论文部分内容阅读
[摘 要]文中主要介绍了罗克韦尔ControlLogix1756系列的PLC在海洋模块钻机电控系统中的具体应用。详细阐述了系统构成和详细设计思想。经过现场实际应用表明该系统工作性能稳定，运行可靠，实际应用中取得了良好的效果。
[关键词]PLC；ControlLogix；模块钻机；电控系统
中图分类号：TD52.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）32-0240-01
随着科技的飞速发展，PLC系统的应用也日益普遍，作为工业自动化行业中最值得信赖的品牌，罗克韦尔公司的PLC系统在工业控制中表现尤为出色。本文结合罗克韦尔公司的ControlLogix 1756系列PLC来介绍其在海洋模块钻机电控系统中的应用。海洋模块钻机电控系统是整个钻机的控制核心，采用ControlLogix PLC及ControlNet总线技术使电控系统更加可靠、稳定，从而使模块钻机更加安全，高效的运行。
一、电控系统描述
海洋模块钻机电控系统主要由电源系统，传动系统，MCC系统，照明系统，PLC控制操作系统和监控系统组成。同时按设备布置区域划分，可以分为DES（钻井设备模块）电控设备、DSM（钻井支持模块）电控设备。在DES系统中又分成三个组成部分：第一部分是绞车交流变频电机驱动系统；第二部分是配电和MCC系统；第三部分是应急操作系统。DSM系统中包括泥浆泵交流变频电机驱动系统和配电及MCC系统
二、PLC系统组成
2.1硬件结构
钻机控制系统以ControlLogix 1756热冗余主站PLC为控制核心，应用ControlNet总线和以太光纤环网技术，实现电站控制单元、9台变频器、司钻监控、远程监控、电液气联控、自动送钻、重载问询、游车防碰等控制系统间的高速通讯。
Controlnet总线具有以下特点：传输介质为同轴电缆，电介质传输最大距离为500m，最大波特率5M/S。在传输距离超过500m，可以转化为光纤传输。总线可支持最大99个节点，总线采用的通信方式为生产者/消费者，组播方式。比传统的基于RS485的协议如profibus DP，modbus要快的多。
系统采用西门子TP1900触摸屏，实现精美、简洁、实用的操作界面，为司钻提供简单轻松的操作，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，优化控制和監测整个钻井过程。同时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。
2.2系统的软件设计
系统软件设计主要分为以下几个部分：1、PLC控制程序；2、上位机程序：HMI操作程序与IPC程序；3、第三方数据通信程序
2.2.1PLC控制程序
PLC程序主要由以下几部分组成：
1、 通过各IO模块，完成数据采集：对钻机的辅助电机及断路器等运行状态、控制响应的传感器信号的采集；完成对辅助电机的控制，完成各液压阀的控制。
2、 完成各变频器的控制，通过controlnet冗余总线完成对变频器的参数采集如电机电压、电流等，通过ACS800的DTC技术控制电机的转速扭矩，以实现对钻机设备如绞车泥浆泵的精确控制。
3、 完成与司钻HMI触摸屏的人机交互，整合各电机及断路器状态、仪表参数以及报警提供给触摸屏显示，同时接受触摸屏的操作命令；作为服务器提供给IPC数据以供显示与存储。
4、 完成第三方的通信程序，通信网关将发电机的控制模块与柴油机通信模块的Modbus RTU slave数据整合成Modbus TCP的数据发布到以太环网中，实现各部分的数据共享，同时方便PLC对第三方的数据高效与大流量的读写。
2.2.2上位机程序
上位机程序主要分为两部分：
1、IPC程序：IPC程序采用Rockwell的FactoryTalk View Studio软件，该软件提供了可视化、友好的监控界面，通过RSLINX OPC和plc进行通信，将PLC的数据读取出来显示，再通过Microsoft SQL Server将数据存储，方便历史数据的查询。
2、HMI控制程序：HMI程序采用最新的西门子TIA博图软件，通过Ethernet/IP驱动程序与ControlLogix PLC连接，实现对钻井设备的启停，给定控制。同时实时监控钻井数据，实时查看钻井系统的报警。对整个钻井系统主要设备，如发电机、绞车、泥浆泵进行实时监控；对整个电控系统的单线图进行监控；对整个控制网络进行监控，实时诊断查看各网络节点的通信状态。
2.2.3第三方通信程序
