CN103324133B - 基于plc的钻机集成环形网络通讯控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PLC的钻机集成环形网络通讯控制系统，包括与主操作台PLC站和客户端分别连接的主操作台；客户端同时与网络NET2和网络NET3连接，网络NET3连有CCTV控制器；网络NET2连有副服务器、数据库服务器和主服务器；网络NET3与网络NET5连接，网络NET5与主远程监控站连接，网络NET2与网络NET4连接，网络NET4再与主远程监控站连接；主操作台PLC站、主服务器还与网络NET1连接，网络NET1分别与PLC控制站一、400H冗余控制站对应连接。本发明的装置，实现了控制系统的自动化、智能化、网络化，实时性好，通讯服务稳定、可靠。

Description

基于PLC的钻机集成环形网络通讯控制系统

技术领域

本发明属于自动化控制技术领域，涉及一种基于PLC的钻机集成环形网络通讯控制系统。

背景技术

随着科学技术的进步，石油钻机装备控制系统更加追求自动化、智能化、网络化，把人从繁琐、辛劳的劳动中解放出来，用控制机械设备完成相关作业，减少人员配置，特别是在一些危险的场合，通过具备自动化、智能化、网络化的控制系统的应用可以在远程操作控制设备，使得操作者远离了危险区，真正做到“以人为本”。

目前，石油钻机装备要求不间断作业，停机将造成重大经济损失，这时对控制系统的稳定性、可靠性就提出了更高的要求。要求系统具备冗余备份等功能，其中个别设备、线路出现故障，整个系统其他部分仍可以正常工作，不影响正常生产、作业。

目前，石油钻机装备需要同时采集和输出控制大量的信号，对系统响应的实时性提出了挑战，不仅要求系统具备足够的通讯带宽，还要求系统具备快速响应功能，目前现有的一些石油钻机通讯控制网络已经不能满足系统要求，急需相应的解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于PLC的钻机集成环形网络通讯控制系统，解决了现有技术中石油钻机通讯控制网络自动化程度不高、容错能力差、实时性不能满足要求等问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于PLC的钻机集成环形网络通讯控制系统，包括主操作台，主操作台与主操作台PLC站连接，主操作台还同时与客户端连接；

所述的客户端同时与上层数据监控通讯网络NET2和上层视频信号通讯网络NET3连接，上层视频信号通讯网络NET3上还连接有CCTV控制器；上层数据监控通讯网络NET2上还连接有数据库服务器和主服务器；上层视频信号通讯网络NET3与远程视频信号通讯网络NET5连接，远程视频信号通讯网络NET5再与主远程监控站连接，同时，上层数据监控通讯网络NET2与远程监控通讯网络NET4连接，远程监控通讯网络NET4再与主远程监控站连接；

所述的主操作台PLC站、主服务器还与集成控制环形通讯网络NET1连接，集成控制环形通讯网络NET1分别与PLC控制站一、400H冗余控制站对应连接，400H冗余控制站再通过ET200M站与Y-LINK连接。

本发明的基于PLC的钻机集成环形网络通讯控制系统，其特征还在于：

还设置有副操作台及其副操作台PLC站，副操作台和主操作台结构一致，连接关系一致；副操作台PLC站与主操作台PLC站结构一致，连接关系一致。

还设置有副服务器，所述的副服务器与主服务器结构一致，连接关系一致。

还设置有PLC控制站二、PLC控制站N，PLC控制站二、PLC控制站N均与PLC控制站一结构一致，连接关系一致。

CCTV控制器由IPC机外加视频采集卡组成，用于采集来自现场的工业用摄像头CAMERA1、CAMERA2……CAMERA4的视频信号。

本发明的有益效果是：采用PLC控制器构建ETHERNET网络实现控制系统自动化、智能化、网络化，实现远程监测和控制；基于ETHERNET的环形通讯网络保障通讯服务的稳定、可靠，满足不间断作业要求；应用带宽为100M bit/s的ETHERNET网满足大中型控制系统的大量数据流的传输。

有益效果具体表现在：

首先，实现了集成自动化控制系统。把现场各个分散的待控设备集中管理，实现对分散设备的监测和控制，实现了现场无人化的操作，可以起到精简结构，减少人员配置，提高生产效率的作用。而且系统配备了远程监控模式，可以实现管理级的监控。

