資 鵬，石維民，趙永健

（中國水利水電第十四工程局有限公司，昆明 650041）

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基于TIA自動化技術(shù)的絞車監(jiān)視與控制系統(tǒng)設(shè)計

資 鵬，石維民，趙永健

（中國水利水電第十四工程局有限公司，昆明 650041）

摘 要：依托于西門子博途（TIA）軟件平臺，探討了鉆機(jī)八大件之一絞車的傳動控制方法。首先介紹絞車傳動系統(tǒng)原理，然后在博途軟件下設(shè)計其自動控制系統(tǒng)，完成控制系統(tǒng)硬件組態(tài)、PLC編程、和HMI編程，最后進(jìn)行實驗驗證，表明使用博途自動化軟件TIA可以方便地實現(xiàn)傳動系統(tǒng)的監(jiān)視與控制，實現(xiàn)對絞車電機(jī)的負(fù)載平衡分配。該方法在鉆機(jī)自動化應(yīng)用中具有方便、穩(wěn)定、可靠的優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：絞車；TIA；博途

0　引言

隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，自動控制技術(shù)日新月異。以PLC為基礎(chǔ)的自動控制系統(tǒng)的設(shè)計從以往的上位機(jī)系統(tǒng)與下位機(jī)系統(tǒng)分別設(shè)計的方式逐漸轉(zhuǎn)變成在集成的自動自動化軟件平臺下完成組態(tài)、編程工作，以此為代表的是西門子自動化軟件平臺TIA的推出，這種轉(zhuǎn)變使各行業(yè)自動控制系的設(shè)計開發(fā)和集成更快捷簡便與可靠，在鉆機(jī)裝備制造中也不例外。本文討論利用博途軟件完成鉆機(jī)絞車模塊的控制系統(tǒng)設(shè)計，提高鉆機(jī)制造效率的方法。

博途軟件是西門子最新一代自動化框架軟件，是西門子集成自動化系列所有用于工程、編程、和調(diào)試自動化設(shè)備和驅(qū)動系統(tǒng)的基礎(chǔ)［1，2］。與以往版本按任務(wù)獨立的自動化軟件如Step7、WinCC、WinCC Flexible等軟件不同，全新的TIA平臺采用統(tǒng)一的工程組態(tài)和軟件項目環(huán)境，幾乎適用于所有的自動化任務(wù)，讓用戶節(jié)省大量時間，體現(xiàn)了其高效、易用的特點。本文主要使用博途的Step7和WinCC模塊。

1　絞車的硬件結(jié)構(gòu)與控制原理

絞車是鉆機(jī)八大件之一，也是鉆機(jī)八大系統(tǒng)中起升系統(tǒng)的主要設(shè)備。絞車是集機(jī)械、電氣、液壓為一體的機(jī)械傳動設(shè)備。在鉆機(jī)中主要承擔(dān)旗下鉆具、控制鉆壓、處理卡轉(zhuǎn)、下套管、起放井架、底座等作用。絞車的主要部件包括滾筒軸、制動機(jī)構(gòu)、傳統(tǒng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、支撐結(jié)構(gòu)、和動力裝置［3］。目前鉆機(jī)市場主流是采用交流變頻電驅(qū)動絞車。其動力裝置一般采用兩臺交流變頻電機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)采用齒輪變速箱，根據(jù)鉆機(jī)具體要還可以選配送鉆電機(jī)以滿足鉆井工藝。絞車大致原理和結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1　絞車系統(tǒng)簡圖

圖2　絞車結(jié)構(gòu)示意圖

交流變頻電驅(qū)動絞車由交流變頻電動機(jī)經(jīng)連軸器同步將動力輸入齒輪減速箱輸入軸，動力經(jīng)過經(jīng)齒輪箱耦合后由齒輪減速后傳遞到主滾筒軸。制動裝置與滾筒主軸相連，實現(xiàn)絞車剎車、懸停等功能。絞車的調(diào)速完全由控制系統(tǒng)通過控制變頻器實現(xiàn)變頻調(diào)速以及扭矩的控制，本文則主要討論絞車主電機(jī)的傳動控制。

