Wago模块在Amphion钻井系统中的应用

摘" " 要：工业现场总线的应用给自动化领域带来了深远影响，传统的集中控制结构逐步被分布式智能设备所取代，工业以太网的应用满足了各领域对高效率和高开放性的要求，这种开放性和互操作性在现代自动化系统中得到了体现。作为无螺丝电气连接技术和电子接口模块领域的佼佼者，德国Wago公司生产的Wago-I/O-system以其紧凑的外形设计与最高质量标准的统一成为世界范围内最成功的现场总线系统之一，Wago-I/O-system采用模块化设计，并与各类现场总线兼容，从而可以满足应用中的各种要求。将Wago-I/O-system应用到海洋石油钻井平台中，与Amphion钻井控制系统相结合，使得设备运转更加平稳可靠、钻井生产更加安全高效、设备维护更加简单便捷。

关键词：海洋石油；钻井控制系统；Wago；Wago-I/O-system；Amphion；铁钻工ST-160

Application of Wago modules in Amphion drilling system

LI Hao， WANG Jian， LU Shang， FENG Chunfei， JIANG Hui

Drilling Branch of China Petroleum Offshore Engineering Company Limited， Tianjin 300451， China

Abstract：The application of industrial fieldbus has exerted a profound impact on the field of automation. Traditional centralized control structures have been gradually replaced by distributed intelligent devices. The application of industrial Ethernet meets the requirements of high efficiency and high openness in various fields. This openness and interoperability are reflected in modern automation systems. As a leader in the field of screwless electrical connection technology and electronic interface modules， Wago′s Wago-I/O-system is one of the most successful fieldbus systems in the world with its integration of compact design and highest quality standard. The Wago-I/O-system， with modular design， is compatible with various fieldbuses， able to meet various requirements in applications. By applying the Wago-I/O-system to offshore oil drilling platforms and combining it with the Amphion drilling control system， the equipment operation is more stable and reliable， the drilling production is safer and more efficient， and the equipment maintenance is simpler and more convenient.

Keywords：offshore oil; drilling control system; Wago; Wago-I/O-system; Amphion; ST-160 iron roughneck

1" " Wago-I/O-system

1.1" " Wago-I/O-system简介

Wago-I/O-system 是一种功能强大的可编程自动化控制器，在工业自动化领域发挥着重要作用，它不仅能够实现对现场设备的精准控制和实时监测，还可以收集和处理各类关键数据。为了与不同类型的现场设备和控制器实现高效连接，Wago-I/O-system支持多种通讯协议，如Modbus、PROFIBUS、Industrial Ethernet等，这种多协议支持的特点使得系统具备了极强的兼容性和通用性。此外，Wago-I/O-system 还具有良好的开放性和可扩展性，它提供了便捷的编程和配置接口，使用者可以根据具体的工业应用场景进行灵活定制。无论是简单的控制任务还是复杂的系统集成，Wago-I/O-system都能展现出优异的适应性和可靠性，为工业自动化带来了更大的便利和效益。

1.2" " Wago-I/O-system的优势

1）可以在很恶劣的环境下保证无故障持续安全运行，适用于处在振动和冲撞的环境、温湿度很高的环境及对抗电磁干扰要求较高的环境。

2）与各类现场总线兼容。采用模块化设计，根据具体应用，可在总线适配器与控制器间选择适用于不同总线协议的模块。

3）自动连接。内部数据通过K-BUS总线连接（弹簧自动连接），同时通过电源跨接触电使相邻模块自动进行点位分布。

4）通过可编程现场总线控制器和工业PC，现场总线适配器具备可编程控制功能。配置、编程和可视化均可通过软件WAGO-I/O-PRO实现。

5）灵活性。Wago-I/O-system的每个节点都可以根据通道需要进行配置，并有多种电位和信号类型可供选择（1～8个通道）。数字量和模拟量输入/输出模块及特殊功能模块可自由组合，在一个现场总线节点中，可以通过使用电源模块改变某些I/O模块的供电电压。

