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西門子作為全球最大的電氣電力公司，一直致力于為自動(dòng)化產(chǎn)品的研究與開發(fā)，西門子S7-400H冗余容錯(cuò)系統(tǒng) 被廣泛的運(yùn)用于石化行業(yè)，本文闡述西門子S7-400H冗余容錯(cuò)系統(tǒng) PLC在石油鉆機(jī)變頻傳動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)，給出了一個(gè)典型應(yīng)用配置，并對(duì)實(shí)際的應(yīng)有情況做了分析評(píng)價(jià)。

關(guān)于西門子S7-400H熱冗余PLC在石油鉆機(jī)的應(yīng)用 
　一、西門子S7-400H冗余容錯(cuò)系統(tǒng) 的性能特點(diǎn)

西門子S7-400H冗余容錯(cuò)系統(tǒng) PLC是西門子的最新一代高端產(chǎn)品，是可以實(shí)現(xiàn)硬件熱冗余的控制器。S7-400H一般由兩組S7-400通過光纖通信交換數(shù)據(jù)達(dá)到硬件熱冗余的功能。

西門子S7-400H冗余容錯(cuò)系統(tǒng) 的主要性能:

·全系列CPU處理速度整體提高3至70倍

·工作內(nèi)存翻倍，最高達(dá)20MB

·定時(shí)器、計(jì)數(shù)器個(gè)數(shù)提高8倍

·通訊性能全面提高1倍

·零部件和編程工具保持兼容

·全面支持PROFIBUS等時(shí)模式

·支持不停機(jī)修改分布式硬件配置

西門子S7-400H冗余容錯(cuò)系統(tǒng) 主要特色為：極高的處理速度、強(qiáng)大的通訊性能和卓越的CPU資源裕量。特別適合于高性能的中大規(guī)模系統(tǒng)。

需要容錯(cuò)能力的應(yīng)用系統(tǒng)就要選擇S7-400H PLC。基于標(biāo)準(zhǔn)S7-400模板的S7-400H是一個(gè)冗余的PLC，可以明顯地減少生產(chǎn)過程的故障停機(jī)率，適用于那些需要盡可能減少或避免故障停機(jī)的應(yīng)用場合。例如發(fā)電或輸、配電、化學(xué)工業(yè)、采礦、運(yùn)輸?shù)取?

容錯(cuò)性是通過二個(gè)并行的中央控制器實(shí)現(xiàn)的。它們的CPU通過光纜連接并通過冗余的PROFIBUS DP線路對(duì)冗余的I/O進(jìn)行控制。除了故障CPU和PROFIBUS外，I/O自身可以冗余。當(dāng)發(fā)生錯(cuò)誤或故障時(shí)進(jìn)行無擾動(dòng)的切換，即未受影響的熱備控制器將在中斷點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行控制而不丟失任何信息。

S7-400H的編程與非冗余的標(biāo)準(zhǔn)S7-400系統(tǒng)相同，都使用STEP-7語言。所有容錯(cuò)專用的功能可通過容易使用的STEP 7軟件包來組態(tài)。為標(biāo)準(zhǔn)非容錯(cuò)系統(tǒng)編寫的程序可以方便地移植到容錯(cuò)系統(tǒng)(反之亦然)。STEP 7 V5.3已將冗余選件包集成，無需再單獨(dú)購買。

在PLC產(chǎn)品領(lǐng)域，SIMATIC S7-400滿足了生產(chǎn)和過程自動(dòng)化的系統(tǒng)解決方案的要求。

二、西門子S7-400H冗余容錯(cuò)系統(tǒng) 組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

1、ZJ50DB/70DB鉆機(jī)是目前非常先進(jìn)的鉆機(jī)，其整體的技術(shù)水平體現(xiàn)在電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試中。我們?cè)谠O(shè)計(jì)中確保系統(tǒng)的高配置、長期使用的高性能、高可靠性以及較為完善的安全措施，并為用戶提供良好的人機(jī)界面和故障診斷功能。設(shè)計(jì)完成后系統(tǒng)具有相當(dāng)大的冗余能力。

