S7-1500系列PLC在顶驱电控系统中的应用

李崇博，李艳琴，王军鸽

（西安宝美电气工业有限公司，陕西西安710077）

S7-1500系列PLC在顶驱电控系统中的应用

李崇博，李艳琴，王军鸽

（西安宝美电气工业有限公司，陕西西安710077）

介绍了一种在顶驱控制技术国产化的过程中采用S7-1500系列PLC作为主控制器的顶驱控制系统。从顶驱电控系统组成着手，通过功能介绍、硬件选型和软件设计，系统地阐述了S7-1500系列PLC在顶驱电控系统中的应用，该系统控制线路简单、安全可靠、便于维护，且与PLC通讯的HMI（人机界面）具有故障信息显示及高级控制权限的设置。

石油；顶驱；电控系统；S7-1500

1 引言

顶驱的全称为顶部驱动钻井装置TDS（Top Drive Drilling System），顶部驱动技术是转盘钻机问世以来的几项重大技术变革之一。自1981年12月美国Varco公司首发研制的顶部驱动系统投入使用以来，顶驱逐渐被各国石油钻井界所采用。目前，浅海上钻井船或平台，几乎全部配备了顶驱，陆地石油钻机也越来越多地配备顶驱。继美国Varco公司之后，挪威的Maritime Hydraulics公司、法国的ACB-Bretbr公司和Triten公司、美国的National-Oilwell公司、加拿大的Canrig公司和Tesco公司等都研制和使用顶驱。由于国外顶驱的购买价格、供货原因等因素对我国顶驱使用的制约，近十年来，国内众多厂家不断研发顶驱技术，随着顶驱产品在国内外市场中的投入使用，顶驱技术的国产化日趋成熟。顶驱是机、电、液相结合的装置，其控制系统是一种典型的电液控制系统，其控制对象校多，并且要求各个控制对象之间逻辑严格，因此控制难度较大。

目前国内外顶驱控制系统主要以S7-300系列PLC为核心，采用Profibus总线进行控制。随着自动化技术的不断发展，自动化控制产品功能不断更新，本文结合生产实际，介绍使用新一代S7-1500系列PLC为核心，采用Profinet网络控制的顶驱控制系统。

2顶驱电控系统组成

结合顶驱机械本体的功能和组成，顶驱电控系统主要包括顶驱电控房、顶驱操作台和顶驱本体分线箱3大部分，通过这3大部分实现顶驱中心管运转和辅助机械动作的两大功能，顶驱电控系统组成如图1所示。

顶驱电控房内主要安装有驱动顶驱电机的变频器和综合控制柜（中心站），来实现顶驱主电机的运转及整个控制系统的功能。

顶驱操作台布置在钻台面的司钻房内，司钻通过操作台对所需要的液压动作、顶驱运转等功能进行操作。

在钻井作业过程中，顶驱根据工况要求在游车的带动下频繁地上提和下放，从而连接顶驱的动力电缆和控制电缆也会不断的进行游动。由于顶驱本体上会存在污染物、外界自然环境的影响和频繁的游动等原因，动力电缆和控制电缆都要经过特殊加工，分别密封在一个防护橡胶套内，具有防油、防砸、抗拉等独有的特点。由于安装和维护的原因，控制电缆不能直接连接到顶驱本体的各个电磁阀或者传感器上，需要通过一个将多芯电缆信号转接的器件，分线箱就承担了此功能。

图1顶驱电控系统组成示意图

3顶驱控制系统

3.1 S7-1500PLC简介

Simatic S7-1500是在2013年3月推出新一代PLC控制器，该产品专为中高端设备和工厂自动化设计使用，以高性能和高效率的优势脱颖而出。其创新的设计使调试和可靠安全的操作简单便捷，且集成于TIA博途的诊断功能通过简单配置即可实现对设备运行状态的诊断，简化了工程组态，降低了项目成本。

S7-1500 PLC的新颖之处在于CPU，其CPU的响应时间达到纳秒级别，集成式的CPU显示面板，可以进行相应的调试和诊断，内置的Profinet可确保精准的响应及设备的高精度操作。

3.2控制系统总体介绍

为实现顶驱的两大机械功能，控制系统也设计成对应的两大部分，第一部分是实现中心管运转的驱动，采用通用变频器实现。第二部分是实现机械液压动作和互锁逻辑的控制，也是整个电控系统主要实现的功能，系统采用Simatic S7-1500系列PLC来实现。

由于作业现场用电设备较多，为了最大程度上减少外界用电设备电磁干扰对控制系统的影响，控制系统的通讯采用Profient网络。

为实现第二部分功能，结合电控系统的基本组成，在整个控制系统中将S7-1500的CPU、HMI、信号隔离继电器和其它辅助电器元件统一安装在综合控制柜内。变频器和S7-1500系列PLC通过Profinet网络传输数据，综合柜内的PLC对数据指令进行处理、运算和执行，然后下达控制指令给变频器，经过电机和减速箱的传动，最终实现中心管的运转。HMI通过Profinet网络显示顶驱的状态以及相关的数据，也可以进行一定操作权限的设置。

进行功能操作的顶驱操作台面板上安装有控制顶驱电机运转及液压动作的逻辑开关，内部安装有PLC远程站点模块。操作人员通过操作开关将指令信号送入操作台内的PLC远程模块，综合控制柜内的PLC中心站和操作台上的PLC远程站通过多芯电缆和Profinet网络进行数据交换，由PLC中心站进行数据和逻辑运算，发出对应功能的执行指令。