6）操作简单。该系列模块适于导轨安装，也可并排组装，从而可实现无需工具的操作，添加模块均简单易行，现场的连接由久经考验的CAGE CLAMP笼式弹簧承担，其可提供快速、抗振动和免维护的连接。

1.3" " Wago-I/O-system模块介绍

Wago-I/O-system模块种类丰富，包括但不限于以下这些模块：其一，控制器模块作为系统的核心，负责协调和控制其他模块的工作；其二，连接器模块用于连接各个模块，确保信号的稳定传输；其三，模拟量输入模块能够将模拟信号转换为数字信号，以便系统进行处理；其四，模拟量输出模块则将数字信号转换为模拟信号，实现对外部设备的控制；其五，数字量输入模块用于检测数字信号，如开关状态等[1]；其六，数字量输出模块则用于控制数字信号的输出，如控制继电器等；其七，编码器接口模块专门用于与编码器进行连接，获取位置或速度等信息；其八，步进电机模块可实现对步进电机的精确控制；其九，连接模块提供了各种接口，以满足不同设备的连接需求；其十，终端模块则用于结束信号传输，保证系统的完整性。上述这些模块各司其职，共同构成了Wago-I/O-system强大的功能体系，能够满足各种工业自动化应用的需求。在实际应用中，用户可以根据具体的需求和场景，选择合适的模块进行组合和配置，以实现最优的系统性能和效率。以下介绍Wago-I/O-system常用模块。

1）数字量输入模块：用于检测数字信号，如开关状态、传感器信号等。例如，Wago 750-467是一款4通道数字量输入模块。

2）数字量输出模块：用于控制数字信号，如继电器、指示灯等。例如，Wago 750-466是一款4通道数字量输出模块。

3）模拟量输入模块：适用于采集模拟信号，如温度、压力、流量等。例如，Wago 750-479是一款4通道模拟量输入模块。

4）模拟量输出模块：可以用来控制模拟信号，如控制阀、变频器等。例如，Wago 750-481就是一款4通道模拟量输出模块。

5）通讯模块：实现模块与其他设备或系统的通讯。例如，Wago 750-849是一款以太网通讯模块。

6）电源模块：为其他模块提供电力支持。例如，Wago 750-600就是一款电源模块。

7）编码器接口模块：专门用于连接编码器，获取位置或速度信息。例如，Wago 750-482是一款编码器接口模块。

8）热电偶模块：用于测量热电偶信号，如温度。例如，Wago 750-485是一款热电偶模块。

1.4" " "Wago-I/O-system 750

如图1所示，Wago-I/O-system 750是一个模块化的现场总线独立I/O系统，由一个现场总线连接器/控制器“1”和应用于各种类型信号的现场总线模块“2”共同组成总线的节点，然后由终端模块“3”完成节点。

连接器/控制器可适用的现场总线系统包括PROFIBUS、INTERBUS、ETHERNET TCP/IP、CAN（CANopen， DeviceNet）、MODBUS、LON等。连接器/控制器包含一个现场总线接口、一个电子单元和一个电源终端。总线接口提供了与相关现场总线连接的接口，电子单元处理总线模块的数据，使之适合现场总线通讯。Wago-I/O-system 750是具有各种功能的总线模块，比如数字量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、特殊功能模块等，都可以连接到连接器/控制器。总线模块与连接器/控制器之间的通讯是通过内部总线实现的。Wago-I/O-system 750具有一个带LED灯的端口，可以进行状态指示。

1.5" " Field Bus Coupler 750-333

Field Bus Coupler 750-333（见图2）支持Wago-I/O-system 750中的所有外围I/O模块，通过PROFIBUS DP传输数据。在总线连接器的初始化阶段，确定节点的物理结构，并自动配置，生成所有输入输出模块的本地过程映像。