1.1絞車主回路

絞車主回路電路與原理如圖3所示，其中變頻器采用ABB公司的ACS800系列變頻器。ABB變頻器整流模塊將交流母線上的交流電轉(zhuǎn)化成直流母排上的直流電源。逆變器將直流母排上直流電轉(zhuǎn)換成頻率可控的交流電源并分別輸送給各個變頻電動機(jī)［4］。另外直流母線上的制動斬波器和制動電阻構(gòu)成直流回路。絞車下放鉆桿的時候產(chǎn)生回升電能，制動電阻則通過該直流回路吸收這些回升電能，起能耗制動的作用。

圖3　絞車主回路單線圖

1.2絞車控制網(wǎng)絡(luò)

絞車控制系統(tǒng)是鉆機(jī)控制系統(tǒng)的一部分，所以絞車的控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計不僅要結(jié)合鉆機(jī)的控制系統(tǒng)整理設(shè)計，同時還需要考慮絞車傳動控制的特殊要求。如圖4所示，鉆機(jī)一般采用典型的三層工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。最頂層為人機(jī)交互層，主要實現(xiàn)在線監(jiān)視與控制等功能。中間是PLC站點與各種控制模塊，主要完成信號采集與運算任務(wù)，實現(xiàn)設(shè)備控制邏輯等功能。最底層是各種傳感器、執(zhí)行器等模塊，是控制網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場設(shè)備。其中最頂層由工控機(jī)和觸摸屏等組成在線監(jiān)視與控制網(wǎng)絡(luò)。觸摸屏可以實現(xiàn)在線監(jiān)視和多點控制功能，工控機(jī)則完成參數(shù)曲線監(jiān)視以及變量歸等功能。上層網(wǎng)絡(luò)要求高通信速率和較高的可靠性，一般采用以太網(wǎng)通信，可保證較遠(yuǎn)的傳輸距離與可靠性。

PLC與現(xiàn)場設(shè)備之間的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)則要求良好的抗干擾性能和較高的通信速率，同時還要考慮系統(tǒng)兼容性、成本、以及鉆機(jī)控制系統(tǒng)整體要求。而Profibus、moudlebus、Profinet網(wǎng)絡(luò)是鉆機(jī)種最常用的幾種現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)。其中ProfibusDP網(wǎng)絡(luò)以優(yōu)良的可靠性、較高的通信速率、良好的市場普及兼容性和低成本成為首選。如圖4所示，PLC與變頻器的通信模塊通過PorfibusDP網(wǎng)聯(lián)系在一起組成底層通信網(wǎng)絡(luò)。

圖4　絞車控制網(wǎng)絡(luò)示意圖

絞車電傳動系統(tǒng)中兩臺絞車變頻電機(jī)的動力在齒輪減速箱中耦合后輸出到滾筒主軸，在不同的鉆井工藝中有時需要雙電機(jī)工作以提供盡可能大的扭矩，有時需要單電機(jī)工作以達(dá)到節(jié)能的目的。在雙電機(jī)工作時連個電機(jī)功能分擔(dān)滾筒扭矩，這個過程是由ABB變頻控制器實現(xiàn)的。ABB變頻器之間通過變頻器的ROMI光纖通信模塊完成各耦合電機(jī)之間的傳動參數(shù)的傳輸，使各個電機(jī)協(xié)調(diào)完成扭矩與速度的控制。這樣得益于變頻器的強(qiáng)大功能，各個電機(jī)都能快速響應(yīng)各自的負(fù)載和速度變化，而且還大大減小了PLC的程序復(fù)雜程度。

1.3PLC選型

PLC是下位機(jī)的控制核心，其選型的依據(jù)主要包括系統(tǒng)輸入輸出點規(guī)模、數(shù)據(jù)計算規(guī)模、所需CPU運算速率等。市場上PLC一般分為小型PLC其I/O點數(shù)在256點以下，中型PLC其I/O點數(shù)介于256至2048之間，和大型PLC其點數(shù)大于2048。鉆機(jī)控制系統(tǒng)輸入輸出點數(shù)在大約在1000以下，因此選用中型PLC。本文所涉及的絞車控制系統(tǒng)選用西門子出品的S7315型PLC，其運算性能優(yōu)良而且CPU帶以太網(wǎng)接口與可配置的ProfibusDP網(wǎng)接口。

1.4上位機(jī)系統(tǒng)

如1.2節(jié)所述，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由工控機(jī)和觸摸屏組成。工控機(jī)監(jiān)視軟件采用WinCC Runtime，觸摸屏采用西門子MultiTouch系列觸屏。觸屏可以實現(xiàn)多點監(jiān)控功能，而工控機(jī)主要完成數(shù)據(jù)歸檔等功能［5］。

