profibus-dp總線技術(shù)在工業(yè)電氣自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用研究

1、引言

石油電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)是近年來(lái)發(fā)展非常快的鉆井專用裝備，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外各大油田的開(kāi)發(fā)。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，石油鉆機(jī)的控制系統(tǒng)已由模擬式控制技術(shù)逐步轉(zhuǎn)化為數(shù)字式控制技術(shù)，由繼電器控制模式逐步轉(zhuǎn)化為總線智能控制模式，并繼續(xù)朝著智能化控制方向發(fā)展和改進(jìn)。由于profibus-dp現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)比較成熟，可靠性高，模塊化功能強(qiáng)大，組態(tài)靈活方便，故障率低，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)方便，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)系統(tǒng)中。

本文將從石油鉆機(jī)井場(chǎng)情況進(jìn)行分析，介紹在石油鉆機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)中profibus-dp現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用情況，并以一套普通zj40d鉆機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)為例，介紹了profibus-dp現(xiàn)場(chǎng)總線的具體應(yīng)用。

2、profibus-dp通信

隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的日新月異，工業(yè)控制結(jié)構(gòu)正發(fā)生著巨大的變化。profibus是目前國(guó)際上通用的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一，已被納入現(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)iec 61158和歐洲標(biāo)準(zhǔn)en 50170，并于2006年批準(zhǔn)發(fā)布中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)gb/t 20540-2006 profibus規(guī)范。profibus是一種用于工廠自動(dòng)化車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。它以其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)、嚴(yán)格的認(rèn)證規(guī)范、開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)、眾多廠商的支持和不斷發(fā)展的應(yīng)用行規(guī)，profibus是一種國(guó)際化、開(kāi)放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，廣泛適用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通電力等其他領(lǐng)域自動(dòng)化。

profibus是siemens公司提出的一種適用于所有現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的開(kāi)放式工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。profibus由三部分組成，即profibus-dp（分布式外圍設(shè)備）、profibus-pa（過(guò)程自動(dòng)化）和profibus-fms（現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范）。在profibus現(xiàn)場(chǎng)總線中，profibus-dp（簡(jiǎn)稱dp協(xié)議）的應(yīng)用最廣。dp協(xié)議是一種高速低成本通信，主要用于plc與分布式i/o和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的高速數(shù)據(jù)通信。profibus-dp用于基礎(chǔ)控制層的高速數(shù)據(jù)傳送，主站周期地讀取從站的輸入信息，并周期地向從站發(fā)送輸出信息。profibus-dp的基本特性為：在一個(gè)有著32個(gè)站點(diǎn)的分布系統(tǒng)中，profibus-dp對(duì)所有站點(diǎn)傳送512bps輸入和512bps輸出，在傳輸速率為12mbps時(shí)，總線循環(huán)時(shí)間僅為1ms；經(jīng)過(guò)擴(kuò)展的profibus-dp診斷能對(duì)故障快速定位。診斷信息在總線上傳輸并由主站采集。診斷信息分3級(jí)：本站診斷操作、模塊診斷操作和通過(guò)診斷操作；rs-485制式雙絞線，雙線電纜或光纜，波特率從9.6kbit/s到12mbit/s；總線存取支持單主或多主系統(tǒng)。各主站間令牌傳遞，主站與從站間為主-從傳送；線形、星形、環(huán)形以及可選的光纖雙環(huán)形冗余拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。profibus-dp的上述特點(diǎn)使其在工業(yè)電氣自動(dòng)化領(lǐng)域占據(jù)了重要的地位。

3、石油鉆機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)

石油天然氣勘探與開(kāi)發(fā)用鉆機(jī)是由動(dòng)力機(jī)、傳動(dòng)機(jī)與多工作機(jī)組成的成套性聯(lián)合機(jī)組，屬于重型機(jī)械裝備。它主要包括旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)系統(tǒng)、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)、鉆具起升系統(tǒng)、動(dòng)力機(jī)組、傳動(dòng)和控制系統(tǒng)、底座和其他輔助設(shè)備等。其中，轉(zhuǎn)盤(pán)、絞車和泥漿泵是鉆機(jī)最主要的三大部件。

3.1 鉆機(jī)電控功能

本文以一套普通zj40d鉆機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)為例，介紹profibus-dp現(xiàn)場(chǎng)總線的具體應(yīng)用。電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。zj40d鉆機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)主要完成以下功能：