其次，系统构建了基于ETHERNET的环形通讯网络，确保系统通讯的可靠性和稳定性，系统局部故障，不会造成系统停机，可很好的避免因设备停机所造成的重大经济损失。

最后，系统网络采用了带宽为100M bit/s的ETHERNET工业以太网作为主通讯网络，完全可以满足中小型集成控制系统的大量的数据流传输，可以适应于各类控制场合。

附图说明

图1是本发明集成控制系统的结构框图；

图2是本发明集成控制系统的环形网络拓扑图。

图中，1.副操作台，2.主操作台，3.副操作台PLC站，4.主操作台PLC站，5.客户端，6.CCTV控制器，7.副服务器，8.数据库服务器，9.主服务器，10.主远程监控站，11.副远程监控站，12.PLC控制站一，13.PLC控制站二，14.400H冗余控制站，15.ET200M站，16.Y-LINK，17.PLC控制站N，

另外，NET1是集成控制环形通讯网络；

NET2是上层数据监控通讯网络；

NET3是上层视频信号通讯网络；

NET4是远程监控通讯网络；

NET5是远程视频信号通讯网络；

C1、C2均为客户端至操作台之间的信号通讯线路；

C3、C4均为操作台与操作台PLC站之间的信号通讯线路；

SW1、SW2……SW13均为多端口的光纤以太网交换机；

CAMERA1、CAMERA2……CAMERA4均为工业用摄像头。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参照图1、图2，本发明的基于PLC的钻机集成环形网络通讯控制系统（简称集成控制系统），包括远程办公室单元、现场CCTV单元、本地集中控制室单元、本地仪表房单元、多个现场控制柜单元组成。实施例的多个现场控制柜单元包括现场控制柜一单元、现场控制柜二单元、现场控制柜三单元，分别代表着现场较分散的三个设备配备的PLC本地控制柜，用于完成对应设备的信号的采集和输出控制，实际情况不限于三个本地控制柜；本地仪表房单元用于安装为较集中的现场设备配备的PLC控制站点，包含多套PLC站，分散的各个PLC站点和本地仪表房中集成的各个PLC站点通过ETHERNET环网实现站点间和上位机的通讯，实现了现场所有PLC控制站集中管理和维护；本地集中控制单元实现了现场设备的集中监测和控制，能及时准确的响应现场工况；现场CCTV单元为操作控制提供视频监视，实现了现场多个场景实时画面的采集、传输；远程办公室单元可以远程操作现场各个设备，实现了远程办公室实时监测和控制现场设备的功能。

现场系统设备分散布置在各个位置，为了实现集中监控，必须组建分布式计算机网络，图2显示的是本发明的集成控制系统网络拓扑图。

参照图1，本发明的集成控制系统的网络连接结构是，包括副操作台1和主操作台2，副操作台1通过信号通讯线路C4与副操作台PLC站3连接，同时，主操作台2通过信号通讯线路C3与主操作台PLC站4连接；副操作台1和主操作台2还通过各自的信号通讯线路C1、C2同时与客户端5连接；

客户端5同时与上层数据监控通讯网络NET2和上层视频信号通讯网络NET3连接，上层视频信号通讯网络NET3上还连接有CCTV控制器6；上层数据监控通讯网络NET2上还连接有副服务器7、数据库服务器8和主服务器9；上层视频信号通讯网络NET3通过交换机SW11及交换机SW13与远程视频信号通讯网络NET5连接，远程视频信号通讯网络NET5再与主远程监控站10及副远程监控站11同时连接，同时，上层数据监控通讯网络NET2通过交换机SW10及交换机SW12与远程监控通讯网络NET4连接，远程监控通讯网络NET4再与主远程监控站10及副远程监控站11同时连接；

副操作台PLC站3、主操作台PLC站4、主服务器9、副服务器7还通过各自的交换机SW6、SW7、SW8、SW9与集成控制环形通讯网络NET1连接，集成控制环形通讯网络NET1分别通过交换机SW1、SW2、SW3和SW4、SW5与PLC控制站一12、PLC控制站二13、400H冗余控制站14、PLC控制站N17对应连接，400H冗余控制站14再通过ET200M站15与Y-LINK16连接。

