰能力强、节省配线 、系统安全和造价低廉等一系列优点。从1970年开始，随着计算机的出现，传统的4-20mA的模拟信号传输并没有被取代。但此时产生了以“集中控制”为特点的中央控制计算机系统，该系统易失控并且可靠性低。因此很快将其发展为DCS控制系统。此时微处理器性能得到极大提高其应用范围也大大增广，使分布式控

41、制系统应用得越来越广泛。其主要特点是由智能仪表与多台计算机以及智能部件实现的分散控制。而传统的模拟传输信号也逐渐被最新的数字传输信号所取代。随着微处理器的迅速发展和广泛被应用到控制现场，数字通应用伸到工业过程控制现场变得可实现。因此出现了Profibus。图4-1 Profibus 结构图Figure4-1 The structure of ProfibusProfibus用于制造自动化、过程自动化和楼宇自动化等领域的现场智能设备的通讯网络。Profibus是一个基层化的网络。有着开放式和新型全分布控制的优点，并且成为自动控制发展的热点。它的发展必将导致自动化技术的变革。Profibus由三个

42、相互兼容的部分组成（如图4-1）。其中Profibus-DP（Decentralized Periphery，分布式外围设备）用于单元级设备与分布式I/O的通信，可以代替传统的4mA20mA模拟传输信号。Profibus-DP最大的优点是速度高而成本低。它特别适用于PLC与分布式I/O设备（例如Siemens公司的ET 200）之间的通信。Profibus-PA（Process Automation，过程自动化）用于过程自动化的执行器与传感器之间的低速数据传输。其使用扩展的Profibus-PA协议。此外还描述了现场设备行为的PA行规。传输技术采用IEC 1158-2标准。Profibus-F

43、MS（Fieldbus Message Specification，现场总线报文规范）用于系统级和车间级的不同供应商自动控制系统之间传输数据17。4.2 基于Profibus-DP的控制方案（1）DP主站主站选用西门子的SIMATIC S7-300系列屮的CPU317T-2DP作为控制系统，CPU可以发送参数给从站或者从DP从站中读取状态信息，通过全局控制命令将运行状态发送给所有从站，具有测试和调试的功能。同时也能将控制命令发送到个别DP从站或者是从站组，以此实现输入输出的同步同步，保证设备正常运行。Profibus-DP SProfibus-FMS上位机PLCET 200MET 200MET

44、 200MET 200M区域控制行程开关液压驱动执行机构MPI图4-2 基于Profibus-DP控制方案Figure 4-2 The control strategy used Profibus-DP（2）上位机上位机通过MPI与PLC连接。上位机安装西门子公司的WinCC软件实现控制过程的动态趋势、报警、控制策略及控制网络通信。同时还可以提供一个有好的用户界面。（3）从站ET 200M是分布式I/O接口。通过ET 200M可以扩展I/O模块，提供更多的I/O地址。并且所有模块支持热插拔，方便维护管理。4.3监控系统的设计4.3.1WinCC简介Siemens公司视窗控制中心的SIMATIC

45、 WinCC 软件是所有组态软件中的佼佼者。WinCC 在20世纪90年代年进入了世界工控组态软件市场，在当年就被美国控制工程杂志评为最佳HMI软件。它用最少的时间变身成为第三个世界级别的SCADA控制系统。在设计与研发思想上，WinCC软件继承了Siemens公司博大精深的企业理念。它的技术最先进、性能最全面和系统最开放的HMI/SCADA软件是WinCC所有开发人员的共同追求。Wincc组态软件是按照不同国家使用的系统进行设计，所以从最初它就适用于各国主要制造商生产的控制系统，例如Modicon, A-B，GE等。通讯驱动程序的类型还在不断地增加中。WinCC v7.0 采用标准 Micr

46、osoft SQL Server 2000 数据库对生产过程中数据进行归档处理。它同时拥有web浏览器的功能，能够使厂长和经理在办公室内就可以看到生产流程的所有信息。因此可以更好地调节指挥生产。它是工业控制中MES系统和ERP系统最佳的实时平台软件。WinCC确保与SIMATIC S5和S7系列的可编程控制器通讯的高效和连接的方便。它是SIMATIC全集成自动化系统的重要组成都分。STEP 7与WinCC编程软件紧密结合使用可以缩短项目开发周期。另外WinCC还有对SIMATIC系列可编程控制器进行系统诊断的选项，以此可以给硬件维护提供很大的方便。4.3.2WinCC与PLC的链接通过CP56

47、11实现PLC系统与WinCC7.0通讯的前提条件是在安装有WINCC的计算机上安装CP5611通讯板卡并且安装STEP7编程软件。（1）STEP7硬件组态STEP7设置MPI通讯。新建一个MPI网络用来通讯并且设置好MPI网络的波特率和地址。图4-3 设置MPI通信Figure 4-3 Set MPI communication（2）安装CP5611通讯板卡安装CP5611，并安装驱动程序。（3）添加驱动程序和系统参数设置打开WINCC工程在Tag Management->SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE->MPI右键单击MPI，在弹出菜单中点击System P

48、arameter，弹出System Parameter-MPI对话框，选择Unit标签，查看Logic device name（逻辑设备名称）。默认安装后，逻辑设备名为MPI图4-4 添加驱动程序和系统参数设置Figure 4-4 Add drivers and system parameter Settings（4）设置Set PG/PC Interface进入Windows操作系统下的控制面板，双击Set PG/PC Interface图标，在Access Point of the Application:的下拉列表中选择CP_L2。而后在Interface Parameter Assig

49、nment Used:的列表中，点击CP5611(PROFIBUS)，而后在Access Point of the Application:的下拉列表中显示：CP_L2_1:àCP5611(PROFIBUS) 图4-5 设置 PG/PC 界面Figure 4-5 Set PG /PC interface （5）添加通道与连接设置添加驱动连接，设置参数。打开WINCC工程在Tag Management->SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE->PROFIBUS，右键单击PROFIBUS，在下拉菜单中，点击New Driver Connection，在弹出的Co

50、nnection properties对话框中点击Properties按钮，弹出Connection Parameter-PROFIBUS属性对话框，填入参数。图4-6 添加通道与连接设置Figure 4-6 Add channels and set connection（5）连接测试和诊断通过WINCC工具中的通道诊断程序WinCC Channel Diagnosis即可测试通讯是否建立18。4.4监控系统与人机界面设计本系统可以工作于手动方式和自动方式下。手动工作方式主要用于安装调试或者当系统发生故障时对各个部件进行单独调整。当系统工作在自动方式下时，控制系统的控制核心PLC根据现场传感变送器反馈回来的现场信号，根据程序算法，输出控制相应继电器的输出，从而直接控制动力鼠洞装置的相应动作，这就是