西門(mén)子作為全球最大的電氣電力公司，一直致力于為自動(dòng)化產(chǎn)品的研究與開(kāi)發(fā)，西門(mén)子S7-400H冗余容錯系統 被廣泛的運用于石化行業(yè)，本文闡述西門(mén)子S7-400H冗余容錯系統 PLC在石油鉆機變頻傳動(dòng)系統的應用特點(diǎn)，給出了一個(gè)典型應用配置，并對實(shí)際的應有情況做了分析評價(jià)。

關(guān)于西門(mén)子S7-400H熱冗余PLC在石油鉆機的應用 
　一、西門(mén)子S7-400H冗余容錯系統 的性能特點(diǎn)

西門(mén)子S7-400H冗余容錯系統 PLC是西門(mén)子的最新一代高端產(chǎn)品，是可以實(shí)現硬件熱冗余的控制器。S7-400H一般由兩組S7-400通過(guò)光纖通信交換數據達到硬件熱冗余的功能。

西門(mén)子S7-400H冗余容錯系統 的主要性能:

·全系列CPU處理速度整體提高3至70倍

·工作內存翻倍，最高達20MB

·定時(shí)器、計數器個(gè)數提高8倍

·通訊性能全面提高1倍

·零部件和編程工具保持兼容

·全面支持PROFIBUS等時(shí)模式

·支持不停機修改分布式硬件配置

西門(mén)子S7-400H冗余容錯系統 主要特色為：極高的處理速度、強大的通訊性能和卓越的CPU資源裕量。特別適合于高性能的中大規模系統。

需要容錯能力的應用系統就要選擇S7-400H PLC?；跇藴蔛7-400模板的S7-400H是一個(gè)冗余的PLC，可以明顯地減少生產(chǎn)過(guò)程的故障停機率，適用于那些需要盡可能減少或避免故障停機的應用場(chǎng)合。例如發(fā)電或輸、配電、化學(xué)工業(yè)、采礦、運輸等。

容錯性是通過(guò)二個(gè)并行的中央控制器實(shí)現的。它們的CPU通過(guò)光纜連接并通過(guò)冗余的PROFIBUS DP線(xiàn)路對冗余的I/O進(jìn)行控制。除了故障CPU和PROFIBUS外，I/O自身可以冗余。當發(fā)生錯誤或故障時(shí)進(jìn)行無(wú)擾動(dòng)的切換，即未受影響的熱備控制器將在中斷點(diǎn)繼續執行控制而不丟失任何信息。

S7-400H的編程與非冗余的標準S7-400系統相同，都使用STEP-7語(yǔ)言。所有容錯專(zhuān)用的功能可通過(guò)容易使用的STEP 7軟件包來(lái)組態(tài)。為標準非容錯系統編寫(xiě)的程序可以方便地移植到容錯系統(反之亦然)。STEP 7 V5.3已將冗余選件包集成，無(wú)需再單獨購買(mǎi)。

在PLC產(chǎn)品領(lǐng)域，SIMATIC S7-400滿(mǎn)足了生產(chǎn)和過(guò)程自動(dòng)化的系統解決方案的要求。

二、西門(mén)子S7-400H冗余容錯系統 組成的網(wǎng)絡(luò )系統

1、ZJ50DB/70DB鉆機是目前非常先進(jìn)的鉆機，其整體的技術(shù)水平體現在電控系統的設計與調試中。我們在設計中確保系統的高配置、長(cháng)期使用的高性能、高可靠性以及較為完善的安全措施，并為用戶(hù)提供良好的人機界面和故障診斷功能。設計完成后系統具有相當大的冗余能力。

ZJ50DB系統配置2座VFD房，分別為VFDI房和VFDII房。根據總體要求我們作了以下布置：

VFDI房包括1#綜合柜（負責采集與發(fā)送VFDI房?jì)鹊母鞣N電氣信號，另有柴油機組監控信號通信模塊和顯示機組參數的機組用工控機等），1MPA變頻柜，1MPB變頻柜，2MPA變頻柜，2MPB變頻柜，3MPA變頻柜，，3MPB變頻柜，進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)柜，冷氣機，主變壓器等。

