陆地石油钻机大钩高度保护系统

赵 芳，谌海云，易 伟，唐 敏，李 静

（1.西南石油大学电气信息学院，四川成都 610500；2.四川昆仑石油设备制造有限公司，四川成都 610500；3.吐哈油田三塘湖采油厂，新疆哈密 839000；4.中原油田普光分公司采气厂，四川达州 636150）

1 引言

大钩是陆地石油钻机配套的设备，主要是用于油田深、浅钻井作业中提升和下放管柱的工具，是钻井作业中必不可少的起重设备。由于钻杆很重，即大钩的负荷很重，若不控制大钩的高度，上碰可能会撞坏石油钻机天车，下砸可能会砸坏转盘，造成不能生产。因此，确保大钩的高度在一定范围内的意义重大。之前的石油钻机会在绞车上装一个过卷阀，机械上保证不会上碰天车，但不能保证不下砸，功能不齐全，并且精度差，容易误动作。本次设计完全根据大钩的位置来准确控制，让大钩在上碰点和下砸点之间运动，避免事故的发生。

本次设计采用的编码器是增量型编码器RHI90N-OIAK1R61N-1024，此为高精度编码器，在大钩上下多次来回运行后仍然能保持零位。因此，不用经常去校核零位。而国内的同类产品其精度相对较低，且在大钩上下运行后不能归零，这样来回次数多了就会产生累计误差。

本系统使用的S7-300是模块化小型PLC系统，主要面向制造工程的系统解决方案［1］。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与S7-200 PLC相比较，S7-300 PLC采用模块化结构，具备高速（0.6-0.1μs）的指令运算速度；集成了方便的人机界面（HMI）服务，使得人机对话的编程要求大大减少；具备强大的通信功能，S7-300 PLC可通过编程软件Step 7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。S7-300 PLC具有多种不同的通信接口，如多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATIC S7／M7／C7等自动化控制系统［2］。

2 总体设计

本系统通过对编码器数据的读取，将其转换为大钩的实际高度，实现对大钩高度的精确测量。对测量的大钩实际高度与设定的大钩保护上行下行点进行对比，通过PLC输出控制指令，控制司钻房气路电磁阀的动作控制盘式刹车做出相应的动作，确保大钩不超出设定范围，其系统流程如图1所示。

本系统包括了硬件组态模块、逻辑判断模块等，系统结构如图2所示。

图1 系统流程图

图2 系统结构图

硬件组态模块是指编辑人员根据项目实际情况编辑硬件组态。进行正确的编辑后，编译保存再执行下载。在线诊断可查看网络连接和设备的运行状态是否正确。另外在线时，如果编辑保存的组态与CPU中保存的内容不一致，则会给出提示。

逻辑判断模块主要是判断经过转换后的大钩位置和设定的位置输出控制电磁阀，电磁阀动作盘刹刹车。

设备控制模块的功能是满足输出条件，则由本系统给出指令控制相应的设备。如果通过反馈得知系统相关设备未执行输出，则重启输出或报警。

HMI（人机界面）显示是通过触摸屏实时显示本系统所属各个设备的电气运行数据和状态，让操作人员随时掌握钻机设备的运行情况和数据，方便操作人员的操作和设备维护人员的诊断。

3 FM350计数模块

FM350-1是一款用于高速计数的单通道智能计数模板，可以连接源型、漏型以及推挽式接口的编码器，具有软件门和硬件门控制计数和测量，带比较值输出。可以在IMI53-1、IMI53-2、S7-300系统中使用。

3.1 硬件组态

在SIMATIC Manager中新建一个项目，双击“Hardware”进入硬件组态界面后，按照所需模块进行硬件组态，如图3所示。插入FM350模块，进行FM350-1的参数配置，其参数配置如图4所示。

其中Encoder是用来设置编码器类型的选择、最高计数频率等信息。确认完相关参数后，保存配置信息，在硬件组态窗口中下载系统的硬件组态到CPU。

图3 硬件组态

图4 参数配置

3.2 程序编写

安装完组态包后，在STEP7的库中添加库程序，在编程之前需要将库程序中的所有内容复制到项目中。对于FM350-1，使用UDT-2创建一个共享DB块。在DB1中，分别写入模块地址和通道地址。设置好OB1、FC2、DB1并下载到CPU中。创建一个背景数据块DB用于HMI显示用。

4 系统的组态与仿真

WinCC flexible与WinCC十分类似，都是组态软件，而前者基于触摸屏，后者基于工控机。本系统采用了WinCC flexible组态软件，它是一种前瞻性的面向机器的自动化概念的HMI软件，具有舒适而高效的设计。WinCC flexible用于组态用户界面，建立的组态数据包括：①过程画面：用于显示过程。②变量：用于运行时在PLC和HMI设备之间传送数据。③报警：运行中发生故障时显示报警状态。④记录：用于保存过程值和报警［3］。图5所示为本系统的仿真图。

图5 系统的仿真

WinCC flexible支持多个不同自动化概念的组态。本次设计中HMI设备通过PROFIBUS总线与PLC连接［4］。在 WinCC flexible中，与 SIMATIC STEP 7的集成，其过程标签提供了PLC和HMI系统之间的通讯连接。如果没有全集成自动化的优点，每个变量必须定义两次，一次用于PLC，一次用于HMI系统。SIMATIC STEP 7与组态用户界面中的集成将降低出错率并减少组态工作量。WinCC flexible通过变量和区域指针控制HMI和PLC之间的通迅。在WinCC flexible中，变量包括外部变量和内部变量。外部变量是HMI设备和PLC进行数据交换的媒介。在WinCC flexible中创建一个外部变量，必须为其指定与PLC程序中相同的地址，这样HMI设备和PLC可以访问同一映像寄存器，实现HMI设备与PLC之间的通信。

通常情况下，为了防止未经制授权的操作，需要通过用户管理设置安全系统。在WinCC flexible软件中，在运行系统管理里根据用户的需要定义包括操作、监视、管理等权限。

5 结束语

本系统可对陆地石油钻机的大钩高度进行精确的测量，对测量大钩实际高度与设定的大钩保护的上碰下砸点进行对比，通过PLC输出控制指令，通过控制司钻房气路电磁阀的动作控制盘式刹车，确保大钩不超出设定范围。从仿真的效果来看，达到了设计的目的。

［1］郁汉琪等.电气控制与可编程序控制器应用技术，南京：华南大学出版社，2003.

［2］西门子（中国）自动化与驱动集团.深入浅出西门子S7-300PLC.北京：北京航空航天大学出版社，2004.

［3］刘华波，王雪等.组态软件WinCC及其应用，北京：机械工业出版社，2009.

［4］崔坚，李佳.西门子工业网通信指南［M］.北京：机械工业出版社，2005.