Field Bus Coupler 750-333由以下几个部分组成。第一，电源模块。内部系统电源模块和给I/O模块供电的电源跳线触点。集成的内部系统电源模块可以为电子器件和连接的I/O模块提供所需电压，总线接口电源是从内部系统电源模块单独隔离出来的。第二，总线接口。D-Sub9针插座（见图3）。PROFIBUS接口是根据US Standard EIA RS 485标准设计的有线数据传输。第三，调节站地址的两个旋转开关（十进制）。设备地址在设备上电初始化时就已经执行，运行期间调整是无用的。第四，状态显示单元（LED，见图4）。包括运行状态、总线通讯、故障信息诊断等。第五，配置接口。配置接口是与WAGO-I/O-CHECK软件通讯时或固件上传时使用的。需注意：在连接器/控制器通电时，禁止插拔通讯线750-920。第六，与I/O模块通讯的电子器件。

2" " Amphion系统

2.1" " Amphion系统简介

Amphion系统是美国国民油井华高公司（NOV）研发的一套电子自动钻井控制系统，也是目前世界上最先进的钻井操作系统。Amphion自动钻井控制操作系统的控制原理简单，便于现场操作人员理解和掌握；系统功能强大，能够满足不同钻井工况的需求；采用了先进的电子技术和软件设计，系统稳定性高；硬件和软件都具有良好的可扩展性，能够满足用户的不同需求[2]。

Amphion系统是一个全面的钻机控制系统，它提供了一个统一的钻井设备控制界面，每一个设备由单独的SBC（Single Board Computer）控制，设备之间又通过一个环网互相通讯（见图5）。

2.2" " Amphion系统控制原理

Amphion系统的控制是基于传感器技术、电子技术、网络通讯技术等多个领域技术的综合应用。具体来说，Amphion系统通过各种传感器实时采集钻井设备参数，如游车高度、大钩载荷、泥浆泵泵冲、铁钻工位置等，并将这些数据发送到控制中心。控制中心根据这些数据进行分析和处理，并生成相应的控制指令。这些控制指令通过网络通讯技术发送给钻井设备，从而实现对钻井设备的自动化控制。简单来说，就是操作者控制电脑，电脑控制设备，设备的状态通过传感器反馈给电脑，电脑又通过人机界面直观地反映给操作者（见图6）。

2.3" " Amphion系统网络结构

Amphion系统通过MOXA开关（见图7）构成一个环网，所有的设备包括触摸屏、控制手柄、工具控制器、Wago I/O等最后都通过网线连接到环网上，操作者可以通过人机交互界面访问任何已连接到环网中的设备，读取所需要的设备参数，而后操作设备，并获得设备的状态信息反馈。其中，钻井工具控制器SBC是Amphion控制系统的核心元件，它可以储存所控制工具的所有参数信息，并可以通过连接在这个网络中的任意一台电脑读取所需信息。Amphion系统的结构层次分为4个层级，即平台工具、工作总线、以太网及操作者。

3" " Wago-I/O-system在Amphion钻井系统中的应用

3.1" " Amphion系统中Wago的连接

在Amphion系统中，部分设备的Wago I/O直接连接到了环网中，如MTC（Multi Control Cabinet）柜的I/O和MSI（Multiple System Interface）的I/O等，而大部分设备的Wago I/O是先通过OLM（Optical Link Module）连接到设备的SBC后，再接入环网中（见图8）。

3.2" " MTC柜内的Wago模块

MTC柜内的Wago模块采集了包括电源模块、钻井设备控制模块（绞车、顶驱、排管机、铁钻工、指梁、辅助设备等的SBC）、MOXA开关、OLM模块、温度传感器（见图9）等的状态信息，通过以太网连接到环网中，最终以简单明了的界面显示在触摸屏上，操作者和维护者可以直观地监测各控制模块和通讯模块等的正常状态或者故障状态，这也为设备出现故障时维护人员发现和解决问题提供了极大的便利。

3.3" " 通过Wago的反馈解决铁钻工ST-160故障

铁钻工是海洋钻井平台管道自动化处理装置的组成部分之一，由主钳、背钳及旋扣钳组成，能实现对钻具的上、卸扣作业，它集合了钻台上所有的上扣与卸扣工具，比如液压大钳、B型钳、套管钳都可由铁钻工代替。铁钻工对钻杆的伤害低，三个钳头抱紧钻杆，接箍自动居中，避免了剪切力对钻杆的伤害。可以远程操作，操作安全简单且可靠，有效提高管道处理的自动化水平[3-5]。