2　軟件編程

軟件編程分兩部分，一部分為PLC編程，另一部分是為觸屏或工控完成人機(jī)交互界面（HMI）。前者使用TIA的Step7模塊完成后者用TIA的WinCC模塊完成。

STEP7是用于西門子系列工控產(chǎn)品包括SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WinAC的編程、監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置，是SIMATIC工業(yè)軟件的重要組成部分。博途軟件下集成的Step7組價不僅支持新系列PLCS7-1200、S7-1500，對300400系列PLC完美兼容，在硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通訊組態(tài)、編程、測試、啟動和維護(hù)、文件建檔、運行和診斷等方面的功能更強(qiáng)大、界面更直觀和人性化。

SIMATIC WinCC（Windows Control Center）—視窗控制中心（簡WinCC）是最常用的HMI軟件之一，WinCC以其卓越的使用性能已然成為市場的領(lǐng)導(dǎo)者。目前常用的工控機(jī)HMI組態(tài)采用SIMATIC WinCC，觸屏HMI組態(tài)采用WinCC Flexible，在博途中SIMATIC WinCC Professional組件具備所有HMI 功能，包括 SMATIC WinCC Basic、SMATIC WinCC Advance、SMATIC WinCC professional可完成所有觸屏和工控機(jī)的HMI編程。

2.1設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

首先在博途軟件里按照設(shè)計方案完成設(shè)備組態(tài)。在博途軟件的設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)視圖中添加相應(yīng)的設(shè)備，然后配置正確的網(wǎng)絡(luò)連接。相關(guān)信息如圖5所示，上層工業(yè)以太網(wǎng)需為每個設(shè)備配置正確的IP地址，線場層ProfibusDP網(wǎng)絡(luò)需配置正確的站點地址、波特率。須注意在設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)視圖中添加工控機(jī)站點時不僅需添加工控機(jī)設(shè)備，還要添加以太網(wǎng)卡設(shè)備與應(yīng)用軟件WinCC RT Professional作為工控機(jī)選配模塊。對于變頻器站點，只需添加變頻器通信模塊，在此之前還需要先安裝變頻器廠商提供的相應(yīng)設(shè)備的GSD文件，最后在變頻器站點配置所需要的PPO消息字段。PPO消息字段是PLC通過總線網(wǎng)絡(luò)與各通信站點進(jìn)行信息交換的I/O地址段。

圖5　絞車監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備組態(tài)

2.2下位機(jī)PLC編程

完成設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)后在項目樹的設(shè)備標(biāo)簽下可以找到所所添加的PLC站點。站點里包含該PLC站點的程序塊、數(shù)據(jù)庫、變量表、工藝對象等所有相關(guān)數(shù)據(jù)。編程前首先根據(jù)程序流程圖規(guī)劃所需的主要數(shù)據(jù)，在程序塊文件夾下建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊。程序塊文件夾下建立所需的函數(shù)模塊FB或FC。博途提供多種編程語言，包括梯形圖LAD、功能塊FBD、語句表STL或SCL語言，可以實現(xiàn)使用兩種以上的語言混合編程。博途軟件采用塊文件夾對程序塊和數(shù)據(jù)塊進(jìn)行管理，提高了程序的管理效率與可讀性。

圖6　程序理簡要流程

圖7　TIA中的S7編程

2.3觸屏編程

與PLC站定相似，每個觸摸屏的工程文件都包含在站點文件夾內(nèi)，每個觸屏站點下包含畫面、HMI變量、連接、腳本、報表等文件夾。在畫面文件夾下便新建HMI畫面，組態(tài)按鈕、I/O域、文本域、圖形域等控件。對于觸屏HMI變量的使用，可以直接從PLC站點下的DB塊、變量表中用鼠標(biāo)拖拽到畫面里或HMI變量表里，系統(tǒng)會在該站點下自動為變量添加正確的網(wǎng)絡(luò)連接，使下位機(jī)系統(tǒng)與上位機(jī)系統(tǒng)的銜接、集成更方便。最后再根據(jù)需要完成腳本程序代碼，觸屏HMI可以使用VB腳本實現(xiàn)上位機(jī)控制功能和計算任務(wù)。