對(duì)絞車電機(jī)，完成單臺(tái)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制及調(diào)速功能；對(duì)轉(zhuǎn)盤(pán)電機(jī)，完成單臺(tái)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制、調(diào)速及扭矩限制功能；對(duì)泥漿泵電機(jī)，完成每臺(tái)電機(jī)的啟、停及調(diào)速功能；自動(dòng)送鉆電機(jī)，完成電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制及調(diào)速功能；完成以上電機(jī)的風(fēng)機(jī)、油泵及其它輔助電機(jī)的啟、停聯(lián)鎖控制；完成大鉤位置的顯示以及防止上碰、下砸的功能；完成部分鉆井參數(shù)的讀取及顯示。

圖1 zj40d電氣傳動(dòng)系統(tǒng)

3.2 鉆機(jī)電控組成

zj40d石油電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)主要由以下部分組成：

（1） 1個(gè)simense s7-300 plc；

（2） 6個(gè)simense 6ra70直流調(diào)速器，分別控制1mpa、1mpb、2mpa、2mpb、rt、dw，一對(duì)一控制；

（3） 1個(gè)simense 6se71變頻柜，用于控制abf；

（4） 2個(gè)mp370觸摸屏，分別安裝于綜合柜門(mén)板和司鉆臺(tái)面板；

（5） 1個(gè)司鉆臺(tái)，包括et200遠(yuǎn)程模塊。

（6） 5個(gè)mcc（電機(jī)控制中心）控制柜。

電傳動(dòng)系統(tǒng)中的直流調(diào)速器、變頻柜、觸摸屏、plc以及遠(yuǎn)程模塊，采用最少的硬件連接，依靠profibus-dp協(xié)議進(jìn)行通信。硬件組態(tài)和軟件編程工作在step7軟件中實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)硬件組態(tài)如圖2所示。

圖2 zj40d組態(tài)圖

首先在step7中組態(tài)一個(gè)s7-300站，其中集成dp口選擇為主站模式。然后，在profibus-dp的硬件列表中，按照實(shí)際器件型號(hào)，選擇對(duì)應(yīng)的硬件從站型號(hào)，拖拽到dp主站總線上，每一臺(tái)硬件從站設(shè)備都需要設(shè)定好單獨(dú)的profibus-dp地址。需要注意的是，觸摸屏mp370的組態(tài)過(guò)程需要在protool軟件里完成。這樣，電傳動(dòng)系統(tǒng)的硬件組態(tài)過(guò)程就完成了。

4、dp協(xié)議應(yīng)用設(shè)計(jì)

4.1 通信編程與參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)硬件組態(tài)完成后，基于profibus-dp的plc與各外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸是整個(gè)電傳動(dòng)系統(tǒng)的控制關(guān)鍵。由于基于profibus-dp的plc與各設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞绞腔疽恢碌?，所以下文以plc與abf6se71變頻柜之間的數(shù)據(jù)傳輸為例對(duì)profibus-dp通信進(jìn)行介紹。

硬件組態(tài)后的abf通信區(qū)地址如圖3所示，地址區(qū)i576-595共10個(gè)字，分別對(duì)應(yīng)pzd1--pzd10共10個(gè)傳輸控制數(shù)據(jù)。其中，pzd1為abf控制字1，pzd2為abf主給定，pzd3為abf控制字2。這樣，西門(mén)子s7-300 plc通過(guò)profibus-dp總線對(duì)6se71控制字的16位分別進(jìn)行置位、復(fù)位，同時(shí)也對(duì)6se71施加了給定，這樣就可實(shí)現(xiàn)6se71變頻柜對(duì)所連接變頻電機(jī)的各項(xiàng)控制。

圖3 abf通信區(qū)

具體傳輸時(shí)，使用系統(tǒng)功能sfc15，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入profibus-dp從站。在step7里編程如圖4所示，便將數(shù)據(jù)表中的四個(gè)待傳字傳送到6se71變頻器對(duì)應(yīng)的地址單元i576—583。依此方式，繼續(xù)向6se71變頻器傳送余下的6個(gè)字。

