基于TIA自动化技术的绞车监视与控制系统设计

资 鹏，石维民，赵永健

（中国水利水电第十四工程局有限公司，昆明 650041）



基于TIA自动化技术的绞车监视与控制系统设计

资 鹏，石维民，赵永健

（中国水利水电第十四工程局有限公司，昆明 650041）

摘 要：依托于西门子博途（TIA）软件平台，探讨了钻机八大件之一绞车的传动控制方法。首先介绍绞车传动系统原理，然后在博途软件下设计其自动控制系统，完成控制系统硬件组态、PLC编程、和HMI编程，最后进行实验验证，表明使用博途自动化软件TIA可以方便地实现传动系统的监视与控制，实现对绞车电机的负载平衡分配。该方法在钻机自动化应用中具有方便、稳定、可靠的优点。

关键词：绞车；TIA；博途

0　引言

随着计算机技术的快速发展，自动控制技术日新月异。以PLC为基础的自动控制系统的设计从以往的上位机系统与下位机系统分别设计的方式逐渐转变成在集成的自动自动化软件平台下完成组态、编程工作，以此为代表的是西门子自动化软件平台TIA的推出，这种转变使各行业自动控制系的设计开发和集成更快捷简便与可靠，在钻机装备制造中也不例外。本文讨论利用博途软件完成钻机绞车模块的控制系统设计，提高钻机制造效率的方法。

博途软件是西门子最新一代自动化框架软件，是西门子集成自动化系列所有用于工程、编程、和调试自动化设备和驱动系统的基础［1，2］。与以往版本按任务独立的自动化软件如Step7、WinCC、WinCC Flexible等软件不同，全新的TIA平台采用统一的工程组态和软件项目环境，几乎适用于所有的自动化任务，让用户节省大量时间，体现了其高效、易用的特点。本文主要使用博途的Step7和WinCC模块。

1　绞车的硬件结构与控制原理

绞车是钻机八大件之一，也是钻机八大系统中起升系统的主要设备。绞车是集机械、电气、液压为一体的机械传动设备。在钻机中主要承担旗下钻具、控制钻压、处理卡转、下套管、起放井架、底座等作用。绞车的主要部件包括滚筒轴、制动机构、传统系统、控制系统、润滑系统、支撑结构、和动力装置［3］。目前钻机市场主流是采用交流变频电驱动绞车。其动力装置一般采用两台交流变频电机、传动机构采用齿轮变速箱，根据钻机具体要还可以选配送钻电机以满足钻井工艺。绞车大致原理和结构如图1、图2所示。

图1　绞车系统简图

图2　绞车结构示意图

交流变频电驱动绞车由交流变频电动机经连轴器同步将动力输入齿轮减速箱输入轴，动力经过经齿轮箱耦合后由齿轮减速后传递到主滚筒轴。制动装置与滚筒主轴相连，实现绞车刹车、悬停等功能。绞车的调速完全由控制系统通过控制变频器实现变频调速以及扭矩的控制，本文则主要讨论绞车主电机的传动控制。

1.1绞车主回路

绞车主回路电路与原理如图3所示，其中变频器采用ABB公司的ACS800系列变频器。ABB变频器整流模块将交流母线上的交流电转化成直流母排上的直流电源。逆变器将直流母排上直流电转换成频率可控的交流电源并分别输送给各个变频电动机［4］。另外直流母线上的制动斩波器和制动电阻构成直流回路。绞车下放钻杆的时候产生回升电能，制动电阻则通过该直流回路吸收这些回升电能，起能耗制动的作用。

图3　绞车主回路单线图

1.2绞车控制网络

绞车控制系统是钻机控制系统的一部分，所以绞车的控制网络的设计不仅要结合钻机的控制系统整理设计，同时还需要考虑绞车传动控制的特殊要求。如图4所示，钻机一般采用典型的三层工业控制网络。最顶层为人机交互层，主要实现在线监视与控制等功能。中间是PLC站点与各种控制模块，主要完成信号采集与运算任务，实现设备控制逻辑等功能。最底层是各种传感器、执行器等模块，是控制网络的现场设备。其中最顶层由工控机和触摸屏等组成在线监视与控制网络。触摸屏可以实现在线监视和多点控制功能，工控机则完成参数曲线监视以及变量归等功能。上层网络要求高通信速率和较高的可靠性，一般采用以太网通信，可保证较远的传输距离与可靠性。

