北石顶驱WinCC趋势画面在故障分析中的应用

张尧，王博，孙明寰，马瑞，谢海欢

(北京石油机械厂，北京 100083)

0 引言

北石顶驱采用WinCC系统作为上位机监控系统，存储了大量顶驱运行中的参数。出现故障时，通过读取，分析这些记录的数据，对于故障的分析和判断有很大的帮助，本文介绍了如何利用趋势画面，了解，判断顶驱出现的问题。

1 北石顶驱PLC系统与WinCC系统介绍

北石顶驱采用西门子S7-300型PLC作为主控制系统，利用MPI网络与WinCC监控系统进行通讯，将采集到的数据在WinCC系统画面上进行显示，包括电机温度，电机电压、电流，减速箱温度，顶驱转速，扭矩等。

系统图如图1显示。

图1 系统图

2 北石顶驱WinCC监控系统的组成

顶驱WinCC监控系统是由西门子627C工控机和DELL 19吋液晶显示器组成。工控机627C通过集成的CP5611通讯卡与PLC的MPI接口连接，在通讯的过程中WinCC以变量和过程值的形式进行数据交换。WinCC监控系统读取到数据后，按照程序的设置，将数据保存、归档。监控系统通过画面对系统进行数据监控，监控的主画面主要分为四个区域分别显示以下不同的信息，如图2中的显示。

图2 WinCC界面

(1)工具栏:在工具栏区内是画面之间的切换按钮

(2)显示区:显示画面区是经行系统监视及控制操作的主要区域

(3)报警栏:显示系统当前最新的报警内容和相应的解决方法

(4)状态栏:显示当前的画面名称，当前系统时间等信息

通过单击工具栏上的按钮可以进入对应的WinCC监控画面，主要监控画面有:电源系统、网络结构、顶驱系统、控制状态、辅助画面、趋势画面、报警记录、设定画面等。

3 系统趋势画面

PLC系统负责采集数据，将采集到的数据处理后，通过MPI网络发送至WinCC监控系统，在WinCC系统中归档、保存，并且将数据显示在趋势图中。进入趋势画面，可以看到显示的趋势图像，通过点击趋势画面右下角的菜单栏，可以切换显示的趋势图，按照参数种类和装置种类，趋势画面分为以下十一种:

系统趋势，电流趋势，电压趋势，转矩趋势，频率趋势，电源模块趋势，电机模块趋势，顶驱减速箱趋势，司钻台操作记录，主电机温度趋势，故障报警记录。

通常情况下，趋势图显示最近10分钟的数值，点击趋势图上方工具栏的“开始/停止”按钮可以暂停和启动数据更新;点击“倒回”按钮查看历史趋势记录;点击“分配参数”按钮，能够选择需要显示和关闭的趋势，可以通过选择变量，在趋势图中增添需要显示的数据，还能够选择时间轴的时间范围;点击“标尺”按钮，会出现标尺线，精确显示变量的数值和记录时间。

4 趋势画面的数据记录和分析

4.1 趋势图数据记录

趋势图记录的数据，分为两种，一种是模拟量的信号，如温度，压力，电压，电流值等，特点是连续变化，不会产生突变，比如电机温度的变化。如果产生突变，说明在突变的时刻有故障的存在，例如图3中的显示，记录的是液压系统压力值和温度值，在大约8点时，压力值和温度值都有明显的突变降低。实际上，引起该突变的原因，是液压管线突然断开。

还有一种为数字量的信号，如流量开关，顶驱使能，司钻台操作记录等，数字量信号的只有“0”和“1”两位，开关接通时记录为“1”，断开时记录为“0”。由于司钻台操作旋钮较多，所以将司钻台的记录值分为4个字节，每个字节保存成为一个8位的2进制变量，变量名称分别为 TCC1，TCC2，TCC3，TCC4，共32 位，其中每一位对应一个操作旋钮。在分析司钻台操作记录时，需要对照电气图册中司钻台开关的地址，如图4中，TCC1的记录值由32变为36，将这两个数据转换成2进制，就是 100000变为100100，可以看到，是第三位由“0”变为“1”，对照图5中的电气图册可以知道，是图中的第三个开关，即顶驱正转开关状态发生了改变，顶驱停止状态变成了正转状态。由此可以看出，通过WinCC中的记录数据可以看到顶驱的各种状态和操作，在出现故障时，可以帮助我们对故障进行更好的分析。

图3 液压系统图

图4 司钻台操作记录

4.2 趋势图的分析

趋势图的分析，可以遵循两种方法，方法一可以称为横向比较，即选取同一时刻的不同趋势图进行分析;方法二称为纵向比较，即选取不同时间记录的同一曲线进行比较分析。

图5 司钻台开关

方法一:通过选择同一时刻的不同趋势图，进行多张趋势图的综合分析，了解在出现故障时，顶驱的操作和顶驱各部分的状况。如图6，图7，图8，分别是顶驱电机输出电流趋势图，司钻台操作记录和司钻台手轮设定值。按照三张图中的同一时刻对比分析可以看出，司钻台旋转方向从“正转”切换到“停止”，速度手轮保持不变，顶驱正常降速停机，停机后，司钻台旋转方向从“停止”切换到“正转”，但顶驱仍然停止，之后速度手轮回零并重新给定转速，顶驱在同一时刻启动，继续钻进。通过比较同一时刻不同的趋势图，可以清楚的看到，顶驱本次停机的原因及司钻的操作过程。

方法二:通过比较同一张趋势图的不同时间段，对顶驱出现的问题进行分析，如图9，图10，都是顶驱变频系统直流母线电压的趋势图，下方的时间轴上显示，两张趋势图均是10个小时中所记录的电压趋势，趋势图9是在钻井时的电压趋势，在钻井时电压值较为平稳;趋势图10是在起下钻时的电压趋势，起下钻时，电压出现很多的尖峰。从这两张趋势图中可以明显看出，起下钻时，由于游车的启停非常频繁，对于顶驱直流母线电压的影响很大，需要提醒司钻在操作时注意平稳。

图6 电流趋势图

图7 司钻台操作记录

图8 司钻台手轮设定值

图9 钻井时直流母线电压趋势

图10 起下钻时直流母线电压趋势

5 结束语

北石顶驱的WinCC监控系统，功能全面，人机界面友好。通过与PLC的通讯，读取了大量的顶驱运行参数，并将其记录归档，显示在趋势画面中。通过不同的趋势画面，可以选取需要的数据显示，分析。趋势画面的利用，对于顶驱的使用维护，发生故障后的分析，解决，提供了大量有效的信息。

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