基于Win CC的监控系统在钻井顶驱系统中的应用

郝洪亮 常 珍 张 飞

（1．渤海装备辽河重工有限公司电气公司，辽宁 盘锦124010；2．盘锦辽河油田天意石油装备有限公司，辽宁 盘锦124010；3．辽河油田曙光工程技术处，辽宁 盘锦124010）

0 引言

顶驱的全称为顶部驱动装置（Top Drive Drilling System，TDS），它是可以从井架空间上部直接旋转钻柱，沿专用导轨向下钻进，来完成多种钻井操作的钻井机械设备，是一种集成度很高的产品。随着自动化水平、计算机应用技术的不断发展，顶驱装置已成为现代钻井设备发展的重要成果之一。本文将Win CC与PLC相结合，实现了实时趋势监控、报警记录、系统设置等功能，在电控房利用可编程逻辑控制器（PLC）来完成数据的采集和上传，形成了一套独立完整的自动化监控系统。

1 Win CC及PLC简介

Win CC是西门子视窗控制中心（Windows Contr ol Center）的简称，于1996年进入世界工控组态软件市场，由于其追求性能最全面、技术最先进、系统最开放的设计思想，当年就被美国Contr ol Engineering杂志评为最佳H MI软件。Win CC能和不同的控制器进行通讯，因此迅速发展成为最成功的组态软件之一。基于Win CC的监控系统上位机组态软件，具有灵活的复杂可视化组件、强大的标准接口（如OLE、Active X和OPC）、使用方便的脚本语言，由简单任务扩展到复杂任务，可提高现场人员的工作效率。PLC取代传统继电器控制装置以来发展迅速，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也在不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、网络控制技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着重要作用。

2 背景技术

我公司顶驱控制系统采用SIEMENS可编程控制器（PLC）、Pr ofibus现场总线等先进技术，可完成钻井、旋扣、上卸扣、IBOP控制和井喷时的快速应急操作等顶驱要求的所有功能。上位监控系统软件Win CC功能强大，界面友好，具有较强的自诊断和历史数据记录功能，从而可保证顶驱系统的工作安全可靠。

3 监控系统组成

3．1 系统硬件组成

监控系统的硬件主要由上位机（即监控计算机）、PLC控制柜、远程ET200 M、辅助电机、变频器、通讯电缆和控制电缆等部分组成。基于Win CC及PLC的顶驱监控系统硬件布置如图1所示。

图1 监控系统硬件组成图

3．2 系统通讯方式

PLC系统和其他子站通过Profibus通讯电缆建立连接，系统主控采用SIEMENS S7－300系列可编程控制器（CPU315－2 DP），司钻箱采用ET200 M远程终端模块。

3．3 组态过程

我公司采用的上位机监控系统组态过程分为3个部分：（1）界面设计：根据钻井实际工况和顶驱实际应用情况，设计应该达到运行可靠、操作方便、界面友好、图形显示直观、操作方便的要求。（2）PLC程序设计：通过进行设备的数据采集及I／O点的连接，将控制对象和动作指令要求连接起来，实现监控系统的功能。（3）Win CC和PLC之间的通讯：首先创建Win CC站与自动化系统间的物理连接，在 Win CC项目中添加适当的通道驱动程序，在通道驱动程序适当的通道单元下建立与指定通讯伙伴的连接，并在连接下建立变量，同时还要注意将MPI口与电脑连接。

3．4 界面的设计方式

我公司顶驱Win CC系统主要分为顶驱系统主画面、顶驱系统画面、报警画面、趋势记录画面、系统设置画面和程序监控画面。各种操作界面分别显示不同的信息，大体上有如下4个区域：（1）工具栏：在工具栏内，有画面切换的按钮、当前的日期和时间以及返回主画面。（2）显示区：在屏幕中部，画面显示区是进行监视以及控制操作的区域。（3）标题栏：显示名称和日期。（4）状态栏：显示顶驱状态（非正常／正常状态）。做出任意BYPASS切换，此处均要显示“系统处于非正常状态”，更换元件后撤消屏蔽处理，显示取消。非正常状态下可以应急启动顶驱。

4 实现功能

该系统分为2块区域，左侧一块包括系统登录画面、辅助控制画面、电源系统画面、顶驱系统画面、报警记录画面、趋势记录画面、系统设置画面和程序实时监控。按下某按钮，右侧显示顶驱三维图形，并指示各部件名称。

（1）登录画面：根据实际井场应用情况分为管理员登录和维护人员登录，他们均有不同的操作权限。（2）辅助控制画面：主要监测液压控制系统的通断情况，此画面只能监测到继电器。（3）电源系统画面：主要提供电路工作状态，以电路的形式表现，既直观又与现实中相结合，另外，在主要节点处会加设故障分析、解决方式，可大大减少现场解决问题的难度和时间。（4）顶驱系统画面：主要以动画方式体现工作状态，将顶驱各个机构的工作状态充分显示，具体动作显示如图2所示。（5）报警记录画面：顶驱正常运行情况下蜂鸣器不发出警报语音，否则，系统会根据不同的参数设置发出警示声，提示维护工作人员进行相应的操作，并在故障旁边设有“故障解析”按钮，按下按钮可到达故障解析画面，包括故障原因及简单的处理方案。变频器的故障可通过报文传到PLC，由PLC传送出错误的位置和时间并记录下来，具有可追溯性。变频器的故障解析，直接连接到矢量大全数据库，可以查询到变频器故障原因。（6）趋势记录画面：实时显示需要监控的钻井工况，比如系统电源趋势、实时频率趋势、实时扭矩趋势、实时速度趋势、实时主电机电压趋势、实时电流趋势、实时功率趋势、变频器的输出电压趋势、变频器的输出频率趋势等。实时趋势图与实时钻井工况相符，在显示实时趋势图的同时额定值一直都显示，从而有利于工作人员做出比较。（7）系统设置画面：此画面设置登录权限，另外内部可以设置其他权限，主要分为管理员、用户，需要填入用户名和密码，登录身份不同，权限也不同。管理员可以设置用户的权限及各种参数，而用户只能查看。（8）程序实时监控：此画面监控简单的程序，使现场人员可以看到各输入、输出点的实时状态以及顶驱启动条件等程序段，利于现场工程师快速判断故障点位置。

图2 顶驱系统画面

5 结语

我公司出厂的设备现有2台应用在现场，监控情况良好，能够实时跟踪设备运行情况，出现故障时能够及时报警并记录处理方式。目前，该系统采用的是 Win CC 6．0系统，我们正在进行Win CC 7．0系统的升级研究，将来画面会更加人性化，更易于操作。

［1］罗向阳．基于PLC及Win CC的控制系统在化工污水处理中的应用［J］．机械与电子，2010（S1）

［2］范永强．基于 Win CC及PLC在钻井顶驱监控系统中的应用［J］．中国新技术新产品，2010（18）