圖4 通信傳輸程序

同樣，plc也可以將6se71變頻柜的狀態(tài)字或運(yùn)行數(shù)據(jù)讀入plc，以供plc內(nèi)部程序處理需要。具體讀取時(shí)，使用系統(tǒng)功能sfc14，將數(shù)據(jù)從profibus-dp從站讀入plc。在step7里編程如圖5所示，便將6se71變頻柜地址為q576-583的四個(gè)字讀入到plc中的數(shù)據(jù)表中。

圖5 通信讀取程序

要使6se71變頻柜能夠用plc通過(guò)profibus-dp進(jìn)行控制，也需要對(duì)變頻器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。主要參數(shù)設(shè)置有：

p918=12；（6se71從站地址）

p554.001=3100，

.002=22；（起動(dòng)）

p443.001=3002，

.002=544；（主給定）

p566.001=3107，

.002=10；（復(fù)位）

p734.001=32；（狀態(tài)字1）

.002=151；（實(shí)際速度）

.003=33；（狀態(tài)字2）

依照以上設(shè)定方式，逐一對(duì)各直流調(diào)速柜進(jìn)行設(shè)定后，進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，電傳動(dòng)系統(tǒng)能夠按照設(shè)定要求可靠工作。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)總線抗干擾對(duì)策

在大型的設(shè)備運(yùn)行調(diào)試過(guò)程中， 減少干擾是最基本的，這是全數(shù)字控制系統(tǒng)的一個(gè)重要問(wèn)題。抗干擾設(shè)計(jì)是傳動(dòng)系統(tǒng)的重點(diǎn)綜合性問(wèn)題，本設(shè)計(jì)中也存在這樣的問(wèn)題，如果處理不好會(huì)造成各種各樣的現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題。目前，大多數(shù)情況下還是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)的積累來(lái)選擇抗干擾措施。在設(shè)計(jì)中，可以考慮以下一些措施：

（1） 交流進(jìn)線過(guò)電壓吸收裝置：可在發(fā)電機(jī)出線、房體進(jìn)線處安裝電涌保護(hù)器spd或者阻容吸收裝置。

（2） 動(dòng)力屏蔽：系統(tǒng)中直流輸出與變頻輸出均具有極強(qiáng)的瞬變電壓干擾能力，含有較多的高次諧波，因此全部的動(dòng)力輸出均考慮采用屏蔽電纜，可以有效地抑制動(dòng)力輸出對(duì)控制信號(hào)的干擾。

（3） 控制屏蔽：全部控制電纜也采用屏蔽電纜，屏蔽層兩頭接地，可以防止強(qiáng)干擾進(jìn)入控制回路。

（4） 分開(kāi)布線：電控房?jī)?nèi)外都實(shí)施動(dòng)力與控制分開(kāi)布線，電纜槽考慮設(shè)有動(dòng)力與控制隔離槽，特別注意通信電纜應(yīng)單獨(dú)鋪設(shè)。房外布線時(shí)要注意這一點(diǎn)。

（5） 接地措施：系統(tǒng)采用tn-s接地方式，零線與地線分離，房?jī)?nèi)設(shè)置接地母線，電機(jī)側(cè)也要沒(méi)置接地裝置，并保證可靠接地。

（6） 控制電源隔離：獨(dú)立的供電模塊提供穩(wěn)定的直流24v和直流10v電源，以確保控制電源的穩(wěn)定和不受干擾。

（7） 信號(hào)隔離：進(jìn)入變頻柜和直流調(diào)速柜的開(kāi)關(guān)量信號(hào)和進(jìn)入plc總線系統(tǒng)的外部開(kāi)關(guān)量信號(hào)經(jīng)過(guò)中間繼電器的轉(zhuǎn)換與隔離，可以防止強(qiáng)干擾直接竄入。

5、結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)證明，基于profibus-dp的zj40d鉆機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)能夠可靠工作，各部分均能按照設(shè)計(jì)要求工作，并具有profibus-dp和bypass兩種控制方式，保證鉆井過(guò)程可靠進(jìn)行?；趐rofibus-dp的石油鉆機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)，不僅可以提高鉆井工藝的自動(dòng)化水平，最大限度地提高生產(chǎn)效率，還可提高了鉆井系統(tǒng)的一體化程度。正是由于profibus-dp現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用，可以方便地與現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)設(shè)備進(jìn)行連接，并且安裝、調(diào)試、維護(hù)、更換都很方便。