VFDII房包括絞車(chē)A變頻柜，絞車(chē)B變頻柜，轉盤(pán)變頻柜，絞車(chē)A制動(dòng)柜，絞車(chē)B制動(dòng)柜，切換柜（實(shí)現絞車(chē)B變頻柜作為轉盤(pán)變頻柜的切換備用），PLC柜(系統PLC主站設于該柜內)，2#綜合柜(負責采集與發(fā)送VFDII房?jì)鹊母鞣N電氣信號，另有以畫(huà)面形式監控和顯示全套傳動(dòng)系統參數的上位工控機等)，送鉆變頻柜， 采用SIEMENS先進(jìn)的智能軟起動(dòng)裝置，并實(shí)現對重要輔機的保護和監控。

全套系統的基本設備配置圖如圖1所示。

鉆機控制系統以西門(mén)子高性能的S7-400H熱冗余主站PLC為控制核心，通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)控制技術(shù)把數字化設備組成PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò ),實(shí)現發(fā)電機控制單元、十臺變頻器、司鉆監控、遠程監控、電液氣聯(lián)控、自動(dòng)送鉆、一體化儀表系統、游車(chē)防碰等控制系統間的高速通訊，上位工控機和遠程工控機實(shí)時(shí)監控、儲存各個(gè)系統的運行狀態(tài)并提供故障診斷信息。上位工控機、遠程工控機與S7-400H熱冗余主站PLC通過(guò)光纖通信組成一個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)；自動(dòng)化級（PLC）、數字傳動(dòng)級、司泵操作臺和司鉆操作臺通過(guò)熱冗余PROFIBUS-DP構成雙總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統，參數雙向傳遞，顯示一體化鉆井儀表參數及畫(huà)面，各種狀態(tài)提示和幫助文本顯示，為鉆井工藝創(chuàng )建一個(gè)數字化、信息化、智能化的管理平臺和友好的人機界面，實(shí)現對系統各裝置的遠程數據傳輸和故障監控，優(yōu)化控制和監測整個(gè)鉆井過(guò)程。系統操作與監控具有兩種模式：PLC正常模式與繼電器應急模式。

司鉆操作臺具有鉆機操作和鉆井參數實(shí)時(shí)顯示、電氣系統運行監控與顯示、故障顯示、報警的齊備功能。

司泵操作臺獨立在泵房區放置，可以實(shí)現正常與應急操作，通過(guò)指示燈顯示系統基本的的運行狀態(tài)。

系統采用西門(mén)子最高性能的S7-400H熱冗余PLC和Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)（雙總線(xiàn)）進(jìn)行絞車(chē)、轉盤(pán)、泥漿泵、自動(dòng)送鉆變頻系統之間的數據快速傳輸，并可通過(guò)觸摸屏、顯示屏、工控機、遠程電腦實(shí)現監控、操作、故障報警、參量修改、診斷、存儲、記錄等功能?？梢员O控的參數主要有：柴油機組運行狀態(tài)及參數、發(fā)電機運行狀態(tài)及參數、變頻器運行狀態(tài)及參數、系統操作與運行狀態(tài)、系統故障與報警信號、誤操作信號、MCC運行狀態(tài)、游車(chē)運行狀態(tài)、一體化鉆井儀表等。

采用PLC和Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)控制和變頻調速結合的總線(xiàn)控制系統具有以下的技術(shù)特點(diǎn)：