第三方通信程序主要是对网络中其他独立系统的数据采集，如发电机控制系统，智能仪表等。由于modbus RTU/ASCII/TCP通信协议为开放性协议，绝大多数设备都支持modbus协议，因此采用TCP-RTU/ASCII网关能很好的将RTU/ASCII的数据转化为TCP的数据，同时该网关Ethernet节点既能作为TCP server出现在以太环网的节点中，也能作为RTU/ASCII的slave，实现设备的双向控制，这样以太环网上的任何节点都能读取数据或者被控制。对于整个系统作为数据桥梁的作用，这样很好的避免了Modbus RTU/ASCII的多主站问题、通信距离限制、数据量限制的问题。
三、系统功能
3.1、操作功能
泥浆泵控制：司钻房触摸屏TP1900通过光纤环网与1756 CPU通讯，控制三台泥浆泵的冷却水泵、风机、泥浆泵主电机的启动、停止、速度给定以及相关连锁功能。
绞车控制：司钻房触摸屏TP1900通过光纤环网与1756 CPU通讯，控制钻井绞车两台主电机风机、润滑油泵的启动、停止、速度给定以及相关连锁功能，同时使用编码器模块计算大钩高度，对高位、最低位进行限位，防止“上碰下砸”；
转盘控制：通过ControlNet通讯协议，可控制转盘变频器的速度给定、扭矩限定值，并给出变频器过流、过压报警
3.2、监控系统的功能
1、对模块钻机PLC控制系统的硬件配置进行显示，并实时监测各个通讯网络当前运行状态，如果出现通讯故障，在工控机上进行提示报警。
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，可以显示在线发电机数量以及当前电站运行状态、功率、电压、电流等参数，当用电负荷总功率超过高限会有报警提示。
3、对绞车/泥浆泵操作运行状态进行显示监测，显示绞车/泥浆泵交流变频装置的运行的状态，电流值、电压、扭矩、转速以及故障代码；
4、对控制系统的重要操作过程、报警信息进行记录。
四、结束语
该系统采用ControlLogix 1756系列 PLC实现了海洋石油模块钻机电控系统的数字化控制，应用ControlNet双总线和光纤环网通讯，使整个电控系统在功能和性能更加完备、可靠，对于海洋模块钻机安全、经济运行起到良好的作用。同时，ControlLogix系列PLC在海洋模块钻机的成功应用，为今后模块钻机电控系统的PLC选型提供了新的方向。
参考文献
1、邓李，罗克韦尔自动化技术丛书·ControILogix系统实用手册，北京，机械工业出版社，2008
2、李海瀛，海洋石油工程电气技术，东营，石油大学出版社，1998
[关键词]PLC；ControlLogix；模块钻机；电控系统
中图分类号：TD52.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）32-0240-01
随着科技的飞速发展，PLC系统的应用也日益普遍，作为工业自动化行业中最值得信赖的品牌，罗克韦尔公司的PLC系统在工业控制中表现尤为出色。本文结合罗克韦尔公司的ControlLogix 1756系列PLC来介绍其在海洋模块钻机电控系统中的应用。海洋模块钻机电控系统是整个钻机的控制核心，采用ControlLogix PLC及ControlNet总线技术使电控系统更加可靠、稳定，从而使模块钻机更加安全，高效的运行。
一、电控系统描述
海洋模块钻机电控系统主要由电源系统，传动系统，MCC系统，照明系统，PLC控制操作系统和监控系统组成。同时按设备布置区域划分，可以分为DES（钻井设备模块）电控设备、DSM（钻井支持模块）电控设备。在DES系统中又分成三个组成部分：第一部分是绞车交流变频电机驱动系统；第二部分是配电和MCC系统；第三部分是应急操作系统。DSM系统中包括泥浆泵交流变频电机驱动系统和配电及MCC系统
二、PLC系统组成
2.1硬件结构
钻机控制系统以ControlLogix 1756热冗余主站PLC为控制核心，应用ControlNet总线和以太光纤环网技术，实现电站控制单元、9台变频器、司钻监控、远程监控、电液气联控、自动送钻、重载问询、游车防碰等控制系统间的高速通讯。
Controlnet总线具有以下特点：传输介质为同轴电缆，电介质传输最大距离为500m，最大波特率5M/S。在传输距离超过500m，可以转化为光纤传输。总线可支持最大99个节点，总线采用的通信方式为生产者/消费者，组播方式。比传统的基于RS485的协议如profibus DP，modbus要快的多。
系统采用西门子TP1900触摸屏，实现精美、简洁、实用的操作界面，为司钻提供简单轻松的操作，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，优化控制和監测整个钻井过程。同时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。