PLC与现场设备之间的现场总线网络则要求良好的抗干扰性能和较高的通信速率，同时还要考虑系统兼容性、成本、以及钻机控制系统整体要求。而Profibus、moudlebus、Profinet网络是钻机种最常用的几种现场总线控制网络。其中ProfibusDP网络以优良的可靠性、较高的通信速率、良好的市场普及兼容性和低成本成为首选。如图4所示，PLC与变频器的通信模块通过PorfibusDP网联系在一起组成底层通信网络。

图4　绞车控制网络示意图

绞车电传动系统中两台绞车变频电机的动力在齿轮减速箱中耦合后输出到滚筒主轴，在不同的钻井工艺中有时需要双电机工作以提供尽可能大的扭矩，有时需要单电机工作以达到节能的目的。在双电机工作时连个电机功能分担滚筒扭矩，这个过程是由ABB变频控制器实现的。ABB变频器之间通过变频器的ROMI光纤通信模块完成各耦合电机之间的传动参数的传输，使各个电机协调完成扭矩与速度的控制。这样得益于变频器的强大功能，各个电机都能快速响应各自的负载和速度变化，而且还大大减小了PLC的程序复杂程度。

1.3PLC选型

PLC是下位机的控制核心，其选型的依据主要包括系统输入输出点规模、数据计算规模、所需CPU运算速率等。市场上PLC一般分为小型PLC其I/O点数在256点以下，中型PLC其I/O点数介于256至2048之间，和大型PLC其点数大于2048。钻机控制系统输入输出点数在大约在1000以下，因此选用中型PLC。本文所涉及的绞车控制系统选用西门子出品的S7315型PLC，其运算性能优良而且CPU带以太网接口与可配置的ProfibusDP网接口。

1.4上位机系统

如1.2节所述，上位机监控系统由工控机和触摸屏组成。工控机监视软件采用WinCC Runtime，触摸屏采用西门子MultiTouch系列触屏。触屏可以实现多点监控功能，而工控机主要完成数据归档等功能［5］。

2　软件编程

软件编程分两部分，一部分为PLC编程，另一部分是为触屏或工控完成人机交互界面（HMI）。前者使用TIA的Step7模块完成后者用TIA的WinCC模块完成。

STEP7是用于西门子系列工控产品包括SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WinAC的编程、监控和参数设置，是SIMATIC工业软件的重要组成部分。博途软件下集成的Step7组价不仅支持新系列PLCS7-1200、S7-1500，对300400系列PLC完美兼容，在硬件配置和参数设置、通讯组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断等方面的功能更强大、界面更直观和人性化。

SIMATIC WinCC（Windows Control Center）—视窗控制中心（简WinCC）是最常用的HMI软件之一，WinCC以其卓越的使用性能已然成为市场的领导者。目前常用的工控机HMI组态采用SIMATIC WinCC，触屏HMI组态采用WinCC Flexible，在博途中SIMATIC WinCC Professional组件具备所有HMI 功能，包括 SMATIC WinCC Basic、SMATIC WinCC Advance、SMATIC WinCC professional可完成所有触屏和工控机的HMI编程。

2.1设备和网络组态

首先在博途软件里按照设计方案完成设备组态。在博途软件的设备与网络视图中添加相应的设备，然后配置正确的网络连接。相关信息如图5所示，上层工业以太网需为每个设备配置正确的IP地址，线场层ProfibusDP网络需配置正确的站点地址、波特率。须注意在设备与网络视图中添加工控机站点时不仅需添加工控机设备，还要添加以太网卡设备与应用软件WinCC RT Professional作为工控机选配模块。对于变频器站点，只需添加变频器通信模块，在此之前还需要先安装变频器厂商提供的相应设备的GSD文件，最后在变频器站点配置所需要的PPO消息字段。PPO消息字段是PLC通过总线网络与各通信站点进行信息交换的I/O地址段。

图5　绞车监控系统设备组态

2.2下位机PLC编程

完成设备和网络组态后在项目树的设备标签下可以找到所所添加的PLC站点。站点里包含该PLC站点的程序块、数据库、变量表、工艺对象等所有相关数据。编程前首先根据程序流程图规划所需的主要数据，在程序块文件夹下建立相应的数据块。程序块文件夹下建立所需的函数模块FB或FC。博途提供多种编程语言，包括梯形图LAD、功能块FBD、语句表STL或SCL语言，可以实现使用两种以上的语言混合编程。博途软件采用块文件夹对程序块和数据块进行管理，提高了程序的管理效率与可读性。

