摘" " 要：工業(yè)現(xiàn)場總線的應用給自動化領(lǐng)域帶來了深遠影響，傳統(tǒng)的集中控制結(jié)構(gòu)逐步被分布式智能設(shè)備所取代，工業(yè)以太網(wǎng)的應用滿足了各領(lǐng)域?qū)Ω咝屎透唛_放性的要求，這種開放性和互操作性在現(xiàn)代自動化系統(tǒng)中得到了體現(xiàn)。作為無螺絲電氣連接技術(shù)和電子接口模塊領(lǐng)域的佼佼者，德國Wago公司生產(chǎn)的Wago-I/O-system以其緊湊的外形設(shè)計與最高質(zhì)量標準的統(tǒng)一成為世界范圍內(nèi)最成功的現(xiàn)場總線系統(tǒng)之一，Wago-I/O-system采用模塊化設(shè)計，并與各類現(xiàn)場總線兼容，從而可以滿足應用中的各種要求。將Wago-I/O-system應用到海洋石油鉆井平臺中，與Amphion鉆井控制系統(tǒng)相結(jié)合，使得設(shè)備運轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)可靠、鉆井生產(chǎn)更加安全高效、設(shè)備維護更加簡單便捷。

關(guān)鍵詞：海洋石油；鉆井控制系統(tǒng)；Wago；Wago-I/O-system；Amphion；鐵鉆工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簡介

Wago-I/O-system 是一種功能強大的可編程自動化控制器，在工業(yè)自動化領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的精準控制和實時監(jiān)測，還可以收集和處理各類關(guān)鍵數(shù)據(jù)。為了與不同類型的現(xiàn)場設(shè)備和控制器實現(xiàn)高效連接，Wago-I/O-system支持多種通訊協(xié)議，如Modbus、PROFIBUS、Industrial Ethernet等，這種多協(xié)議支持的特點使得系統(tǒng)具備了極強的兼容性和通用性。此外，Wago-I/O-system 還具有良好的開放性和可擴展性，它提供了便捷的編程和配置接口，使用者可以根據(jù)具體的工業(yè)應用場景進行靈活定制。無論是簡單的控制任務還是復雜的系統(tǒng)集成，Wago-I/O-system都能展現(xiàn)出優(yōu)異的適應性和可靠性，為工業(yè)自動化帶來了更大的便利和效益。

1.2" " Wago-I/O-system的優(yōu)勢

1）可以在很惡劣的環(huán)境下保證無故障持續(xù)安全運行，適用于處在振動和沖撞的環(huán)境、溫濕度很高的環(huán)境及對抗電磁干擾要求較高的環(huán)境。

2）與各類現(xiàn)場總線兼容。采用模塊化設(shè)計，根據(jù)具體應用，可在總線適配器與控制器間選擇適用于不同總線協(xié)議的模塊。

3）自動連接。內(nèi)部數(shù)據(jù)通過K-BUS總線連接（彈簧自動連接），同時通過電源跨接觸電使相鄰模塊自動進行點位分布。

4）通過可編程現(xiàn)場總線控制器和工業(yè)PC，現(xiàn)場總線適配器具備可編程控制功能。配置、編程和可視化均可通過軟件WAGO-I/O-PRO實現(xiàn)。

5）靈活性。Wago-I/O-system的每個節(jié)點都可以根據(jù)通道需要進行配置，并有多種電位和信號類型可供選擇（1～8個通道）。數(shù)字量和模擬量輸入/輸出模塊及特殊功能模塊可自由組合，在一個現(xiàn)場總線節(jié)點中，可以通過使用電源模塊改變某些I/O模塊的供電電壓。

6）操作簡單。該系列模塊適于導軌安裝，也可并排組裝，從而可實現(xiàn)無需工具的操作，添加模塊均簡單易行，現(xiàn)場的連接由久經(jīng)考驗的CAGE CLAMP籠式彈簧承擔，其可提供快速、抗振動和免維護的連接。

1.3" " Wago-I/O-system模塊介紹

Wago-I/O-system模塊種類豐富，包括但不限于以下這些模塊：其一，控制器模塊作為系統(tǒng)的核心，負責協(xié)調(diào)和控制其他模塊的工作；其二，連接器模塊用于連接各個模塊，確保信號的穩(wěn)定傳輸；其三，模擬量輸入模塊能夠?qū)⒛M信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便系統(tǒng)進行處理；其四，模擬量輸出模塊則將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，實現(xiàn)對外部設(shè)備的控制；其五，數(shù)字量輸入模塊用于檢測數(shù)字信號，如開關(guān)狀態(tài)等[1]；其六，數(shù)字量輸出模塊則用于控制數(shù)字信號的輸出，如控制繼電器等；其七，編碼器接口模塊專門用于與編碼器進行連接，獲取位置或速度等信息；其八，步進電機模塊可實現(xiàn)對步進電機的精確控制；其九，連接模塊提供了各種接口，以滿足不同設(shè)備的連接需求；其十，終端模塊則用于結(jié)束信號傳輸，保證系統(tǒng)的完整性。上述這些模塊各司其職，共同構(gòu)成了Wago-I/O-system強大的功能體系，能夠滿足各種工業(yè)自動化應用的需求。在實際應用中，用戶可以根據(jù)具體的需求和場景，選擇合適的模塊進行組合和配置，以實現(xiàn)最優(yōu)的系統(tǒng)性能和效率。以下介紹Wago-I/O-system常用模塊。