（1）    采用矢量控制的絞車(chē)電機四象限運行和游車(chē)位置閉環(huán)的防碰功能；

（2）    恒鉆壓自動(dòng)送鉆技術(shù)；

（3）    PLC和總線(xiàn)控制；

（4）    一體化司鉆臺和一體化儀表系統；

（5） 操作和鉆井參數實(shí)時(shí)顯示、電氣系統運行監控與顯示、故障顯示、報警與安全停車(chē)的齊備功能，為鉆井工藝創(chuàng )建一個(gè)數字化、信息化、智能化的管理平臺和友好的人機界面。

司鉆操作系統在PLC正常操作方式時(shí)鉆機操作和監控的全部功能，主要包括：發(fā)電機系統指示燈，各操作開(kāi)關(guān)與給定手輪/手柄，主電機風(fēng)機運行指示燈，主電機運行指示燈，指重表，泵壓表，觸摸屏，顯示屏等。觸摸屏和顯示屏可以顯示鉆機系統相關(guān)的運行與監控參數，同時(shí)具有參數設定功能。通常乘坐一體化鉆井儀表系統。

彩色觸摸屏、顯示屏主要功能：

1、設定自動(dòng)送鉆參數，設定游車(chē)防碰系統參數等。

2、查看所有在網(wǎng)絡(luò )中設備的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

3、報警信息提示司鉆關(guān)注提示到的設備狀況。

4、故障信息提示司鉆關(guān)注已產(chǎn)生故障的設備。

5、顯示主要鉆井參數：懸重、鉆壓、井深、機械鉆速、轉盤(pán)轉速、轉盤(pán)扭矩、泥漿壓力、泥漿返回量、泵沖、液位（3罐）、游車(chē)位置、噸.公里及衍生的其他參數。

6、安全防護信息。

7、誤操作信息與誤操作保護。

8、故障診斷信息。

系統還配置了司泵操作臺，以指示燈顯示系統的基本運行狀態(tài)。在取得司鉆授權后可以操作泥漿泵。

在配置總線(xiàn)系統時(shí)建議將多臺工控機聯(lián)入工業(yè)以太網(wǎng)，Prfibus總線(xiàn)僅連接主傳動(dòng)設備，這樣可以避免其它非主要設備的調試安裝及故障維護影響主傳動(dòng)設備。

一體化儀表系統通過(guò)數據采集單元（現場(chǎng)的傳感器、編碼器、變送器等），PLC經(jīng)過(guò)計算、處理，在觸摸屏、顯示屏、上位工控機、遠程工控機上顯示以下鉆井參數：懸重、鉆壓、井深、機械鉆速、轉盤(pán)轉速、轉盤(pán)扭矩、泵沖、泵壓、泥漿池液位、出口返回量、總泵次、游車(chē)位置、噸.公里及衍生的其他參數。

電、氣、液聯(lián)控系統：

PLC總線(xiàn)系統根據司鉆工的操作信號去控制閥島完成一些氣、液操作，并根據故障情況完成盤(pán)剎自動(dòng)抱閘、轉盤(pán)慣性剎車(chē)投入等保護功能。

一體化儀表系統具體主要顯示監控以下參數：

發(fā)電機組數據：各發(fā)電機電壓、電流、頻率、有功功率、無(wú)功功率等。如果是模擬控制發(fā)電機組，則需要從控制模塊引出實(shí)際信號并增加變送器變?yōu)闃藴市盘栞斎氲絇LC。如果是數字控制發(fā)電機組則可以直接采用通信方式讀出這些信號。

