CN201556065U - 一种石油钻机电控系统的准热备份控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种石油钻机电控系统的准热备份控制系统，该系统中包括有两个相同的可编程控制器站、一个电控制房、一个切换站一个变频器组和一个司钻房I/O站，两个可编程控制器站通过现场总线的方式实现通讯以共享数据块文件，两个可编程控制器分别连接到电控房I/O站，该电控房I/O站连接至切换站，所述的切换站连接至变频器组和司钻房I/O站。本实用新型通过双PLC站采用软件方式实现数据实时备份，成本低，性能好，既避免了使用硬件设备进行热备份而带来的成本增加，又解决了PLC站故障导致电控设备突然性停机问题，达到既节省成本又保证设备使用可靠性的双重功效。
Description
技术领域
本实用新型涉及石油钻采设备，特别是涉及到一种石油钻机电控系统的准热备份控制系统。
背景技术
在石油钻机中，电控系统是主要动力来源和电气设备的控制中枢，其稳定的运行状态是保证钻井作业过程正常开展和电气设备使用安全的重要保证。在钻井作业时，司钻在司钻房内操作手柄、开关、旋钮等部件发出操作指令后，通过通讯电缆/控制电缆将操作指令传递给电控房中的可编程控制器站(PLC站)，由PLC站进行判断后，再将操作指令传递给发电和传动装置变频器组(绞车、转盘、泥浆泵、发电机)，对相应的电气设备(绞车、转盘、泥浆泵)的运行状态(启动、停止和运行参数)进行调整，同时显示电气设备(绞车、转盘、泥浆泵、发电机)的运行状态。在整条控制链上，PLC站处于核心地位，起到接收上端(司钻)数据、做出分析和判断、发给下端(电气设备)指令的作用。一旦PLC站出现故障，整条控制链就会断掉，发电和传动装置变频器组在通讯中断的情况下会自动关闭电气设备的运行，导致整个钻井作业过程出现突然性的停止，危害不可估量，轻则耽误生产、增加钻井成本，重则会发生卡钻、损坏井壁，甚至是机毁人亡事故，后果不堪想象。
目前，石油钻机行业中存在两种解决电控系统备份的解决方案：旁路电缆控制的解决方案和PLC站热备份(即硬件备份)的解决方案，这两种解决方案都属于硬件备份，区别在于前者是非实时、非全覆盖的，仅适用于紧急情况的处理，后者是实时全备份。
旁路电缆控制就是采用冗余电缆直接连接到司钻房和电控房的对应设备上的解决方案。在这种解决方案中，司钻房和电控房的控制包括PLC站正常控制和旁路冗余控制两种方式。在正常工作情况下，采用PLC站的控制方式，通过PROFIBUS-DP现场总线技术，由一根两芯通讯电缆实现司钻房和电控房的数据传输。旁路电缆控制是在出现紧急情况后，即PLC站出现故障后的应急措施，采用点对点电缆直接联通的控制方式。为保证紧急状况下的钻机使用安全，旁路电缆控制至少需要满足30个控制点的一一对应关系，也就是说至少需要有多根控制电缆连接在司钻房和电控房之间，形成不少于60个点的接插关系。旁路电缆控制的显著优点在于控制直接、安全可靠。但是缺点也非常突出，主要是1)旁路控制点多，连接线多，连接插头多，导致故障发生的概率多，存在的安全隐患多，排查故障用时多；2)为节省资源，只有主要的控制点才采用旁路电缆控制，因此仅能做应急使用；3)切换需要手动操作，依赖于司钻的技术技能，费时长；4)PLC站正常控制和旁路冗余控制是两套完全独立的控制系统，增加电控系统的生产成本；5)现场安装复杂，调试麻烦；6)增加井队搬迁的工作量。
PLC站热备份的解决方案就是采用两套互为热备份的PLC站硬件设备，每套PLC站均有一个PS电源模块、一个CPU中央处理器模块和一个CP工业以太网通讯模块组成，并安装在一个特殊紧凑的机架上。这两套PLC站的CPU模块上各插有一个Syne(同步)模块，并通过光缆相互连接，实现两个PLC站的数据相互通讯目的。在电控系统运行过程中，这两套PLC站能自动更新数据，确保数据的一致性。当某一个PLC站出现故障时，另一个PLC站能自动在中断处接管后续所有信息处理工作，不会丢失任何数据，保证电控系统的正常运行。PLC站热备份解决方案的优点在于：1)全部的控制点都可备份；2)两套PLC站硬件自动切换，效率高；3)备份性能依赖于硬件设备质量，可靠性有保证；4)热备份功能在同一套控制系统内完成，不需要再单独连线。缺点是：1)带有硬件热备份功能的PLC站属于高档产品，价格不菲，会显著增加电控系统的生产成本；2)热备份的PLC站调试和维护复杂。
