基于WinCC及PLC在钻井顶驱监控系统中的应用

范永强

（中原油田西南钻井公司，河南 濮阳 457001）

1 引言

所谓顶驱，即顶部驱动装置的简称TDS(TOP DRIVE DRILLING SYSTEM)，它是可以直接从井架空间上部直接旋转的钻柱，沿专用导轨向下送进，来完成多种钻井操作动作的钻井机械设备。

顶驱装置是机电液一体化、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和提高，顶驱装置已经成为现代钻井设备的重要成果之一。本文利用WinCC设计顶驱的监控装置，可以实现实时监控、报警记录、历史数据查询等功能。在工控房利用PLC来完成数据的采集和上传，形成了一套独立的、完整的自动化监控系统。

2 WinCC及PLC简介

WinCC是西门子视窗控制中心(Windows control center)的简称。它从1996年进入世界工控组态软件市场，由于它追求性能最全面、技术最先进、系统最开放的设计思想，并且遵从世界范围内使用的系统进行设计，同时它能和不同的控制器进行通讯，所以WinCC迅速发展成为了最成功的组态软件之一。使用WinCC作为监控系统的上位机组态软件，它具有灵活的复杂可视化组件、方便地进行扩展、强大的标准接口、多样的脚本语言，可以有效的降低操作人员的劳动强度，提高企业的劳动生产率和经济效益。

PLC是可编程控制器(Programmable Logic Controller)的简称。它是以微型CPU为核心，融合了微电子技术、自动控制技术及通信技术，从传统的继电器控制系统的基础上发展起来的一种新型工业控制装置。PLC有自己的CPU和控制软件，主要完成现场的数据采集、转换、存储、报警、控制等功能，并通过通信信道与监控中心微机进行数据通信，同时根据工控房的命令完成数据传输、控制输出等任务。

3 监控系统构成

3.1 系统硬件组成

监控系统的硬件由工控机、电源系统、大屏幕显示装置、PLC控制柜、控制电缆等几大部分组成。基于WinCC及PLC的顶驱监控系统的硬件布置图如下所示。

图1 监控系统硬件组成

3.2 监控系统运行平台

本监控系统服务器操作系统采用Windows Server 2003。它具有可靠性、可用性、可伸缩性和安全性，这使其成为可靠的运行平台。

3.3 通讯方式

PLC系统通过光纤和本子站进行连接，与其他子站通过PROFIBUS通讯电缆连接。系统主控PLC为西门子S7-300系列可编程控制器:CPU315-2DP，液压站和本体站使用ET200X远程输入/输出控制站，司钻台子站采用ET200M分布式I/O。

4 组态过程

本系统的组态过程主要分为3个部分:监控界面的设计、PLC程序设计、WinCC与PLC间的通讯。

4.1 监控系统的设计

4.1.1 界面设计需求

监控系统界面是操作人员与计算机监控交互的主要方式，根据钻井平台现场的实际情况，监控系统界面应具有运行可靠、操作方便、界面友好，图形显示直观的特点。本监控系统主画面工分为四个区域，分别显示不同的信息:(1)工具栏:在工具栏区内是画面切换按钮。(2)显示区:画面区是进行监控及控制操作的主要区域。(3)报警栏:报警栏可显示系统当前最新的报警内容。(4)状态栏:状态栏区显示当前的画面名称、当前系统时间等。

通过单击工具栏上的按钮可以进入对应的监控画面，本系统主要有如下监控画面:系统帮助画面、电源系统画面、网络结构画面、顶驱系统画面、控制状态画面、报警记录画面、趋势画面、系统登录画面、退出系统画面。

4.1.2 界面组态

(1)首先运行WinCC组态程序，新建一个项目，并设置好WinCC运行系统的启动组件和使用语言。(2)建立WinCC与STEP7的动态连接，在S7协议中设置PROFIBUS通道、地址、槽号等建立工控房与各PLC的连接。(3)建立变量标签，WinCC按功能可分为外部变量、内部变量、系统变量、脚本变量，变量的选择要和PLC程序中的变量保持一致。(4)在WinCC图形编辑界面中，绘制组态画面。根据钻井平台的实际布置，利用WinCC自带的图形工具，绘制操作界面，务必使操作界面简洁、友好。(5)激活WinCC画面。对画面的图形的属性进行设置，如颜色、尺寸、闪烁等，画面根据系统实际运行的情况、监控系统设置值的不同，显示不同的状态。

4.2 PLC程序设计

PLC控制器可以实现设备的数据采集及通过执行器执行工控房的各项命令，PLC程序设计实际上就是将对象的控制条件和动作要求转化为PLC可以识别的指令的过程，以完成系统的温度、液压、功率、电流等的检测，同时实现钻井平台各种设备的状态监控。其程序设计的基本流程如下图所示。

图2 PLC设计流程

4.3 WinCC与PLC间的通讯

根据顶驱工作环境的需要，中心监控系统与PLC系统之间通过PROFIBUS现场总线进行连接。PROFIBUS广泛用于机械制造业、交通电力、石油化工等领域，可实现现场设备监控系统的分散式控制与通信。在WinCC中设置SIMATIC S7 Protocol Suite通信驱动模块，通过PROFIBUS通信，可方便地和S7-300PLC进行数据传输。

5 实现功能

5.1 权限管理:监控系统可根据需要，按照值班人员，维护人员和系统管理员三种级别授予不同的操作权限。

5.2 图形显示:顶驱工作状态、电源参数、网络结构、控制状态、报警等画面的显示，通过点击不同的画面按钮进入不同的图形显示画面。

5.3 报警功能:顶驱设备正常运行的情况下，蜂鸣器不发出警示语音或灯光显示为正常运行状态。否则，系统会根据不同的参数设置发出警示音，提示工作人员进行相应的操作，排除故障。

5.4 报表汇总。监控系统会记录工作人员的操作记录、报警时间、报警次数、故障位置等，可根据不同的需要生产各种报表。

5.5 趋势曲线:监控系统对检测的功率、液压、电流、电压、温度等以图形的形式显示出来，便于操作人员监控设备的运行情况。

5.6 实时控制。工作人员在工控房通过监控程序组态画面进行操作，实现远程的设备启、停、分闸、合闸等操作，同时，终端设备随时执行工控房的遥控、遥调、遥测等操作。

6 结论

基于WinCC和PLC的顶驱监控系统，监控系统功能全面，人机界面友好。WinCC和PLC具有很好的灵活性和扩展性，在本监控系统中实现了顶驱、液压、整流等参数的显示、记录、报警和存档，大大提高了企业的劳动生产率和经济效益、提高了企业的自动化程度，同时降低了操作人员的劳动强度。本监控系统已应用于四川某钻井公司，系统投入后运行稳定，安全性高。

[1]华中平,彭安华.钻井监控系统研究[J].软件导刊，2008-05-31.

[2]张成功.钻井工程监控管理系统研究[J].西南石油大学，2006-05-20.