PLC控制站一12、PLC控制站二13、400H冗余控制站14、ET200M站15、Y-LINK16、PLC控制站N17负责采集现场各个控制设备的IO信号和总线信号，将信号送至各个PLC站的CPU处理。各个PLC控制站通过集成控制环形通讯网络NET1实现信号的同享，并通过环网将信号送至副服务器7、主服务器9，通过上层数据监控通讯网络NET2将现场信号送至客户端5和数据库服务器8。客户端5将收集来的各个信号送至副操作台1和主操作台2的人机界面显示，并提供给控制程序实现逻辑互锁保护。副操作台PLC站3和主操作台PLC站4负责采集副操作台1和主操作台2的各个控制指令，并根据系统的逻辑保护程序做出准确的判断，将输出控制信号通过集成控制环形通讯网络NET1送至PLC控制站一12、PLC控制站二13、400H冗余控制站14及PLC控制站N17。各个PLC控制站获得准确指令后把控制指令信号送至执行器控制端，驱动相应的执行器完成规定的动作，实现一整套的集成控制系统的监测和控制。主远程监控站10和副远程监控站11为各个远程管理者监控单元，通过远程监控通讯网络NET4实现远程访问副服务器7、数据库服务器8和主服务器9，实现一整套的集成控制系统的远程监测和控制。

为了保证系统控制信号的通讯质量，系统的视频信号采用了单独的通讯总线方式，避免了与控制通讯总线的干扰，实现了双总线通讯的方案。CCTV控制器6采集各个现场工业用摄像头CAMERA1、CAMERA2、CAMERA3、CAMERA4……等的视频信号，通过上层视频信号通讯网络NET3把视频信号送至客户端5，通过远程视频信号通讯网络NET5把视频信号送至主远程监控站10和副远程监控站11。

参照图2，本发明的集成控制系统按照使用功能分为六大部分：①现场控制柜一单元、②现场控制柜二单元、③现场控制柜三单元、④本地仪表房单元（包括现场CCTV单元）、⑤本地集中控制室单元、⑥远程办公室单元。下面以西门子系列的PLC为例，对这几个部分分别介绍。

①现场控制柜一单元：由PLC控制站一12组成，对应现场一个或多个控制设备，负责采集现场控制设备的IO信号，将信号送至各个PLC站的CPU处理。PLC控制站通过集成控制环形通讯网络NET1实现与其他PLC控制站信号的同享，并通过环网将信号送至副服务器7、主服务器9，通过上层数据监控通讯网络NET2将现场信号送至客户端5和数据库服务器8。对于钻机设备，它对应的可以是顶驱、转盘、泥浆泵、绞车等任何一个设备。

②现场控制柜二单元：由PLC控制站二13组成，同现场控制柜一单元结构一致，这里不再详述。

③现场控制柜三单元：由PLC控制站N17组成，同现场控制柜一单元结构一致，这里不再详述。

④本地仪表房单元：包括客户端5、CCTV控制器6、副服务器7、数据库服务器8、主服务器9、400H冗余控制站14、ET200M站15、Y-LINK16以及多端口的光纤以太网交换机组成，

客户端5由PLC站或IPC机组成，用于运行副操作台1和主操作台2对应的人机界面程序，并负责把交换机SW10的现场信号送至副操作台1和主操作台2对应的显示屏上进行显示。

CCTV控制器6由IPC机外加视频采集卡组成，采集来自现场的工业用摄像头CAMERA1、CAMERA2……CAMERA4等视频信号，并通过交换机SW11把信号送至客户端5，然后在对应的副操作台1和主操作台2显示屏上显示。

主服务器7、副服务器9由配备数据库的服务器组成，两者互为备用，数据信息等相互备份，正常工作时，只有一台服务器工作，另一台处于热备用状态，实时备份工作状态服务器的数据，当工作的服务器出现故障，系统通过控制程序自动切换到处于热备用状态服务器，接管完成各项数据保存和通讯的任务。每个服务器上配备了一个以太网通讯网卡，以实现挂接到集成控制环形通讯网络NET1上。

400H冗余控制站14属于冗余配置的容错自动化系统，通过冗余PROFIBUS-DP来连接切换式I/O，适用于具有高故障安全要求的控制设备，更适合于重新启动成本高、停产代价高昂以及需要很少监控和维护的应用场合。在石油钻机设备中，对近年来兴起的管柱自动处理系统中的某些关键设备即选用了400H冗余控制站14，实现安全、可靠工作。400H冗余系统由于采用了两套配置一样的控制站，要扩展400H冗余系统的通讯，且满足冗余系统的要求和功能，需要配备Y-LINK16。

