1、引言

石油電驅動鉆機是近年來發展非常快的鉆井專用裝備，廣泛應用于國內外各大油田的開發。進入20世紀90年代，石油鉆機的控制系統已由模擬式控制技術逐步轉化為數字式控制技術，由繼電器控制模式逐步轉化為總線智能控制模式，并繼續朝著智能化控制方向發展和改進。由于profibus-dp現場總線技術比較成熟，可靠性高，模塊化功能強大，組態靈活方便，故障率低，現場維護方便，現已廣泛應用于電驅動鉆機系統中。

本文將從石油鉆機井場情況進行分析，介紹在石油鉆機電傳動系統中profibus-dp現場總線的應用情況，并以一套普通zj40d鉆機電傳動系統為例，介紹了profibus-dp現場總線的具體應用。

2、profibus-dp通信

隨著計算機控制技術的日新月異，工業控制結構正發生著巨大的變化。profibus是目前國際上通用的現場總線標準之一，已被納入現場總線的國際標準iec 61158和歐洲標準en 50170，并于2006年批準發布中國國家標準gb/t 20540-2006 profibus規范。profibus是一種用于工廠自動化車間級監控和現場設備層數據通信與控制的現場總線技術，可實現現場設備層到車間級監控的分散式數字控制和現場通信網絡，從而為實現工廠綜合自動化和現場設備智能化提供了可行的解決方案。它以其獨特的技術特點、嚴格的認證規范、開放的標準、眾多廠商的支持和不斷發展的應用行規，profibus是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產商的現場總線標準，廣泛適用于制造業自動化、流程工業自動化和樓宇、交通電力等其他領域自動化。

profibus是siemens公司提出的一種適用于所有現場應用的開放式工業控制現場總線標準。profibus由三部分組成，即profibus-dp（分布式外圍設備）、profibus-pa（過程自動化）和profibus-fms（現場總線報文規范）。在profibus現場總線中，profibus-dp（簡稱dp協議）的應用最廣。dp協議是一種高速低成本通信，主要用于plc與分布式i/o和現場設備的高速數據通信。profibus-dp用于基礎控制層的高速數據傳送，主站周期地讀取從站的輸入信息，并周期地向從站發送輸出信息。profibus-dp的基本特性為：在一個有著32個站點的分布系統中，profibus-dp對所有站點傳送512bps輸入和512bps輸出，在傳輸速率為12mbps時，總線循環時間僅為1ms；經過擴展的profibus-dp診斷能對故障快速定位。診斷信息在總線上傳輸并由主站采集。診斷信息分3級：本站診斷操作、模塊診斷操作和通過診斷操作；rs-485制式雙絞線，雙線電纜或光纜，波特率從9.6kbit/s到12mbit/s；總線存取支持單主或多主系統。各主站間令牌傳遞，主站與從站間為主-從傳送；線形、星形、環形以及可選的光纖雙環形冗余拓撲結構。profibus-dp的上述特點使其在工業電氣自動化領域占據了重要的地位。

3、石油鉆機電氣傳動系統

石油天然氣勘探與開發用鉆機是由動力機、傳動機與多工作機組成的成套性聯合機組，屬于重型機械裝備。它主要包括旋轉鉆進系統、鉆井液循環系統、鉆具起升系統、動力機組、傳動和控制系統、底座和其他輔助設備等。其中，轉盤、絞車和泥漿泵是鉆機最主要的三大部件。

3.1 鉆機電控功能

本文以一套普通zj40d鉆機電傳動系統為例，介紹profibus-dp現場總線的具體應用。電驅動鉆機電傳動系統結構如圖1所示。zj40d鉆機電傳動系統主要完成以下功能：

對絞車電機，完成單臺電機的正、反轉控制及調速功能；對轉盤電機，完成單臺電機的正、反轉控制、調速及扭矩限制功能；對泥漿泵電機，完成每臺電機的啟、停及調速功能；自動送鉆電機，完成電機的正、反轉控制及調速功能；完成以上電機的風機、油泵及其它輔助電機的啟、停聯鎖控制；完成大鉤位置的顯示以及防止上碰、下砸的功能；完成部分鉆井參數的讀取及顯示。

圖1 zj40d電氣傳動系統

3.2 鉆機電控組成

zj40d石油電驅動鉆機電傳動系統主要由以下部分組成：

（1） 1個simense s7-300 plc；

（2） 6個simense 6ra70直流調速器，分別控制1mpa、1mpb、2mpa、2mpb、rt、dw，一對一控制；

（3） 1個simense 6se71變頻柜，用于控制abf；

（4） 2個mp370觸摸屏，分別安裝于綜合柜門板和司鉆臺面板；

（5） 1個司鉆臺，包括et200遠程模塊。

（6） 5個mcc（電機控制中心）控制柜。

電傳動系統中的直流調速器、變頻柜、觸摸屏、plc以及遠程模塊，采用最少的硬件連接，依靠profibus-dp協議進行通信。硬件組態和軟件編程工作在step7軟件中實現。系統硬件組態如圖2所示。