1）數(shù)字量輸入模塊：用于檢測數(shù)字信號，如開關(guān)狀態(tài)、傳感器信號等。例如，Wago 750-467是一款4通道數(shù)字量輸入模塊。

2）數(shù)字量輸出模塊：用于控制數(shù)字信號，如繼電器、指示燈等。例如，Wago 750-466是一款4通道數(shù)字量輸出模塊。

3）模擬量輸入模塊：適用于采集模擬信號，如溫度、壓力、流量等。例如，Wago 750-479是一款4通道模擬量輸入模塊。

4）模擬量輸出模塊：可以用來控制模擬信號，如控制閥、變頻器等。例如，Wago 750-481就是一款4通道模擬量輸出模塊。

5）通訊模塊：實現(xiàn)模塊與其他設(shè)備或系統(tǒng)的通訊。例如，Wago 750-849是一款以太網(wǎng)通訊模塊。

6）電源模塊：為其他模塊提供電力支持。例如，Wago 750-600就是一款電源模塊。

7）編碼器接口模塊：專門用于連接編碼器，獲取位置或速度信息。例如，Wago 750-482是一款編碼器接口模塊。

8）熱電偶模塊：用于測量熱電偶信號，如溫度。例如，Wago 750-485是一款熱電偶模塊。

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

如圖1所示，Wago-I/O-system 750是一個模塊化的現(xiàn)場總線獨立I/O系統(tǒng)，由一個現(xiàn)場總線連接器/控制器“1”和應用于各種類型信號的現(xiàn)場總線模塊“2”共同組成總線的節(jié)點，然后由終端模塊“3”完成節(jié)點。

連接器/控制器可適用的現(xiàn)場總線系統(tǒng)包括PROFIBUS、INTERBUS、ETHERNET TCP/IP、CAN（CANopen， DeviceNet）、MODBUS、LON等。連接器/控制器包含一個現(xiàn)場總線接口、一個電子單元和一個電源終端?？偩€接口提供了與相關(guān)現(xiàn)場總線連接的接口，電子單元處理總線模塊的數(shù)據(jù)，使之適合現(xiàn)場總線通訊。Wago-I/O-system 750是具有各種功能的總線模塊，比如數(shù)字量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊、特殊功能模塊等，都可以連接到連接器/控制器。總線模塊與連接器/控制器之間的通訊是通過內(nèi)部總線實現(xiàn)的。Wago-I/O-system 750具有一個帶LED燈的端口，可以進行狀態(tài)指示。

1.5" " Field Bus Coupler 750-333

Field Bus Coupler 750-333（見圖2）支持Wago-I/O-system 750中的所有外圍I/O模塊，通過PROFIBUS DP傳輸數(shù)據(jù)。在總線連接器的初始化階段，確定節(jié)點的物理結(jié)構(gòu)，并自動配置，生成所有輸入輸出模塊的本地過程映像。

Field Bus Coupler 750-333由以下幾個部分組成。第一，電源模塊。內(nèi)部系統(tǒng)電源模塊和給I/O模塊供電的電源跳線觸點。集成的內(nèi)部系統(tǒng)電源模塊可以為電子器件和連接的I/O模塊提供所需電壓，總線接口電源是從內(nèi)部系統(tǒng)電源模塊單獨隔離出來的。第二，總線接口。D-Sub9針插座（見圖3）。PROFIBUS接口是根據(jù)US Standard EIA RS 485標準設(shè)計的有線數(shù)據(jù)傳輸。第三，調(diào)節(jié)站地址的兩個旋轉(zhuǎn)開關(guān)（十進制）。設(shè)備地址在設(shè)備上電初始化時就已經(jīng)執(zhí)行，運行期間調(diào)整是無用的。第四，狀態(tài)顯示單元（LED，見圖4）。包括運行狀態(tài)、總線通訊、故障信息診斷等。第五，配置接口。配置接口是與WAGO-I/O-CHECK軟件通訊時或固件上傳時使用的。需注意：在連接器/控制器通電時，禁止插拔通訊線750-920。第六，與I/O模塊通訊的電子器件。