ZJ50DB系統(tǒng)配置2座VFD房，分別為VFDI房和VFDII房。根據(jù)總體要求我們作了以下布置：

VFDI房包括1#綜合柜（負(fù)責(zé)采集與發(fā)送VFDI房內(nèi)的各種電氣信號(hào)，另有柴油機(jī)組監(jiān)控信號(hào)通信模塊和顯示機(jī)組參數(shù)的機(jī)組用工控機(jī)等），1MPA變頻柜，1MPB變頻柜，2MPA變頻柜，2MPB變頻柜，3MPA變頻柜，，3MPB變頻柜，進(jìn)線開關(guān)柜，冷氣機(jī)，主變壓器等。

VFDII房包括絞車A變頻柜，絞車B變頻柜，轉(zhuǎn)盤變頻柜，絞車A制動(dòng)柜，絞車B制動(dòng)柜，切換柜（實(shí)現(xiàn)絞車B變頻柜作為轉(zhuǎn)盤變頻柜的切換備用），PLC柜(系統(tǒng)PLC主站設(shè)于該柜內(nèi))，2#綜合柜(負(fù)責(zé)采集與發(fā)送VFDII房內(nèi)的各種電氣信號(hào)，另有以畫面形式監(jiān)控和顯示全套傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的上位工控機(jī)等)，送鉆變頻柜， 采用SIEMENS先進(jìn)的智能軟起動(dòng)裝置，并實(shí)現(xiàn)對(duì)重要輔機(jī)的保護(hù)和監(jiān)控。

全套系統(tǒng)的基本設(shè)備配置圖如圖1所示。

鉆機(jī)控制系統(tǒng)以西門子高性能的S7-400H熱冗余主站PLC為控制核心，通過現(xiàn)場總線控制技術(shù)把數(shù)字化設(shè)備組成PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)控制單元、十臺(tái)變頻器、司鉆監(jiān)控、遠(yuǎn)程監(jiān)控、電液氣聯(lián)控、自動(dòng)送鉆、一體化儀表系統(tǒng)、游車防碰等控制系統(tǒng)間的高速通訊，上位工控機(jī)和遠(yuǎn)程工控機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控、儲(chǔ)存各個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)并提供故障診斷信息。上位工控機(jī)、遠(yuǎn)程工控機(jī)與S7-400H熱冗余主站PLC通過光纖通信組成一個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)；自動(dòng)化級(jí)（PLC）、數(shù)字傳動(dòng)級(jí)、司泵操作臺(tái)和司鉆操作臺(tái)通過熱冗余PROFIBUS-DP構(gòu)成雙總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，參數(shù)雙向傳遞，顯示一體化鉆井儀表參數(shù)及畫面，各種狀態(tài)提示和幫助文本顯示，為鉆井工藝創(chuàng)建一個(gè)數(shù)字化、信息化、智能化的管理平臺(tái)和友好的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)各裝置的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和故障監(jiān)控，優(yōu)化控制和監(jiān)測整個(gè)鉆井過程。系統(tǒng)操作與監(jiān)控具有兩種模式：PLC正常模式與繼電器應(yīng)急模式。

司鉆操作臺(tái)具有鉆機(jī)操作和鉆井參數(shù)實(shí)時(shí)顯示、電氣系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控與顯示、故障顯示、報(bào)警的齊備功能。

司泵操作臺(tái)獨(dú)立在泵房區(qū)放置，可以實(shí)現(xiàn)正常與應(yīng)急操作，通過指示燈顯示系統(tǒng)基本的的運(yùn)行狀態(tài)。

系統(tǒng)采用西門子最高性能的S7-400H熱冗余PLC和Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)（雙總線）進(jìn)行絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵、自動(dòng)送鉆變頻系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)快速傳輸，并可通過觸摸屏、顯示屏、工控機(jī)、遠(yuǎn)程電腦實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、操作、故障報(bào)警、參量修改、診斷、存儲(chǔ)、記錄等功能。可以監(jiān)控的參數(shù)主要有：柴油機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)、發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)、變頻器運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)、系統(tǒng)操作與運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)故障與報(bào)警信號(hào)、誤操作信號(hào)、MCC運(yùn)行狀態(tài)、游車運(yùn)行狀態(tài)、一體化鉆井儀表等。

采用PLC和Profibus現(xiàn)場總線控制和變頻調(diào)速結(jié)合的總線控制系統(tǒng)具有以下的技術(shù)特點(diǎn)：

（1）    采用矢量控制的絞車電機(jī)四象限運(yùn)行和游車位置閉環(huán)的防碰功能；

（2）    恒鉆壓自動(dòng)送鉆技術(shù)；

（3）    PLC和總線控制；

（4）    一體化司鉆臺(tái)和一體化儀表系統(tǒng)；

（5） 操作和鉆井參數(shù)實(shí)時(shí)顯示、電氣系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控與顯示、故障顯示、報(bào)警與安全停車的齊備功能，為鉆井工藝創(chuàng)建一個(gè)數(shù)字化、信息化、智能化的管理平臺(tái)和友好的人機(jī)界面。