NOV生产的ST-160型铁钻工，最大上扣扭矩140 000 ft∙lbs（1 ft∙lbs=1.354 9 N∙m），最大卸扣扭矩160 000 ft∙lbs，钻具范围3.5～10 in（1 in=25.4 mm），能力突出，功能强大，是钻井平台极其重要的装备。当铁钻工出现故障时，如何快速判断并排除故障是至关重要的。而Amphion系统可以做到这一点，通过Wago的反馈，可以将故障直观地显示在操作界面，使操作者和维护人员可在最短时间内找到故障点，从而保障了生产的连续性。

3.3.1" " "铁钻工ST-160的通讯连接

在铁钻工ST-160的REMOTE I/O箱里，Wago模块通过profibus DP连接到OLM，然后通过光纤与MTC柜通讯。在MTC柜里，光纤通过OLM模块转换为profibus DP与铁钻工ST-160的SBC通讯，SBC通过网线连接到环网中，见图10。

3.3.2" " 故障现象及解决方法

铁钻工ST-160在使用时，副司钻已取得的权限突然被释放掉，导致无法继续操作，此时，铁钻工ST-160报警界面显示与诸多节点的通讯丢失，查看profibus I/O状态，发现铁钻工ST-160控制器SBC与各节点的通讯全部中断，见图11（铁钻工ST-160故障现象1）。查看MTC柜内的模块状态，发现ST-160的OLM状态指示为故障状态，见图12（铁钻工ST-160故障现象2）。打开ST-160 REMOTE I/O箱检查发现OLM模块故障，状态指示灯全部熄灭。Wago模块的BF灯为红色，见图13（铁钻工ST-160故障现象3），说明PROFIBUS通讯故障。测量OLM模块的24 V电源，状态为正常，判断为OLM模块本身故障，于是更换新OLM模块，并设定好地址，之后所有状态指示恢复正常，ST-160通讯恢复，设备可以正常运转。

4" " 结束语

通过对Wago模块在Amphion钻井系统中的应用研究，从而深刻认识到模块化设计在钻井系统中的重要性。Wago模块的可靠性、灵活性和易于维护性为Amphion钻井系统的高效运行提供了有力支持。Wago-I/O-system与各类现场总线的强大兼容性，为其与各种控制器的连接，以及构建工业现场总线环网控制系统都带来了极大的便利，其模块化设计及模块的多样性可以满足现场大部分传感器的数据采集要求，其对振动、冲撞、温湿度高等恶劣环境的强适应性使之非常适合在海洋钻井平台上使用。Wago-I/O-system与Amphion系统的结合，为海洋石油钻井平台钻井设备的数据采集、数据分析、操作维护及故障处理提供了理想的解决方案。然而，随着技术的不断发展，仍需不断探索和创新，以进一步提高钻井系统的性能和适应性。

参考文献

[1]" 许少坚. AutoMax DCS系统分析及在涂布生产线上的应用[J]. 工业设计，2012（2）：234-235.

[2]" 毛祖臣，杲慧军. Amphion自动钻井控制系统介绍与应用[J]. 海洋石油，2013，33（1）：86-91.

[3]" 吴爱萍，赵世刚，刘翠洁，等.海洋钻井平台铁钻工主要结构形式浅析[J].机械研究与应用，2015，28（5）：16-17，21.

[4]" 张洪生，于昊，赵金峰. 铁钻工的现状与展望[J]. 石油矿场机械，2008，37（1）：12-16.

[5]" 任福深，王威，刘晔，等. 石油管柱上卸扣装置技术现状[J]. 石油机械，2012，40（5）：15-19.

作者简介：

李" " 昊（1986—），男，山东费县人，工程师，2008年毕业于中国石油大学（华东）电气工程及其自动化专业，现主要从事自升式钻井平台电气系统管理和维护工作。

Email：418402339@qq.com

编辑：林" " 鲜