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

關于西門子S7-400H熱冗余PLC在石油鉆機的應用 
　一、西門子S7-400H冗余容錯系統 的性能特點

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

西門子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

·定時器、計數器個數提高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等時模式

·支持不停機修改分布式硬件配置

西門子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。基于標準S7-400模板的S7-400H是一個冗余的PLC，可以明顯地減少生產過程的故障停機率，適用于那些需要盡可能減少或避免故障停機的應用場合。例如發電或輸、配電、化學工業、采礦、運輸等。

容錯性是通過二個并行的中央控制器實現的。它們的CPU通過光纜連接并通過冗余的PROFIBUS DP線路對冗余的I/O進行控制。除了故障CPU和PROFIBUS外，I/O自身可以冗余。當發生錯誤或故障時進行無擾動的切換，即未受影響的熱備控制器將在中斷點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語言。所有容錯專用的功能可通過容易使用的STEP 7軟件包來組態。為標準非容錯系統編寫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，無需再單獨購買。

在PLC產品領域，SIMATIC S7-400滿足了生產和過程自動化的系統解決方案的要求。

二、西門子S7-400H冗余容錯系統 組成的網絡系統

1、ZJ50DB/70DB鉆機是目前非常先進的鉆機，其整體的技術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（負責采集與發送VFDI房內的各種電氣信號，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，進線開關柜，冷氣機，主變壓器等。

VFDII房包括絞車A變頻柜，絞車B變頻柜，轉盤變頻柜，絞車A制動柜，絞車B制動柜，切換柜（實現絞車B變頻柜作為轉盤變頻柜的切換備用），PLC柜(系統PLC主站設于該柜內)，2#綜合柜(負責采集與發送VFDII房內的各種電氣信號，另有以畫面形式監控和顯示全套傳動系統參數的上位工控機等)，送鉆變頻柜， 采用SIEMENS先進的智能軟起動裝置，并實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子高性能的S7-400H熱冗余主站PLC為控制核心，通過現場總線控制技術把數字化設備組成PROFIBUS-DP網絡,實現發電機控制單元、十臺變頻器、司鉆監控、遠程監控、電液氣聯控、自動送鉆、一體化儀表系統、游車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時監控、儲存各個系統的運行狀態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通過光纖通信組成一個工業以太網；自動化級（PLC）、數字傳動級、司泵操作臺和司鉆操作臺通過熱冗余PROFIBUS-DP構成雙總線網絡系統，參數雙向傳遞，顯示一體化鉆井儀表參數及畫面，各種狀態提示和幫助文本顯示，為鉆井工藝創建一個數字化、信息化、智能化的管理平臺和友好的人機界面，實現對系統各裝置的遠程數據傳輸和故障監控，優化控制和監測整個鉆井過程。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時顯示、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，可以實現正常與應急操作，通過指示燈顯示系統基本的的運行狀態。

系統采用西門子最高性能的S7-400H熱冗余PLC和Profibus現場總線技術（雙總線）進行絞車、轉盤、泥漿泵、自動送鉆變頻系統之間的數據快速傳輸，并可通過觸摸屏、顯示屏、工控機、遠程電腦實現監控、操作、故障報警、參量修改、診斷、存儲、記錄等功能。可以監控的參數主要有：柴油機組運行狀態及參數、發電機運行狀態及參數、變頻器運行狀態及參數、系統操作與運行狀態、系統故障與報警信號、誤操作信號、MCC運行狀態、游車運行狀態、一體化鉆井儀表等。

采用PLC和Profibus現場總線控制和變頻調速結合的總線控制系統具有以下的技術特點：

（1）    采用矢量控制的絞車電機四象限運行和游車位置閉環的防碰功能；

（2）    恒鉆壓自動送鉆技術；

（3）    PLC和總線控制；

（4）    一體化司鉆臺和一體化儀表系統；

（5） 操作和鉆井參數實時顯示、電氣系統運行監控與顯示、故障顯示、報警與安全停車的齊備功能，為鉆井工藝創建一個數字化、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正常操作方式時鉆機操作和監控的全部功能，主要包括：發電機系統指示燈，各操作開關與給定手輪/手柄，主電機風機運行指示燈，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的運行與監控參數，同時具有參數設定功能。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、設定自動送鉆參數，設定游車防碰系統參數等。