傳動(dòng)系統數據：各變頻柜轉速、功率、電壓、電流、轉矩等。這些數據均從變頻器直接通信傳輸到PLC主站。

其它電氣運行情況： MCC運行狀態(tài)，各風(fēng)機、注油泵、噴淋泵等運行狀態(tài)。這些信號一般要從開(kāi)關(guān)量模塊輸入。

鉆井工藝參數：懸重、鉆壓、轉盤(pán)轉速、轉盤(pán)扭矩、泵壓、大鉗扭矩、入口流量、出口返回量、井深、機械鉆速、游車(chē)位置、噸·公里、鉆時(shí)及衍生的其他參數。懸重、泵壓、大鉗扭矩和出口返回量測量要安裝傳感器；轉盤(pán)轉速、轉盤(pán)扭矩由全數字傳動(dòng)系統給出，不需要傳感器；井深、機械鉆速、游車(chē)位置等依據滾筒編碼器數據由PLC程序依據一定算法計算；噸·公里依據滾筒編碼器和懸重傳感器數據由PLC程序計算。
罐區泵區監控數據：泵沖、總泵次、泥漿池液位等。泵沖與電機轉速成正比的固定關(guān)系，可由全數字傳動(dòng)系統給出，不需要傳感器；總泵次由泵沖按照積分算法累計；泥漿池液位一般安裝超聲波液位傳感器。

綜合以上顯示參數可以設定一些報警設置，例如液位過(guò)高或過(guò)低，出口返回量異常等，提醒司鉆注意。

一體化司鉆臺和一體化儀表系統省卻了體積大、造價(jià)高、安裝復雜的機械式參數儀系統，省卻了許多傳感器，數據準確，實(shí)時(shí)性好。傳感器安裝復雜，維護麻煩，對惡劣環(huán)境的承受能力差。從電氣上來(lái)說(shuō)硬件成本增加不多，軟件開(kāi)發(fā)的工作量增大了。罐區的傳感器也可以采用ASI（執行器-傳感器總線(xiàn)）總線(xiàn)方式以減少接線(xiàn)，可與智能井電共用ASI總線(xiàn)。

三、西門(mén)子S7-400H冗余容錯系統 在石油鉆機的應用情況

S7-400H熱冗余系統應用于陸地石油鉆機是一次嘗試。我們已經(jīng)成功地將S7-400H PLC應用于ZJ50DB鉆機電控系統。S7-400H在現場(chǎng)運行比較穩定，熱冗余性能得到充分驗證。

特別要提到的是S7-400H熱冗余系統的冗余特性主要是針對CPU部件，通信部件和通信介質(zhì)而設計的。例如當網(wǎng)絡(luò )1的通信電纜熱冗余對現場(chǎng)電磁干擾并不具有“冗余”能力，電磁環(huán)境兼容性方面的設計仍然要嚴格執行相關(guān)的技術(shù)標準。在實(shí)際現場(chǎng)我們見(jiàn)到了一套以S7-300PLC設計的軟件冗余雙PLC控制ZJ50LDB變頻傳動(dòng)系統，由于抗干擾措施不足，經(jīng)常發(fā)生通信中斷故障，雙PLC也不頂用。在檢查故障時(shí)從PMU單元上直接手動(dòng)啟動(dòng)變頻器，就發(fā)現兩套PLC通信過(guò)程連續相互切換，第一套中斷后第二套運行接著(zhù)又中斷并轉入第一套，每一套都不能穩定工作。所以從抗干擾的角度來(lái)說(shuō)單總線(xiàn)和雙總線(xiàn)的能力是一樣的。

但是由于雙總線(xiàn)系統比較復雜，接線(xiàn)較多，陸地鉆機又是頻繁移動(dòng)設備，安裝和拆卸要復雜一些。所以S7-400H非常適合于高性能要求高可靠性的大型控制場(chǎng)合，而且滿(mǎn)足大規模系統的大容量控制任務(wù)。例如海洋鉆井平臺，大型軋鋼工廠(chǎng)，石油煉化工廠(chǎng)等?，F在已經(jīng)有新建造的海洋鉆井平臺開(kāi)始使用S7-400H熱冗余系統。在發(fā)生故障時(shí)，對現場(chǎng)用戶(hù)維護人員的實(shí)際維護能力的要求較高。陸地石油鉆機電控系統從PLC應用的角度來(lái)衡量只是一個(gè)中小型系統，如果不要求硬件熱冗余，就可以采用S7-300PLC同樣能夠達到良好的效果。