Y-LINK16是DP Link+Y耦合器的总称，包含两个IM153或者IM157接口模块和一个Y耦合器，接口模块和Y耦合器之间通过总线模块连接。Y耦合器用于将DP从站连到DP link（IM153或者IM157）的DP master上，所以Y耦合器必须和DP Link组合才能使用。

ET200M站15是标准的分布式I/O系统，实现Y-LINK16与400H冗余控制站14的通讯。为此ET200M站15也需要配备双接口模块，实现与Y-LINK16双接口模块的对接。ET200M站15一般安装于设备本体上，负责采集现场各个设备本身的数字量和模拟量信号，并负责驱动现场级的各个开关和比例的控制阀、阀门、电机启动器，变频器等设备实现相应动作。本实施例中选用的是ET200M，在实际使用中也可以根据需要选用其他分布式I/O系统，比如ET200S、ET200pro、ET200eco或ET200iSP等。

数据库服务器8用于对现场设备各种信号的采集和存储，通过数据回放实现对故障的查询，便于对设备进行维护和保养，实现对整套系统的远程监测和故障诊断功能。

基于以上所述硬件设备，实现了本地仪表房内的网络搭建和通讯。针对本发明系统关键的技术和核心是集成控制环形通讯网络NET1的实现，下面对集成控制环形通讯网络NET1进行详细阐述。

西门子工业级交换机SCALANCE、X400/300/200以及OSM/ESM都支持冗余环网，另外还支持环与环之间的STBY的热备连接，构建环与环之间的冗余路径。

各台交换机通过冗余环口依次连接形成冗余环网。需要选择其中一台SCALANCE X作为冗余管理器RM，管理冗余环网，除了RM以外其它交换机需要设置冗余环口，在网络正常的情况下，整个网络处于一种线型结构，RM其中的一个冗余环口是处于断开状态的。冗余管理器要完成的工作是实时监控网络状态，当网络上的交换机故障或接线断开，它会通过一个替代路径恢复另外一种线型结构，整个网络的重构时间小于0.3秒。如果问题被排除，网络就恢复至原有的线型结构运行。需要注意的是，在一个环网中，只能存在一个交换机作为冗余管理器。环网可以是电气环网也可以是光纤环网，也可以是电气和光纤混合的环网。并且通过ETHERNET的冗余环网还可以实现现场级的各个从站之间的数据交换，实现符合钻井工艺的逻辑保护。

现场CCTV单元与本地仪表房设置在一起，现场CCTV单元包括CCTV控制器6和多个工业用摄像头CAMERA1、CAMERA2……CAMERA4。这些工业用摄像头均选用带云台的工业用防爆摄像头，本发明系统实施例选用四路视频信号，实际使用中可以扩展到多个视频采集单元。

⑤本地集中控制室单元：包括副操作台1、主操作台2、主操作台PLC站4及副操作台PLC站3。

副操作台1与主操作台2配置完全一致，可以互换操作使用。一般控制系统是实现如下分工的，主操作台2完成系统主要设备的监视和控制，副操作台1完成一些辅助设备的监视和控制，因为主设备和辅助设备往往要协同作业，同时操作，需要操作者很好的协调配合。考虑到设备的通用性和互换性，这里的两个操作台硬件配置完全一致，其中任何一个操作台都可以控制主设备或辅助设备，只是看是否拿到对应设备的控制权，实现对设备的监视和控制。

主操作台PLC站4、副操作台PLC站3结构一致，分别与主操作台2、副操作台1一一对应，配置完全一致，负责完成操作台的各个控制指令的采集和输出。以西门子PLC站为例，这里的PLC站点可以配置S7-300站。每一个PLC站配置有带以太网通讯口的CPU控制器，并配备具有以太网通讯口的CP卡，以实现挂接到集成控制环形通讯网络NET1上，并方便扩展通讯。

⑥远程办公室单元：包括主远程监控站10、副远程监控站11及多端口的光纤以太网交换机SW12、SW13。

主远程监控站10、副远程监控站11可由各个厂家的PC机构成，配置相应的软件和通讯协议，即可通过多端口的光纤以太网交换机SW12完成设备的远程监控；通过多端口的光纤以太网交换机SW13完成视频信号的通讯。

