基于HMI、PLC、PROFIBUS技术的海洋钻机控制系统

一、前言

“九五”是我国海洋石油工业的高速发展期，“十五”中国海洋石油总公司提出了宏伟的战略目标。在这期间，海洋石油设备主要依靠国外产品，随着我国海洋石油勘探开发的发展，海洋石油钻采设备工业有了很大的进步。为了降低开采成本，海洋石油设备国产化步伐进一步加大。海洋石油钻井是一项风险大、投资多、技术含量高的系统工程。

H219-2/3海洋2、3两个钻井平台是中国海洋总公司深圳南海分公司CACT作业集团的一个国际化项目，该项目的设计、制造由英国RDS公司、美国VARCO公司和宝鸡石油机械有限责任公司共同承担。也是我公司首次成套设计的海洋钻机，该项目列入集团公司科学研究与技术开发项目（项目编号为0382101000），获得物装公司一等奖。H219-2/3海洋钻机包括两个钻井模块、一个支持模块和一个修井模块。该项目从投标、立项到设计完成历时一年半的时间，在设计过程中遇到很多技术难题，经过设计人员的辛勤努力。终于在2003年年底完成整个设计任务，2004年9月已开钻打井。该项目的完成，实现了宝石公司乃至石油天然气总公司海洋成套钻机零的突破。为海洋钻采装备国产化奠定了坚实的基础。

PLC是80年代发展起来的一种新型的电器控制装置，它的诞生给工业控制带来了一次革命性的飞越，它将传统的继电器控制技术和计算机控制技术融为一体。具有结构紧凑，灵活通用，可靠性高，抗干扰能力强，能适应较恶劣的环境，易实现机电一体化等显著优点，已广泛应用于工业生产的各种自动控制过程中。

SIMATIC s7-300作为新一代中小型PLC的典范，继承了模块化设计的优良传统，其硬件结构设计更为简洁，I/O摸板配置也更为自由灵活，CPU模块集成了更丰富的功能，其编程接口兼作MPI接口，使S7-300极为方便地构成网络。编程语言STEP 7运行在Window环境下，为用户提供了功能强大而界面极为友好的开发工具。倍受设计工程师及用户的青睐。

现场总线是用于现场设备和控制设备之间的一种全分散、智能、双点、多站的串行通讯网络Profibus-DP是目前应用最广泛的总线系统，它具有安装简单，拓扑结构多样，易于实现冗余，通讯实时可靠，功能比较完善，性能卓越等特点K32。在石油电驱动钻机控制系统中，标准的现场智能仪表，如测量元件、变送器、执行机构、直流调速装置、PLC和HMI接口等采用通讯方式有机地连接在一起，构成一个完整的钻井过程自动化控制系统。

近几年，随着电力电子技术的发展和工程技术人员对HMI、PLC、PROFIBUS-DP技术的熟练掌握与应用，电驱动钻机以其机械钻机所无法比拟的诸多优势占据了国产陆地钻机的主导地位。伴随国产陆地电驱动钻机的产出和现场使用，其控制系统越来越成熟、完善，正朝着电、气、液一体化，自动化、数字化、智能化、信息化方向发展。先进的机械自动化工具、高效的钻机操作和监控大大降低了钻井成本，提高了钻井效率。

海洋钻机控制系统具有控制设备多，工艺流程较为复杂，设备分散（绞车在DES模块，泥浆泵在DSM模块），环境条件较恶劣（潮湿、盐雾腐蚀、振动、噪声等较为严重），传统的继电器控制方式已不能适应海洋7000m钻机系统自动化的要求。HMI、PLC、PROFIBUS-DP程控方式由于其自身优点，目前已在国内陆地钻机上得到广泛应用，成为钻机自动化控制的核心。在H219-2/3海洋7000m钻机自动化控制系统中，HMI、PLC、PROFIBUS-DP的优良性能得到充分体现。

二 系统概述

1．海洋钻机模块简介

H219-2/3海洋7000m钻机分两个钻机模块DES和一个支持模块DSM。DES模块的主要设备包括井架、绞车及其钻井辅助设备，绞车及其辅助设备的控制系统等，  DSM模块的主要设备包括泥浆泵、修井泵、固控设备及其辅助设备，泥浆泵、修井泵、固控设备及其辅助设备的控制系统等。

2．电控系统描述

电控系统是一个庞大而复杂的系统，包括电源系统（分主电源系统：3AC 4160V 60Hz、应急电源系统：3AC 480V 60Hz、UPS电源系统：单相  120V 60Hz），传动系统（绞车，转盘和泥浆泵采用一对一控制，SIMREG 6RA70全数字直流调速装置），MCC系统，照明系统，PLC控制操作系统和监控系统。随机械设备的划分，电气系统也分三个模块：H219-2 DES电控设备模块、H219-3 DES电控设备模块和H219-2/3 DSM电控设备模块。在DES系统中又分成三个组成部分：第一部分是绞车直流电机驱动系统(SCR)；第二部分是配电和MCC系统；第三部分是应急操作系统。DSM系统中包括泥浆泵直流驱动系统(SCR)和配电及MCC系统。如下面系统单线原理图如图1所示。