2、查看所有在網絡中設備的實時狀態。

3、報警信息提示司鉆關注提示到的設備狀況。

4、故障信息提示司鉆關注已產生故障的設備。

5、顯示主要鉆井參數：懸重、鉆壓、井深、機械鉆速、轉盤轉速、轉盤扭矩、泥漿壓力、泥漿返回量、泵沖、液位（3罐）、游車位置、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。在取得司鉆授權后可以操作泥漿泵。

在配置總線系統時建議將多臺工控機聯入工業以太網，Prfibus總線僅連接主傳動設備，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設備。

一體化儀表系統通過數據采集單元（現場的傳感器、編碼器、變送器等），PLC經過計算、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、轉盤轉速、轉盤扭矩、泵沖、泵壓、泥漿池液位、出口返回量、總泵次、游車位置、噸.公里及衍生的其他參數。

電、氣、液聯控系統：

PLC總線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剎自動抱閘、轉盤慣性剎車投入等保護功能。

一體化儀表系統具體主要顯示監控以下參數：

發電機組數據：各發電機電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率等。如果是模擬控制發電機組，則需要從控制模塊引出實際信號并增加變送器變為標準信號輸入到PLC。如果是數字控制發電機組則可以直接采用通信方式讀出這些信號。

傳動系統數據：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，各風機、注油泵、噴淋泵等運行狀態。這些信號一般要從開關量模塊輸入。

鉆井工藝參數：懸重、鉆壓、轉盤轉速、轉盤扭矩、泵壓、大鉗扭矩、入口流量、出口返回量、井深、機械鉆速、游車位置、噸·公里、鉆時及衍生的其他參數。懸重、泵壓、大鉗扭矩和出口返回量測量要安裝傳感器；轉盤轉速、轉盤扭矩由全數字傳動系統給出，不需要傳感器；井深、機械鉆速、游車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系，可由全數字傳動系統給出，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，例如液位過高或過低，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，實時性好。傳感器安裝復雜，維護麻煩，對惡劣環境的承受能力差。從電氣上來說硬件成本增加不多，軟件開發的工作量增大了。罐區的傳感器也可以采用ASI（執行器-傳感器總線）總線方式以減少接線，可與智能井電共用ASI總線。

三、西門子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。我們已經成功地將S7-400H PLC應用于ZJ50DB鉆機電控系統。S7-400H在現場運行比較穩定，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而設計的。例如當網絡1的通信電纜熱冗余對現場電磁干擾并不具有“冗余”能力，電磁環境兼容性方面的設計仍然要嚴格執行相關的技術標準。在實際現場我們見到了一套以S7-300PLC設計的軟件冗余雙PLC控制ZJ50LDB變頻傳動系統，由于抗干擾措施不足，經常發生通信中斷故障，雙PLC也不頂用。在檢查故障時從PMU單元上直接手動啟動變頻器，就發現兩套PLC通信過程連續相互切換，第一套中斷后第二套運行接著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說單總線和雙總線的能力是一樣的。

但是由于雙總線系統比較復雜，接線較多，陸地鉆機又是頻繁移動設備，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合，而且滿足大規模系統的大容量控制任務。例如海洋鉆井平臺，大型軋鋼工廠，石油煉化工廠等。現在已經有新建造的海洋鉆井平臺開始使用S7-400H熱冗余系統。在發生故障時，對現場用戶維護人員的實際維護能力的要求較高。陸地石油鉆機電控系統從PLC應用的角度來衡量只是一個中小型系統，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。