上述的多个PLC控制站由S7-300或S7-400等组成，用于运行各个单元设备控制逻辑、互锁保护等程序，实现对各个单元设备的智能管理。由于每个设备采用独立的PLC站监控，能够很容易的实现在环网上的挂接和移除，使得系统集成更灵活、方便。每一个PLC站配置有带以太网通讯口的CPU控制器，并配备具有以太网通讯口的CP卡，以实现挂接到集成控制环形通讯网络NET1上，并方便扩展通讯。本发明系统以配备了多个PLC站示例说明集成控制系统，在实际使用中可以扩展至五十多个站点，构建更大的控制网络。

多端口的光纤以太网交换机SW1、SW2……SW13选用的是带多个光纤以太网口的交换机，用以实现挂接到交换机上的各个设备之间的通讯。

基于上述的结构，即实现了整套集成控制系统的搭建。

总之，基于PLC的钻机集成环形网络通讯控制系统具有如下特点：ET200M站通过PROFIBUS通讯的方式实现与本地仪表房内PLC站点通讯，提高了系统的可靠性，保证了信号的传输速率。为了提高系统的可靠性和抗干扰能力，避免设备之间的干扰，针对现场每一个被控设备配备了单独的PLC站点，这样单台设备可以自成子单元。由于每个设备采用独立的PLC站监控，可以很容易的实现在环网上的挂接和移除，使得系统集成更灵活、方便。各个PLC站点之间通过带宽为100M bit/s的ETHERNET组成了冗余以太网环网，其中个别设备故障或通讯中断不影响系统正常操作，冗余环网将自动地切换为总线型结构实现通讯，故障排除后，总线系统自动返回正常的冗余环状态。并且通过ETHERNET的冗余以太网环网还可以实现现场级的各个从站之间的数据交换，实现符合钻井工艺的逻辑保护。

Claims (5)

1.一种基于PLC的钻机集成环形网络通讯控制系统，其特征在于：包括主操作台(2)，主操作台(2)与主操作台PLC站(4)连接，主操作台(2)还同时与客户端(5)连接；

所述的客户端(5)同时与上层数据监控通讯网络NET2和上层视频信号通讯网络NET3连接，上层视频信号通讯网络NET3上还连接有CCTV控制器(6)；上层数据监控通讯网络NET2上还连接有数据库服务器(8)和主服务器(9)；上层视频信号通讯网络NET3与远程视频信号通讯网络NET5连接，远程视频信号通讯网络NET5再与主远程监控站(10)连接，同时，上层数据监控通讯网络NET2与远程监控通讯网络NET4连接，远程监控通讯网络NET4再与主远程监控站(10)连接；

所述的主操作台PLC站(4)、主服务器(9)还与集成控制环形通讯网络NET1连接，集成控制环形通讯网络NET1分别与PLC控制站一(12)、400H冗余控制站(14)对应连接，400H冗余控制站(14)再通过ET200M站(15)与Y-LINK(16)连接；

所述的400H冗余控制站14采用S7-400冗余控制站。

2.根据权利要求1所述的基于PLC的钻机集成环形网络通讯控制系统，其特征在于：还设置有副操作台(1)及其副操作台PLC站(3)，副操作台(1)和主操作台(2)结构一致，连接关系一致；副操作台PLC站(3)与主操作台PLC站(4)结构一致，连接关系一致。

3.根据权利要求1所述的基于PLC的钻机集成环形网络通讯控制系统，其特征在于：还设置有副服务器(9)，所述的副服务器(9)与主服务器(7)结构一致，连接关系一致。

4.根据权利要求1所述的基于PLC的钻机集成环形网络通讯控制系统，其特征在于：还设置有PLC控制站二(13)、PLC控制站N(17)，PLC控制站二(13)、PLC控制站N(17)均与PLC控制站一(12)结构一致，连接关系一致。

5.根据权利要求1所述的基于PLC的钻机集成环形网络通讯控制系统，其特征在于：所述的CCTV控制器(6)由IPC机外加视频采集卡组成，用于采集来自现场的工业用摄像头CAMERA1、CAMERA2……CAMERA4的视频信号。