图6　程序理简要流程

图7　TIA中的S7编程

2.3触屏编程

与PLC站定相似，每个触摸屏的工程文件都包含在站点文件夹内，每个触屏站点下包含画面、HMI变量、连接、脚本、报表等文件夹。在画面文件夹下便新建HMI画面，组态按钮、I/O域、文本域、图形域等控件。对于触屏HMI变量的使用，可以直接从PLC站点下的DB块、变量表中用鼠标拖拽到画面里或HMI变量表里，系统会在该站点下自动为变量添加正确的网络连接，使下位机系统与上位机系统的衔接、集成更方便。最后再根据需要完成脚本程序代码，触屏HMI可以使用VB脚本实现上位机控制功能和计算任务。

2.4工控机编程

工控机站点下的HMI RunTime模块下包含工控机HMI工程文件，与触摸屏站点相似。除在脚本程序方面，RunTime功能更强大，不仅支持VB代码还支持VC代码。其余的编程方法也与触摸屏完全相同。

3　实验室调试验证

调试前应首先检查硬件设备并按照设计原理检查电路，正确无误后给系统合闸上电，并按一下步骤进行调试验证。

1）从操作面板为各变频器配置正确的参数。主要包括：（1）Profibus通信参数如地址、波特率、PPO类型、以及PPO字段中的参数指针和用于主从传动应用的光纤通信参数等；（2）电机传动参数并包括进行电机辨识，如电机额定电压、额定电流、功率、功率因数等；（3）其他必要的应用参数，如电机的主从耦合应用参数组。

2）下载PLC程序至CPU，并用博途软件在线调试功能，排除程序逻辑错误。

3）下载HMI程序至触摸屏，并在线调试排除逻辑错误，和运行WinCCRunTime排除工控机HMI程序的逻辑错误。

图8　触屏与变频器调试

其中对于电传动系统中电机的主从应用，主从电机的典型耦合方式包括齿轮耦合、链条耦合、皮带轮耦合。前两者属于刚性耦合，适宜采用扭矩控制模式、第三种属于柔性耦合适宜采用速度控制模式。对于绞车电传动系统，如上文所述绞车电机A和绞车电机B通过齿轮耦合，所以需配置从机变频器参数组为扭矩控制模式。

图9　工控机HMI调试

对于主电机和从电机的主控字工作方式又有独立控制、从属控制、混合方式。独立控制是指主、从电机变频分别从现场总线拾取PLC发送的主控字与给定值。从属控制方式是指PLC只为主机发送主控字与给定值，从机的控制字和给定由主机通过光纤链路发送至从机。混合方式则介于两者之间，从机的控制字由PLC与主机的控制字组合而成。三总方式可根据具体控制需求随意选择，并通过配置变频器的主从应用参数组实现。

4　结束语

本文以钻机绞车系统为对象，采用西门子博途软件为自动化平台，实现了绞车控制系统的集成化设计、编程、调试。调试过程表明采用TIA集成自动化软件具有很多优点。博途软件具有友好的人机界面，统一的项目平台有利于项目文件的集成管理，提高了工程文件管理效率。博途是一个自动化集成平台，它有利于技术人员调高开发效率、方便交流，使技术人员以最少的变量连接实现最优化的设计。尤其是博途软件采用统一平台使Step7与WinCC之间无缝连接，所有的变量只需要输入一次不仅大大减少了工程组态时间、降低了成本，同时这种集中的数据管理机制让还减小了错误的风险。博途软件对于新老型号的自动化设备具备良好的兼容性。可以看出集成化的自动化组态软件是自动化的发展方向。利用如像博途这种集成自动化软件完成工程项目能大幅提高效率，节约成本。

参考文献：

［1］ 张立众，马永翔.钻机绞车PLC控制系统的研究与设计［J］.化工自动化及仪表，2011，38（5）.

［2］ 周雨松.一种基于S7-300PLC的石油钻机绞车提升高度的控制系统［J］.自动化技术与应用.2015，34（9）.

［3］ 张天生.电动钻机绞车控制研究［J］.电气传动.2012，42（8）.

［4］ 张伟.ABB变频器在石油钻机中的应用研究［J］.中国石油和化工标准与质量.2013，（2）.

［5］ 王颖.WinCC Flexible在钻机电控系统中的应用［J］.工业控制计算机.2013，26（8）.

Monitor and control system design of drawworks based on TIA automation technique

ZI Peng， SHI Wei-min， ZHAO Yong-jian

中图分类号：TP23

文献标识码：B

文章编号：1009-0134（2016）05-0124-04

收稿日期：2016-01-07

作者简介：资鹏（1989 -），男，云南陆良人，硕士研究生，研究方向为机械自动化。