顶驱本体分线箱是将电控房内综合控制柜的多路控制信号进行转接，然后从分线箱将控制信号分别连接到各个电磁阀和传感器，形成末端的信号采集和执行。

3.3控制对象及工艺要求

对于控制系统而言，最终的目标就是控制对象准确和可靠的运行，那么就需要了解控制对象的特点和工艺，顶驱所要控制的主要对象如表1所示。

表1控制对象

按照功能分类，液压动作有7个主要动作:吊卡的浮动／定位、吊环的前移／后移、旋转头的松开／锁紧、旋转头左转／右转、背钳的加紧／松开、内防喷器打开／关闭、盘刹刹车／释放。

在控制过程中所选PLC模块要满足以下的控制逻辑要求。

（1）吊环进行前移／后移动作，吊环必须处于定位状态；

（2）吊环进行左转／右转动作；吊环必须处于浮动状态；

（3）旋转头进行锁紧动作，吊环必须处于浮动状态；

（4）背钳进行加紧动作，旋转头必须处于锁紧状态；

（5）背钳加紧后，吊环的前后倾动作无效，旋转头锁紧开关不能打开。

3.4 PLC系统基本选型及控制网络拓扑结构

根据表1所列的控制对象、信号类型，和所列出的控制要求，进行PLC模块的选型，基本的选型信息如表2所示。数字量信号输入／输出模块接线图如图2所示，模拟量信号输入输出接线图如图3所示。

表2 S7-1500主要模块信息

图2 DI／DO模块地址定义接线图

图3 AI／AO模块地址定义接线图

将PLC模块硬件和Proifnet网络通过TIA博途软件进行硬件组态配置后，其硬件及其网络拓扑图如图4所示。

图4顶驱PLC组态及网络拓扑图

3.5软件设计

硬件功能的实现依赖于软件的运行，顶驱系统软件包括两部分，一是PLC程序，二是HMI画面程序。

PLC程序由主程序、功能块子程序、算法子程序、故障诊断程序和通讯程序等部分组成。整个控制系统的主要功能由功能块子程序执行，功能块子程序有6个，其主要控制功能如下。

（1）液压站控制子程序实现液压站的启动、停止、故障以及互锁功能进行控制。

（2）主电机控制子程序实现主电机数量、旋转方向、控制模式、速度给定以及扭矩大小的控制。

（3）电磁阀控制子程序实现表1中电磁阀及电磁阀之间互锁功能控制。

（4）模拟量输入控制子程序实现速度给定、扭矩限制、传感器信号的预处理。

（5）模拟量输出控制子程序实现速度输出、扭矩输出信号的预处理。

（6）功能互锁控制子程序主要是对液压站子控制程序、主电机控制子程序、液压电磁阀和模拟输入子程序之间的互锁要求进行控制。

结合变频器和PLC控制程序，使用WinCC（Windows Control Center）--视窗控制中心软件，设计HMI程序对顶驱各个控制对象的状态以及钻井参数进行实时的监控，如图5所示。

图5顶驱上位工控机画面

4结束语

Simatic S7-1500是近几年来新推出一代的可编程控制器，结合TIA博途作为控制系统的开发平台，简化了线路的设计，提高了故障诊断的能力，在维护方面也给用户提供了便利。控制信号丢失直接可通过CPU上的显示面板得到诊断，用户只需要维护外围的硬件信号。操作人员对于程序内部无需了解，只需了解顶驱操作流程，当操作流程错误后，系统不会执行操作指令，避免了操作失误引发的生产事故。HMI实时监控顶驱运行状态，并记录主要参数曲线及报警记录，曲线可进行打印，报表为后续作业进行数据分析。也可在HMI上对顶驱反转和逻辑互锁功能进行权限设置，以适应现场作业的需求。

［1］张奇志.电动钻机自动化技术.石油工业出版社，2006.

［2］西门子（中国）有限公司数字化工厂集团.Simatic S7-1500可编程控制器，2015.

［3］西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团.深入浅出Wincc V6，北京航空航天大学出版社，2004.

［4］西门子（中国）有限公司工业自动化集团.西门子TIA博途软件.

Application of S7-1500 series PLC in the electric control system of top drive

LI Chong-bo，LI Yan-qin，WANG Jun-ge
（Xi’an Bomay Electric Industries Co.，Ltd.，Xi’an 710077，China）

Aiming at the progressing of the national localization for the top drive control technology，a novel kind of top drive control system which adopts Siemens S7-1500 Series PLC as the main controller is presented.Proceeding from the composition of the top drive control system and the introduction to the functions，the hardware selection and the software design of the system，the applications of S7-1500 series PLC in the electric control system of top drive are described.The system has simple control circuit，safe and reliable characteristics and is easy for maintenance，and its HMI（human machine interface）communicating with PLC has fault information displaying and advanced access control setting functions.

oil；top drive；electric control system；S7-1500

TP273

B

李崇博（1981-），男，工程师，陕西咸阳人，2005年毕业于西安理工大学机电系统智能控制专业，现就职于西安宝美电气工业有限公司，主要从事石油钻机电驱动控制系统设计、研究及服务工作。

2016-06-15

1005—7277（2016）04—0055—04