2" " Amphion系統(tǒng)

2.1" " Amphion系統(tǒng)簡介

Amphion系統(tǒng)是美國國民油井華高公司（NOV）研發(fā)的一套電子自動鉆井控制系統(tǒng)，也是目前世界上最先進的鉆井操作系統(tǒng)。Amphion自動鉆井控制操作系統(tǒng)的控制原理簡單，便于現(xiàn)場操作人員理解和掌握；系統(tǒng)功能強大，能夠滿足不同鉆井工況的需求；采用了先進的電子技術(shù)和軟件設(shè)計，系統(tǒng)穩(wěn)定性高；硬件和軟件都具有良好的可擴展性，能夠滿足用戶的不同需求[2]。

Amphion系統(tǒng)是一個全面的鉆機控制系統(tǒng)，它提供了一個統(tǒng)一的鉆井設(shè)備控制界面，每一個設(shè)備由單獨的SBC（Single Board Computer）控制，設(shè)備之間又通過一個環(huán)網(wǎng)互相通訊（見圖5）。

2.2" " Amphion系統(tǒng)控制原理

Amphion系統(tǒng)的控制是基于傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)等多個領(lǐng)域技術(shù)的綜合應用。具體來說，Amphion系統(tǒng)通過各種傳感器實時采集鉆井設(shè)備參數(shù)，如游車高度、大鉤載荷、泥漿泵泵沖、鐵鉆工位置等，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心。控制中心根據(jù)這些數(shù)據(jù)進行分析和處理，并生成相應的控制指令。這些控制指令通過網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)發(fā)送給鉆井設(shè)備，從而實現(xiàn)對鉆井設(shè)備的自動化控制。簡單來說，就是操作者控制電腦，電腦控制設(shè)備，設(shè)備的狀態(tài)通過傳感器反饋給電腦，電腦又通過人機界面直觀地反映給操作者（見圖6）。

2.3" " Amphion系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

Amphion系統(tǒng)通過MOXA開關(guān)（見圖7）構(gòu)成一個環(huán)網(wǎng)，所有的設(shè)備包括觸摸屏、控制手柄、工具控制器、Wago I/O等最后都通過網(wǎng)線連接到環(huán)網(wǎng)上，操作者可以通過人機交互界面訪問任何已連接到環(huán)網(wǎng)中的設(shè)備，讀取所需要的設(shè)備參數(shù)，而后操作設(shè)備，并獲得設(shè)備的狀態(tài)信息反饋。其中，鉆井工具控制器SBC是Amphion控制系統(tǒng)的核心元件，它可以儲存所控制工具的所有參數(shù)信息，并可以通過連接在這個網(wǎng)絡(luò)中的任意一臺電腦讀取所需信息。Amphion系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次分為4個層級，即平臺工具、工作總線、以太網(wǎng)及操作者。

3" " Wago-I/O-system在Amphion鉆井系統(tǒng)中的應用

3.1" " Amphion系統(tǒng)中Wago的連接

在Amphion系統(tǒng)中，部分設(shè)備的Wago I/O直接連接到了環(huán)網(wǎng)中，如MTC（Multi Control Cabinet）柜的I/O和MSI（Multiple System Interface）的I/O等，而大部分設(shè)備的Wago I/O是先通過OLM（Optical Link Module）連接到設(shè)備的SBC后，再接入環(huán)網(wǎng)中（見圖8）。

3.2" " MTC柜內(nèi)的Wago模塊

MTC柜內(nèi)的Wago模塊采集了包括電源模塊、鉆井設(shè)備控制模塊（絞車、頂驅(qū)、排管機、鐵鉆工、指梁、輔助設(shè)備等的SBC）、MOXA開關(guān)、OLM模塊、溫度傳感器（見圖9）等的狀態(tài)信息，通過以太網(wǎng)連接到環(huán)網(wǎng)中，最終以簡單明了的界面顯示在觸摸屏上，操作者和維護者可以直觀地監(jiān)測各控制模塊和通訊模塊等的正常狀態(tài)或者故障狀態(tài)，這也為設(shè)備出現(xiàn)故障時維護人員發(fā)現(xiàn)和解決問題提供了極大的便利。

3.3" " 通過Wago的反饋解決鐵鉆工ST-160故障

鐵鉆工是海洋鉆井平臺管道自動化處理裝置的組成部分之一，由主鉗、背鉗及旋扣鉗組成，能實現(xiàn)對鉆具的上、卸扣作業(yè)，它集合了鉆臺上所有的上扣與卸扣工具，比如液壓大鉗、B型鉗、套管鉗都可由鐵鉆工代替。鐵鉆工對鉆桿的傷害低，三個鉗頭抱緊鉆桿，接箍自動居中，避免了剪切力對鉆桿的傷害。可以遠程操作，操作安全簡單且可靠，有效提高管道處理的自動化水平[3-5]。