系统中所有MCC柜和配电柜均采用西门子SIVACON-8PT系列抽屉柜；直流驱动柜为西门子6RA70系列产品。司钻在集中控制室（司钻房）内实现对整个钻机的操作控制、报警显示，在DES主电控房对现场设备进行实时监控。

钻井监控系统采用Siemens TP270触摸屏，控制系统的核心是SIEMENS S7-300系列可编程控制器(CPU315-2DP)，安装在DES主电控房内，DES区远程司钻房内的ET200M PLC从站、DSM区主电控房内的ET200M PLC从站、司泵操作台的ET200M PLC从站、6RA70 6台直流调速装置从站分别通过PROFIBUS-DP总线与主站PLC相连。所有联锁和控制信号通过ET200M远程I/O的方式进行采集和传输。

三、H219-2/3海洋钻机与陆地ZJ70D钻机的区别

1．环境条件的差异

海洋钻机适用于中国南海潮湿（在20℃时相对湿度≤100%）、盐雾和腐蚀的海洋环境要求，因此系统设计采用的标准与陆地钻机存在差异。

2．海洋钻机需要认证

H219-2/3海洋钻机的设计制造要通过ABS（美国船级社）的认证和检验。而陆地钻机不需要专门的认证机构进行认证。

3．H219-2/3海洋钻机控制系统与ZJ70D钻机存在很大差异

(1)供电电源不同

H219-2/3海洋钻机的电控系统供电电源采用5000kVA. 60Hz环氧树脂浇注干式、6脉搏整流变压器供电，而ZJ70D钻机电控系统的电源采用柴油发电机组并网供电。

(2)传动系统的区别842

宝鸡石油机械有限责任公司生产的系列ZJ70D钻机绞车、泥浆泵采用串励直流电动机，传动控制系统采用一对二控制方式。大多使用美国ROSS HILL或海尔海斯的1400系列模拟控制系统。而H219-2/3海洋钻机绞车、泥浆泵、修井泵采用他励直流电动机，传动控制系统采用一对一控制方式。使用SIEMENS 6RA70全数字装置，其动态静态性能、控制精度等优于模拟系统。

4．安装方式不同

ZJ70D钻机电控系统包括发电机控制柜、同步柜、传动柜MCC柜及PLC综合柜，集中安装在一座电控房内，其网络控制易于实现，且传动系统采用一对二方式控制，传动柜数量少，不存在装置与装置之间的点对点通讯。而H219-2/3海洋钻机绞车、泥浆泵及其辅助设备的控制系统分别安装在DES区和DSM区的两座电控房内，且传动控制系统采用一对一方式控制，传动装置数量相对较多'还存在装置与装置之间的点对点通讯。网络控制系统较为复杂。

5．H219-2/3海洋钻机具有主电机自动送钻功能，从而实现了电、气、液一体化控制，而ZJ70D钻机无自动送钻功能。

四、系统组成

1．硬件结构

H219-2/3海洋钻机控制系统由两级网络构成，上位监控级和下位控制级。监控级由一台SIMATIC TP 270新型触摸屏和一台打印机组成，HMI与PLC之间MPI连接。实现整个钻井过程现场设备工作状态的实时图形显示、过程变量监控、状态和故障历史信息管理、操作等功能。现场设备级、主要功能是连接现场设备，由一台S7-300 PLC、分散式I/O、传感器、调速装置、执行机构、开关设备，完成现场设备控制及设备间联锁控制。主站PLC负责总线通讯管理及所有从站的通讯。总线上所有设备生产工艺控制程序存储在总站中，并由总站执行。主站PLC与各从站通过PROFIBUS_DP连接，构成一个开放式的自动化网络系统，实现电源系统、6台直流调速装置、远程司钻电控台、司泵台、MCC等系统之间的高速通讯。完成绞车／转盘、泥浆泵的自动化控制及操作。系统网络结构图如图2所示。

图2  系网络结构图统

2．软件构成

HMITP270组态软件采用WINDOWS环境下的SIMATIC Protool组态软件，该软件简单易学，并有集成的在线帮助系统。S7-300型PLC采用STEP 7软件，该软件是用于SIMATIC S7的标准工具，并提供了硬件的配置和参数设置、通讯的定义、编程、测试，启动和维护、操作，诊断等用户功能，且所有功能均有大量的在线帮助。用户很方便很容易使用这些系统。

五、系统的功能

1．监控系统的功能

1)对钻机模块电气控制系统的硬件配置进行显示，并实时监测各个DP从站的当前运行状态，如果DP从站出现通讯故障，PROFIBUS接口处出现红黄两种颜色交替闪烁的标记，如图3所示。