2.4工控機(jī)編程

工控機(jī)站點下的HMI RunTime模塊下包含工控機(jī)HMI工程文件，與觸摸屏站點相似。除在腳本程序方面，RunTime功能更強(qiáng)大，不僅支持VB代碼還支持VC代碼。其余的編程方法也與觸摸屏完全相同。

3　實驗室調(diào)試驗證

調(diào)試前應(yīng)首先檢查硬件設(shè)備并按照設(shè)計原理檢查電路，正確無誤后給系統(tǒng)合閘上電，并按一下步驟進(jìn)行調(diào)試驗證。

1）從操作面板為各變頻器配置正確的參數(shù)。主要包括：（1）Profibus通信參數(shù)如地址、波特率、PPO類型、以及PPO字段中的參數(shù)指針和用于主從傳動應(yīng)用的光纖通信參數(shù)等；（2）電機(jī)傳動參數(shù)并包括進(jìn)行電機(jī)辨識，如電機(jī)額定電壓、額定電流、功率、功率因數(shù)等；（3）其他必要的應(yīng)用參數(shù)，如電機(jī)的主從耦合應(yīng)用參數(shù)組。

2）下載PLC程序至CPU，并用博途軟件在線調(diào)試功能，排除程序邏輯錯誤。

3）下載HMI程序至觸摸屏，并在線調(diào)試排除邏輯錯誤，和運行WinCCRunTime排除工控機(jī)HMI程序的邏輯錯誤。

圖8　觸屏與變頻器調(diào)試

其中對于電傳動系統(tǒng)中電機(jī)的主從應(yīng)用，主從電機(jī)的典型耦合方式包括齒輪耦合、鏈條耦合、皮帶輪耦合。前兩者屬于剛性耦合，適宜采用扭矩控制模式、第三種屬于柔性耦合適宜采用速度控制模式。對于絞車電傳動系統(tǒng)，如上文所述絞車電機(jī)A和絞車電機(jī)B通過齒輪耦合，所以需配置從機(jī)變頻器參數(shù)組為扭矩控制模式。

圖9　工控機(jī)HMI調(diào)試

對于主電機(jī)和從電機(jī)的主控字工作方式又有獨立控制、從屬控制、混合方式。獨立控制是指主、從電機(jī)變頻分別從現(xiàn)場總線拾取PLC發(fā)送的主控字與給定值。從屬控制方式是指PLC只為主機(jī)發(fā)送主控字與給定值，從機(jī)的控制字和給定由主機(jī)通過光纖鏈路發(fā)送至從機(jī)?；旌戏绞絼t介于兩者之間，從機(jī)的控制字由PLC與主機(jī)的控制字組合而成。三總方式可根據(jù)具體控制需求隨意選擇，并通過配置變頻器的主從應(yīng)用參數(shù)組實現(xiàn)。

4　結(jié)束語

本文以鉆機(jī)絞車系統(tǒng)為對象，采用西門子博途軟件為自動化平臺，實現(xiàn)了絞車控制系統(tǒng)的集成化設(shè)計、編程、調(diào)試。調(diào)試過程表明采用TIA集成自動化軟件具有很多優(yōu)點。博途軟件具有友好的人機(jī)界面，統(tǒng)一的項目平臺有利于項目文件的集成管理，提高了工程文件管理效率。博途是一個自動化集成平臺，它有利于技術(shù)人員調(diào)高開發(fā)效率、方便交流，使技術(shù)人員以最少的變量連接實現(xiàn)最優(yōu)化的設(shè)計。尤其是博途軟件采用統(tǒng)一平臺使Step7與WinCC之間無縫連接，所有的變量只需要輸入一次不僅大大減少了工程組態(tài)時間、降低了成本，同時這種集中的數(shù)據(jù)管理機(jī)制讓還減小了錯誤的風(fēng)險。博途軟件對于新老型號的自動化設(shè)備具備良好的兼容性。可以看出集成化的自動化組態(tài)軟件是自動化的發(fā)展方向。利用如像博途這種集成自動化軟件完成工程項目能大幅提高效率，節(jié)約成本。

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Monitor and control system design of drawworks based on TIA automation technique

ZI Peng， SHI Wei-min， ZHAO Yong-jian

中圖分類號：TP23

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1009-0134（2016）05-0124-04

收稿日期：2016-01-07

作者簡介：資鵬（1989 -），男，云南陸良人，碩士研究生，研究方向為機(jī)械自動化。