NOV生產(chǎn)的ST-160型鐵鉆工，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，鉆具范圍3.5～10 in（1 in=25.4 mm），能力突出，功能強大，是鉆井平臺極其重要的裝備。當鐵鉆工出現(xiàn)故障時，如何快速判斷并排除故障是至關(guān)重要的。而Amphion系統(tǒng)可以做到這一點，通過Wago的反饋，可以將故障直觀地顯示在操作界面，使操作者和維護人員可在最短時間內(nèi)找到故障點，從而保障了生產(chǎn)的連續(xù)性。

3.3.1" " "鐵鉆工ST-160的通訊連接

在鐵鉆工ST-160的REMOTE I/O箱里，Wago模塊通過profibus DP連接到OLM，然后通過光纖與MTC柜通訊。在MTC柜里，光纖通過OLM模塊轉(zhuǎn)換為profibus DP與鐵鉆工ST-160的SBC通訊，SBC通過網(wǎng)線連接到環(huán)網(wǎng)中，見圖10。

3.3.2" " 故障現(xiàn)象及解決方法

鐵鉆工ST-160在使用時，副司鉆已取得的權(quán)限突然被釋放掉，導致無法繼續(xù)操作，此時，鐵鉆工ST-160報警界面顯示與諸多節(jié)點的通訊丟失，查看profibus I/O狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)鐵鉆工ST-160控制器SBC與各節(jié)點的通訊全部中斷，見圖11（鐵鉆工ST-160故障現(xiàn)象1）。查看MTC柜內(nèi)的模塊狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)ST-160的OLM狀態(tài)指示為故障狀態(tài)，見圖12（鐵鉆工ST-160故障現(xiàn)象2）。打開ST-160 REMOTE I/O箱檢查發(fā)現(xiàn)OLM模塊故障，狀態(tài)指示燈全部熄滅。Wago模塊的BF燈為紅色，見圖13（鐵鉆工ST-160故障現(xiàn)象3），說明PROFIBUS通訊故障。測量OLM模塊的24 V電源，狀態(tài)為正常，判斷為OLM模塊本身故障，于是更換新OLM模塊，并設(shè)定好地址，之后所有狀態(tài)指示恢復正常，ST-160通訊恢復，設(shè)備可以正常運轉(zhuǎn)。

4" " 結(jié)束語

通過對Wago模塊在Amphion鉆井系統(tǒng)中的應用研究，從而深刻認識到模塊化設(shè)計在鉆井系統(tǒng)中的重要性。Wago模塊的可靠性、靈活性和易于維護性為Amphion鉆井系統(tǒng)的高效運行提供了有力支持。Wago-I/O-system與各類現(xiàn)場總線的強大兼容性，為其與各種控制器的連接，以及構(gòu)建工業(yè)現(xiàn)場總線環(huán)網(wǎng)控制系統(tǒng)都帶來了極大的便利，其模塊化設(shè)計及模塊的多樣性可以滿足現(xiàn)場大部分傳感器的數(shù)據(jù)采集要求，其對振動、沖撞、溫濕度高等惡劣環(huán)境的強適應性使之非常適合在海洋鉆井平臺上使用。Wago-I/O-system與Amphion系統(tǒng)的結(jié)合，為海洋石油鉆井平臺鉆井設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、操作維護及故障處理提供了理想的解決方案。然而，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，仍需不斷探索和創(chuàng)新，以進一步提高鉆井系統(tǒng)的性能和適應性。

參考文獻

[1]" 許少堅. AutoMax DCS系統(tǒng)分析及在涂布生產(chǎn)線上的應用[J]. 工業(yè)設(shè)計，2012（2）：234-235.

[2]" 毛祖臣，杲慧軍. Amphion自動鉆井控制系統(tǒng)介紹與應用[J]. 海洋石油，2013，33（1）：86-91.

[3]" 吳愛萍，趙世剛，劉翠潔，等.海洋鉆井平臺鐵鉆工主要結(jié)構(gòu)形式淺析[J].機械研究與應用，2015，28（5）：16-17，21.

[4]" 張洪生，于昊，趙金峰. 鐵鉆工的現(xiàn)狀與展望[J]. 石油礦場機械，2008，37（1）：12-16.

[5]" 任福深，王威，劉曄，等. 石油管柱上卸扣裝置技術(shù)現(xiàn)狀[J]. 石油機械，2012，40（5）：15-19.

作者簡介：

李" " 昊（1986—），男，山東費縣人，工程師，2008年畢業(yè)于中國石油大學（華東）電氣工程及其自動化專業(yè)，現(xiàn)主要從事自升式鉆井平臺電氣系統(tǒng)管理和維護工作。

Email：418402339@qq.com

編輯：林" " 鮮