圖2 zj40d組態圖

首先在step7中組態一個s7-300站，其中集成dp口選擇為主站模式。然后，在profibus-dp的硬件列表中，按照實際器件型號，選擇對應的硬件從站型號，拖拽到dp主站總線上，每一臺硬件從站設備都需要設定好單獨的profibus-dp地址。需要注意的是，觸摸屏mp370的組態過程需要在protool軟件里完成。這樣，電傳動系統的硬件組態過程就完成了。

4、dp協議應用設計

4.1 通信編程與參數設置

系統硬件組態完成后，基于profibus-dp的plc與各外圍設備之間的數據傳輸是整個電傳動系統的控制關鍵。由于基于profibus-dp的plc與各設備進行數據傳輸的方式是基本一致的，所以下文以plc與abf6se71變頻柜之間的數據傳輸為例對profibus-dp通信進行介紹。

硬件組態后的abf通信區地址如圖3所示，地址區i576-595共10個字，分別對應pzd1--pzd10共10個傳輸控制數據。其中，pzd1為abf控制字1，pzd2為abf主給定，pzd3為abf控制字2。這樣，西門子s7-300 plc通過profibus-dp總線對6se71控制字的16位分別進行置位、復位，同時也對6se71施加了給定，這樣就可實現6se71變頻柜對所連接變頻電機的各項控制。

圖3 abf通信區

具體傳輸時，使用系統功能sfc15，將數據寫入profibus-dp從站。在step7里編程如圖4所示，便將數據表中的四個待傳字傳送到6se71變頻器對應的地址單元i576—583。依此方式，繼續向6se71變頻器傳送余下的6個字。

圖4 通信傳輸程序

同樣，plc也可以將6se71變頻柜的狀態字或運行數據讀入plc，以供plc內部程序處理需要。具體讀取時，使用系統功能sfc14，將數據從profibus-dp從站讀入plc。在step7里編程如圖5所示，便將6se71變頻柜地址為q576-583的四個字讀入到plc中的數據表中。

圖5 通信讀取程序

要使6se71變頻柜能夠用plc通過profibus-dp進行控制，也需要對變頻器的參數進行設置。主要參數設置有：

p918=12；（6se71從站地址）

p554.001=3100，

.002=22；（起動）

p443.001=3002，

.002=544；（主給定）

p566.001=3107，

.002=10；（復位）

p734.001=32；（狀態字1）

.002=151；（實際速度）

.003=33；（狀態字2）

依照以上設定方式，逐一對各直流調速柜進行設定后，進行系統聯調，電傳動系統能夠按照設定要求可靠工作。

4.2 現場總線抗干擾對策

在大型的設備運行調試過程中， 減少干擾是最基本的，這是全數字控制系統的一個重要問題。抗干擾設計是傳動系統的重點綜合性問題，本設計中也存在這樣的問題，如果處理不好會造成各種各樣的現場問題。目前，大多數情況下還是依據經驗的積累來選擇抗干擾措施。在設計中，可以考慮以下一些措施：

（1） 交流進線過電壓吸收裝置：可在發電機出線、房體進線處安裝電涌保護器spd或者阻容吸收裝置。

（2） 動力屏蔽：系統中直流輸出與變頻輸出均具有極強的瞬變電壓干擾能力，含有較多的高次諧波，因此全部的動力輸出均考慮采用屏蔽電纜，可以有效地抑制動力輸出對控制信號的干擾。

（3） 控制屏蔽：全部控制電纜也采用屏蔽電纜，屏蔽層兩頭接地，可以防止強干擾進入控制回路。

（4） 分開布線：電控房內外都實施動力與控制分開布線，電纜槽考慮設有動力與控制隔離槽，特別注意通信電纜應單獨鋪設。房外布線時要注意這一點。

（5） 接地措施：系統采用tn-s接地方式，零線與地線分離，房內設置接地母線，電機側也要沒置接地裝置，并保證可靠接地。

（6） 控制電源隔離：獨立的供電模塊提供穩定的直流24v和直流10v電源，以確保控制電源的穩定和不受干擾。

（7） 信號隔離：進入變頻柜和直流調速柜的開關量信號和進入plc總線系統的外部開關量信號經過中間繼電器的轉換與隔離，可以防止強干擾直接竄入。

5、結束語

實驗證明，基于profibus-dp的zj40d鉆機電傳動系統能夠可靠工作，各部分均能按照設計要求工作，并具有profibus-dp和bypass兩種控制方式，保證鉆井過程可靠進行。基于profibus-dp的石油鉆機電傳動系統，不僅可以提高鉆井工藝的自動化水平，最大限度地提高生產效率，還可提高了鉆井系統的一體化程度。正是由于profibus-dp現場總線的應用，可以方便地與現場的工業設備進行連接，并且安裝、調試、維護、更換都很方便。

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