2.2系统的软件设计
系统软件设计主要分为以下几个部分：1、PLC控制程序；2、上位机程序：HMI操作程序与IPC程序；3、第三方数据通信程序
2.2.1PLC控制程序
PLC程序主要由以下几部分组成：
1、 通过各IO模块，完成数据采集：对钻机的辅助电机及断路器等运行状态、控制响应的传感器信号的采集；完成对辅助电机的控制，完成各液压阀的控制。
2、 完成各变频器的控制，通过controlnet冗余总线完成对变频器的参数采集如电机电压、电流等，通过ACS800的DTC技术控制电机的转速扭矩，以实现对钻机设备如绞车泥浆泵的精确控制。
3、 完成与司钻HMI触摸屏的人机交互，整合各电机及断路器状态、仪表参数以及报警提供给触摸屏显示，同时接受触摸屏的操作命令；作为服务器提供给IPC数据以供显示与存储。
4、 完成第三方的通信程序，通信网关将发电机的控制模块与柴油机通信模块的Modbus RTU slave数据整合成Modbus TCP的数据发布到以太环网中，实现各部分的数据共享，同时方便PLC对第三方的数据高效与大流量的读写。
2.2.2上位机程序
上位机程序主要分为两部分：
1、IPC程序：IPC程序采用Rockwell的FactoryTalk View Studio软件，该软件提供了可视化、友好的监控界面，通过RSLINX OPC和plc进行通信，将PLC的数据读取出来显示，再通过Microsoft SQL Server将数据存储，方便历史数据的查询。
2、HMI控制程序：HMI程序采用最新的西门子TIA博图软件，通过Ethernet/IP驱动程序与ControlLogix PLC连接，实现对钻井设备的启停，给定控制。同时实时监控钻井数据，实时查看钻井系统的报警。对整个钻井系统主要设备，如发电机、绞车、泥浆泵进行实时监控；对整个电控系统的单线图进行监控；对整个控制网络进行监控，实时诊断查看各网络节点的通信状态。
2.2.3第三方通信程序
第三方通信程序主要是对网络中其他独立系统的数据采集，如发电机控制系统，智能仪表等。由于modbus RTU/ASCII/TCP通信协议为开放性协议，绝大多数设备都支持modbus协议，因此采用TCP-RTU/ASCII网关能很好的将RTU/ASCII的数据转化为TCP的数据，同时该网关Ethernet节点既能作为TCP server出现在以太环网的节点中，也能作为RTU/ASCII的slave，实现设备的双向控制，这样以太环网上的任何节点都能读取数据或者被控制。对于整个系统作为数据桥梁的作用，这样很好的避免了Modbus RTU/ASCII的多主站问题、通信距离限制、数据量限制的问题。
三、系统功能
3.1、操作功能
泥浆泵控制：司钻房触摸屏TP1900通过光纤环网与1756 CPU通讯，控制三台泥浆泵的冷却水泵、风机、泥浆泵主电机的启动、停止、速度给定以及相关连锁功能。
绞车控制：司钻房触摸屏TP1900通过光纤环网与1756 CPU通讯，控制钻井绞车两台主电机风机、润滑油泵的启动、停止、速度给定以及相关连锁功能，同时使用编码器模块计算大钩高度，对高位、最低位进行限位，防止“上碰下砸”；
转盘控制：通过ControlNet通讯协议，可控制转盘变频器的速度给定、扭矩限定值，并给出变频器过流、过压报警
3.2、监控系统的功能
1、对模块钻机PLC控制系统的硬件配置进行显示，并实时监测各个通讯网络当前运行状态，如果出现通讯故障，在工控机上进行提示报警。
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，可以显示在线发电机数量以及当前电站运行状态、功率、电压、电流等参数，当用电负荷总功率超过高限会有报警提示。
3、对绞车/泥浆泵操作运行状态进行显示监测，显示绞车/泥浆泵交流变频装置的运行的状态，电流值、电压、扭矩、转速以及故障代码；
4、对控制系统的重要操作过程、报警信息进行记录。
四、结束语
该系统采用ControlLogix 1756系列 PLC实现了海洋石油模块钻机电控系统的数字化控制，应用ControlNet双总线和光纤环网通讯，使整个电控系统在功能和性能更加完备、可靠，对于海洋模块钻机安全、经济运行起到良好的作用。同时，ControlLogix系列PLC在海洋模块钻机的成功应用，为今后模块钻机电控系统的PLC选型提供了新的方向。
参考文献
1、邓李，罗克韦尔自动化技术丛书·ControILogix系统实用手册，北京，机械工业出版社，2008
2、李海瀛，海洋石油工程电气技术，东营，石油大学出版社，1998