PROFIBUS-DP总线在石油钻机电传动系统中的应用

1 引言

　　石油电驱动钻机是近年来发展非常快的钻井专用装备，广泛应用于国内外各大油田的开发。进入20世纪90年代，石油钻机的控制系统已由模拟式控制技术逐步转化为数字式控制技术，由继电器控制模式逐步转化为总线智能控制模式，并继续朝着智能化控制方向发展和改进。由于profibus-dp现场总线技术比较成熟，可靠性高，模块化功能强大，组态灵活方便，故障率低，现场维护方便，现已广泛应用于电驱动钻机系统中。

　　本文将从石油钻机井场情况进行分析，介绍在石油钻机电传动系统中profibus-dp现场总线的应用情况，并以一套普通zj40d钻机电传动系统为例,介绍了profibus-dp现场总线的具体应用。

2 profibus-dp通信

　　随着计算机控制技术的日新月异，工业控制结构正发生着巨大的变化。profibus是目前国际上通用的现场总线标准之一，已被纳入现场总线的国际标准iec 61158和欧洲标准en 50170，并于2006年批准发布中国国家标准gb/t 20540-2006 profibus规范。profibus是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术，可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。它以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，profibus是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准，广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他领域自动化。

　　profibus是siemens公司提出的一种适用于所有现场应用的开放式工业控制现场总线标准。profibus由三部分组成，即profibus-dp(分布式外围设备)、profibus-pa(过程自动化)和profibus-fms(现场总线报文规范)。在profibus现场总线中，profibus-dp(简称dp协议)的应用最广。dp协议是一种高速低成本通信,主要用于plc与分布式i/o和现场设备的高速数据通信。profibus-dp用于基础控制层的高速数据传送，主站周期地读取从站的输入信息，并周期地向从站发送输出信息。profibus-dp的基本特性为：在一个有着32个站点的分布系统中，profibus-dp对所有站点传送512bps输入和512bps输出，在传输速率为12mbps时，总线循环时间仅为1ms；经过扩展的profibus-dp诊断能对故障快速定位。诊断信息在总线上传输并由主站采集。诊断信息分3级：本站诊断操作、模块诊断操作和通过诊断操作；rs-485制式双绞线，双线电缆或光缆，波特率从9.6kbit/s到12mbit/s；总线存取支持单主或多主系统。各主站间令牌传递，主站与从站间为主-从传送；线形、星形、环形以及可选的光纤双环形冗余拓扑结构。profibus-dp的上述特点使其在工业电气自动化领域占据了重要的地位。

3 石油钻机电气传动系统

　　石油天然气勘探与开发用钻机是由动力机、传动机与多工作机组成的成套性联合机组，属于重型机械装备。它主要包括旋转钻进系统、钻井液循环系统、钻具起升系统、动力机组、传动和控制系统、底座和其他辅助设备等。其中，转盘、绞车和泥浆泵是钻机最主要的三大部件。

　　3.1 钻机电控功能

　　本文以一套普通zj40d钻机电传动系统为例，介绍profibus-dp现场总线的具体应用。电驱动钻机电传动系统结构如图1所示。zj40d钻机电传动系统主要完成以下功能:

　　对绞车电机，完成单台电机的正、反转控制及调速功能；对转盘电机，完成单台电机的正、反转控制、调速及扭矩限制功能；对泥浆泵电机，完成每台电机的启、停及调速功能；自动送钻电机，完成电机的正、反转控制及调速功能；完成以上电机的风机、油泵及其它辅助电机的启、停联锁控制；完成大钩位置的显示以及防止上碰、下砸的功能；完成部分钻井参数的读取及显示。

图1 zj40d电气传动系统

　　3.2 钻机电控组成

　　zj40d石油电驱动钻机电传动系统主要由以下部分组成：

　　(1) 1个simense s7-300 plc；

　　(2) 6个simense 6ra70直流调速器，分别控制1mpa、1mpb、2mpa、2mpb、rt、dw，一对一控制；

　　(3) 1个simense 6se71变频柜，用于控制abf；

　　(4) 2个mp370触摸屏，分别安装于综合柜门板和司钻台面板；

　　(5) 1个司钻台，包括et200远程模块。

　　(6) 5个mcc(电机控制中心)控制柜。

　　电传动系统中的直流调速器、变频柜、触摸屏、plc以及远程模块，采用最少的硬件连接，依靠profibus-dp协议进行通信。硬件组态和软件编程工作在step7软件中实现。系统硬件组态如图2所示。

图2 zj40d组态图

首先在step7中组态一个s7-300站，其中集成dp口选择