图3硬件配置监测画面

2)对电源系统进行显示监测，显示电气控制系统主电源接线示意图，可以显示当前电源是正常供电还是应急供电，并能读出当前使用的电量值，如果电量超过高限将会有报警提示，如图4所示。

图4  电源系统监测画面

3)对绞车操作运行状态进行显示监测，显示绞车直流驱动装置的运行的状态，励磁电流值、电枢的电流值、电压、扭矩、速度以及故障代码（红色表示当前的，橄榄绿色表示先前的）和装置的主从控制方式，如图5所示。

图5绞车操作监测画面

4)对泥浆泵操作运行状态进行显示监测，显示泥浆泵直流驱动装置的运行的状态，励磁电流值、电枢的电流值、电压、扭矩、速度以及故障代码（红色表示当前的，橄榄绿色表示先前的）和装置的主从控制方式，如图6所示。 

图6泥浆泵操作监测画面

5)还能对司钻操作台上绞车、泥浆泵调速手轮的实际值、脚踏开关的当前值进行监测。对于泥浆泵控制系统的监测，如果显示‘DDC’字样，表示当前速度给定值来自司钻控制台，如果显示．MPC，字样，表示当前速度给定值来自司泵控制台。

6)对控制系统的重要操作过程、报警信息进行记录，如图7所示。

图7报警信息监测画面

2．PLC网络控制系统的功能

主站PLC将I/O模板、ET200M分布式I/O PLC从站在现场采集到的开关量或模拟量信号，主电机的起停信号，液压传感器的4～20mA信号，绞车离合器气动换向阀常闭常开信号等进行中处理，通过PROFIBUS_DP总线将数据信息传递给远程司钻台进行显示和控制。

司钻电控台的操作信号如绞车、泥浆泵的起停、调速手轮的给定等通过PROFIBUS_DP总线：数据信息传递给主站PLC进行集中处理后送往各调速装置显示和控制。

3．安全互锁功能

海洋钻机的安全和可靠性，不仅取决于动力装置、传动机构及提升、旋转、循环系统各部件自工作性能，同时也取决于钻机控制系统的性能。

1)实现5000kVA主电源变压器温度监测、报警和跳闸控制。

2)实现主电源供电和应急电源供电互锁。

3)贝勒辅助刹车系统实现游车上碰下砸功能。

4)为了防止惯刹离合器损坏，正常情况下，绞车电机断电，为了快速停车，司钻打开惯刹阀，阀岛通压缩空气给惯刹离合器，离合器刹车，电机停转。紧急情况下，如果传动系统有异常或其他故障时，司钻PLC打开惯刹开关，阀岛通压缩空气分为两路，一路给绞车电机联锁压力开关，压力开关输出信号到PLc控制系统，系统立即停机，另～路输送给惯刹离合器，电机迅速停车，保护绞车。

六、控制系统的优点

这种基于HMI、PLC. PROFIBUS_DP的海洋7000m钻机控制系统，既提高了系统的稳定性、灵活性与可靠性，又实现了DES模块上主电控房、应急电控房和DSM模块上主电控房、应急电控房与司钻操作台之间的远程控制通讯。方便了钻机维护管理人员集中监控与司钻集中操作，具有很好的可视性和可读性。同时使系统结构大大简化，无论从设计、安装、运行、维护，还是提高工效等方面，都体现出优越性。

1)提高钻井过程整体管理水平。由于供电系统、钻机绞车控制（包括绞车气控、液压盘刹控制、液压盘刹自动送钻控制等）、泥浆泵控制及其它部件的控制均进入网络系统，HMI、PLC、PROFIBUS_DP将完成整个钻机的操作、显示、报警、诊断、储存、打印等全部功能。

2)减少维护管理人员、维护时间及费用，改善工作环境，提高工作效率。

3)提高了系统的准确性与可靠性。

七、结束语

H219-2/3两个钻井平台已累计打完5口井，PLC控制系统运行半年多来，功能完备，性能可靠，维护方便，对于海洋平台钻井安全、经济地运行起到良好的作用。同时也说明，HMI、PLC、PROFIBUS-DP技术在国产海洋平台钻井自动控制系统中成功应用，发展前景非常广阔。这标志着我国海洋石油钻采装备开发能力有了新的提高。

参考文献

1．敖沛．国外石油钻机新技术，石油机械，2004，32 (4) 50～51

2．方华灿．我国海洋石油钻采设备工业发展方向雏议．石油矿场机械，2003，32 (4) 1—3

3．吴道虎，黄传国．现场总线技术及其应用讲座第5讲PROFIBUS及其实际应用  PLC&FA，2003，4 (8) 85～87

4．单勇，张永泽，郑明建．ZJ70/4500D电驱动钻机研究与开发．石油机械，2001，29（增刊）：27～29

作者简介：亢锦，女，陕西蒲城人，生于1966年，工程师，1990年毕业于西安石油学院工业电气自动化专业，现从事石油钻机电气系统设计工作。地址：( 721002)陕西宝鸡市东风路2号。电话(0917) 3462198