司鉆操作系統(tǒng)在PLC正常操作方式時(shí)鉆機(jī)操作和監(jiān)控的全部功能，主要包括：發(fā)電機(jī)系統(tǒng)指示燈，各操作開關(guān)與給定手輪/手柄，主電機(jī)風(fēng)機(jī)運(yùn)行指示燈，主電機(jī)運(yùn)行指示燈，指重表，泵壓表，觸摸屏，顯示屏等。觸摸屏和顯示屏可以顯示鉆機(jī)系統(tǒng)相關(guān)的運(yùn)行與監(jiān)控參數(shù)，同時(shí)具有參數(shù)設(shè)定功能。通常乘坐一體化鉆井儀表系統(tǒng)。

彩色觸摸屏、顯示屏主要功能：

1、設(shè)定自動(dòng)送鉆參數(shù)，設(shè)定游車防碰系統(tǒng)參數(shù)等。

2、查看所有在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

3、報(bào)警信息提示司鉆關(guān)注提示到的設(shè)備狀況。

4、故障信息提示司鉆關(guān)注已產(chǎn)生故障的設(shè)備。

5、顯示主要鉆井參數(shù)：懸重、鉆壓、井深、機(jī)械鉆速、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)盤扭矩、泥漿壓力、泥漿返回量、泵沖、液位（3罐）、游車位置、噸.公里及衍生的其他參數(shù)。

6、安全防護(hù)信息。

7、誤操作信息與誤操作保護(hù)。

8、故障診斷信息。

系統(tǒng)還配置了司泵操作臺(tái)，以指示燈顯示系統(tǒng)的基本運(yùn)行狀態(tài)。在取得司鉆授權(quán)后可以操作泥漿泵。

在配置總線系統(tǒng)時(shí)建議將多臺(tái)工控機(jī)聯(lián)入工業(yè)以太網(wǎng)，Prfibus總線僅連接主傳動(dòng)設(shè)備，這樣可以避免其它非主要設(shè)備的調(diào)試安裝及故障維護(hù)影響主傳動(dòng)設(shè)備。

一體化儀表系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集單元（現(xiàn)場的傳感器、編碼器、變送器等），PLC經(jīng)過計(jì)算、處理，在觸摸屏、顯示屏、上位工控機(jī)、遠(yuǎn)程工控機(jī)上顯示以下鉆井參數(shù)：懸重、鉆壓、井深、機(jī)械鉆速、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)盤扭矩、泵沖、泵壓、泥漿池液位、出口返回量、總泵次、游車位置、噸.公里及衍生的其他參數(shù)。

電、氣、液聯(lián)控系統(tǒng)：

PLC總線系統(tǒng)根據(jù)司鉆工的操作信號(hào)去控制閥島完成一些氣、液操作，并根據(jù)故障情況完成盤剎自動(dòng)抱閘、轉(zhuǎn)盤慣性剎車投入等保護(hù)功能。

一體化儀表系統(tǒng)具體主要顯示監(jiān)控以下參數(shù)：

發(fā)電機(jī)組數(shù)據(jù)：各發(fā)電機(jī)電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率等。如果是模擬控制發(fā)電機(jī)組，則需要從控制模塊引出實(shí)際信號(hào)并增加變送器變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸入到PLC。如果是數(shù)字控制發(fā)電機(jī)組則可以直接采用通信方式讀出這些信號(hào)。

傳動(dòng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)：各變頻柜轉(zhuǎn)速、功率、電壓、電流、轉(zhuǎn)矩等。這些數(shù)據(jù)均從變頻器直接通信傳輸?shù)絇LC主站。

其它電氣運(yùn)行情況： MCC運(yùn)行狀態(tài)，各風(fēng)機(jī)、注油泵、噴淋泵等運(yùn)行狀態(tài)。這些信號(hào)一般要從開關(guān)量模塊輸入。

鉆井工藝參數(shù)：懸重、鉆壓、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)盤扭矩、泵壓、大鉗扭矩、入口流量、出口返回量、井深、機(jī)械鉆速、游車位置、噸·公里、鉆時(shí)及衍生的其他參數(shù)。懸重、泵壓、大鉗扭矩和出口返回量測量要安裝傳感器；轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)盤扭矩由全數(shù)字傳動(dòng)系統(tǒng)給出，不需要傳感器；井深、機(jī)械鉆速、游車位置等依據(jù)滾筒編碼器數(shù)據(jù)由PLC程序依據(jù)一定算法計(jì)算；噸·公里依據(jù)滾筒編碼器和懸重傳感器數(shù)據(jù)由PLC程序計(jì)算。
罐區(qū)泵區(qū)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)：泵沖、總泵次、泥漿池液位等。泵沖與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的固定關(guān)系，可由全數(shù)字傳動(dòng)系統(tǒng)給出，不需要傳感器；總泵次由泵沖按照積分算法累計(jì)；泥漿池液位一般安裝超聲波液位傳感器。

綜合以上顯示參數(shù)可以設(shè)定一些報(bào)警設(shè)置，例如液位過高或過低，出口返回量異常等，提醒司鉆注意。

一體化司鉆臺(tái)和一體化儀表系統(tǒng)省卻了體積大、造價(jià)高、安裝復(fù)雜的機(jī)械式參數(shù)儀系統(tǒng)，省卻了許多傳感器，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)性好。傳感器安裝復(fù)雜，維護(hù)麻煩，對(duì)惡劣環(huán)境的承受能力差。從電氣上來說硬件成本增加不多，軟件開發(fā)的工作量增大了。罐區(qū)的傳感器也可以采用ASI（執(zhí)行器-傳感器總線）總線方式以減少接線，可與智能井電共用ASI總線。

三、西門子S7-400H冗余容錯(cuò)系統(tǒng) 在石油鉆機(jī)的應(yīng)用情況

S7-400H熱冗余系統(tǒng)應(yīng)用于陸地石油鉆機(jī)是一次嘗試。我們已經(jīng)成功地將S7-400H PLC應(yīng)用于ZJ50DB鉆機(jī)電控系統(tǒng)。S7-400H在現(xiàn)場運(yùn)行比較穩(wěn)定，熱冗余性能得到充分驗(yàn)證。

特別要提到的是S7-400H熱冗余系統(tǒng)的冗余特性主要是針對(duì)CPU部件，通信部件和通信介質(zhì)而設(shè)計(jì)的。例如當(dāng)網(wǎng)絡(luò)1的通信電纜熱冗余對(duì)現(xiàn)場電磁干擾并不具有“冗余”能力，電磁環(huán)境兼容性方面的設(shè)計(jì)仍然要嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際現(xiàn)場我們見到了一套以S7-300PLC設(shè)計(jì)的軟件冗余雙PLC控制ZJ50LDB變頻傳動(dòng)系統(tǒng)，由于抗干擾措施不足，經(jīng)常發(fā)生通信中斷故障，雙PLC也不頂用。在檢查故障時(shí)從PMU單元上直接手動(dòng)啟動(dòng)變頻器，就發(fā)現(xiàn)兩套PLC通信過程連續(xù)相互切換，第一套中斷后第二套運(yùn)行接著又中斷并轉(zhuǎn)入第一套，每一套都不能穩(wěn)定工作。所以從抗干擾的角度來說單總線和雙總線的能力是一樣的。

但是由于雙總線系統(tǒng)比較復(fù)雜，接線較多，陸地鉆機(jī)又是頻繁移動(dòng)設(shè)備，安裝和拆卸要復(fù)雜一些。所以S7-400H非常適合于高性能要求高可靠性的大型控制場合，而且滿足大規(guī)模系統(tǒng)的大容量控制任務(wù)。例如海洋鉆井平臺(tái)，大型軋鋼工廠，石油煉化工廠等。現(xiàn)在已經(jīng)有新建造的海洋鉆井平臺(tái)開始使用S7-400H熱冗余系統(tǒng)。在發(fā)生故障時(shí)，對(duì)現(xiàn)場用戶維護(hù)人員的實(shí)際維護(hù)能力的要求較高。陸地石油鉆機(jī)電控系統(tǒng)從PLC應(yīng)用的角度來衡量只是一個(gè)中小型系統(tǒng)，如果不要求硬件熱冗余，就可以采用S7-300PLC同樣能夠達(dá)到良好的效果。