发明内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种新型的石油钻机电控系统的准热备份控制系统。利用本实用新型的控制系统以达到避免硬件热备份带来的成本增加和引PLC站故障导致的停机问题，可靠性能达到提高。
为了达到上述发明目的，本实用新型提供的技术方案如下：
一种石油钻机电控系统的准热备份控制系统，该系统中包括有两个相同的可编程控制器站、一个电控制房、一个切换站、一个变频器组和一个司钻房I/O站，两个可编程控制器站通过现场总线的方式实现通讯以共享数据块文件，两个可编程控制器分别连接到电控房I/O站，该电控房I/O站连接至切换站，所述的切换站连接至变频器组和司钻房I/O站。
在本实用新型中，所述的可编程控制器站包括有电源模块、中央处理器模块和工业以太网通讯模块，第一可编程控制器站和第二可编程控制器站通过各自的工业以太网通讯模块的DP、RS232串口以PROFIBUS-DP现场总线的方式实现通讯以共享一个数据块文件。
在本实用新型中，所述的电控房I/O站由第一远程模块化I/O站、第二远程模块化I/O站、DI数字量输入模块、D0数字量输出模块和AI模拟量输入模块组成，所述的DI数字量输入模块、D0数字量输出模块和AI模拟量输入模块为第一远程模块化I/O站和第二远程模块化I/O站共用，所述第一可编程控制器站的中央处理器模块的DP、RS232串口以PROFIBUS-DP现场总线的方式连接至第一远程模块化I/O站；所述第二可编程控制器站的中央处理器模块的DP、RS232串口以PROFIBUS-DP现场总线的方式连接至第二远程模块化I/O站。
在本实用新型中，所述的切换站包括有一个延时继电器、一个继电器和三个配置相同的中继器，所述的延时继电器和继电器并联连接至所述的D0数字量输出模块中，所述的延时继电器连接第一中继器，继电器连接第二中继器，所述的第一中继器和第二中继器均连接至第三中继器中，所述的第一中继器还连接至司钻房I/O站的第一远程模块化I/O站，第二中继器还连接至司钻房I/O站的第二远程模块化I/O站，所述的第三中继器的连接至第二可编程控制器模块的电源模块以处于恒带电状态，所述的第三中继器连接变频器组并向其输出数据块文件。
基于上述技术方案，本实用新型较现有技术具有如有如下技术优点：
本实用新型在石油钻机电控系统上普遍使用的中档PLC站的基础上，增添一套同样配置的PLC站，通过软件方式实现两个PLC站的数据共享，再通过继电器和中继器实现通讯线路的切换，最终达到电控系统软件热备份，即准热备份的目的。本实用新型通过双PLC站采用软件方式实现数据实时备份，成本低，性能好，既避免了使用硬件设备进行热备份而带来的成本增加，又解决了PLC站故障导致电控设备突然性停机问题，达到既节省成本又保证设备使用可靠性的双重功效。
附图说明
图1是本实用新型一种石油钻机电控系统的准热备份控制系统的结构原理示意图。
具体实施方式
下面我们结合附图和具体的实施例来对本实用新型一种石油钻机电控系统的准热备份控制系统做进一步的详细阐述，以求更为清晰地描述本实用新型的结构和连接方式，以及其使用方法。但不能以此来限制本实用新型的保护范围。
本实用新型主要解决利用两套同样配置的PLC站实现数据共享；两套PLC站具有相同的数据输出端；通过继电器和中继器实现两套PLC站通讯线路的切换；利用一套延时继电器和继电器组合，解决继电器硬件动作耗时而带来的通讯线路临时中断问题。
如附图1所示，石油钻机电控系统的控制站由两套SIMENS的S7-300PLC站组成，每套PLC站均包括PS307电源模块、CPU315-2DP中央处理器模块和CP342-5工业以太网通讯模块。这两套PLC站安装在一个CR主机架上，组成主站。每套PLC站的CP342-5工业以太网通讯模块通过各自的DP、RS232串口以PROFIBUS-DP现场总线方式实现通讯，共享一个数据块文件。
电控房I/O站由ET200M-1远程模块化I/O站、ET200M-2远程模块化I/O站，以及DI数字量输入模块、DO数字量输出模块和AI模拟量输入模块组成，安装在一个ER1扩展机架上，形成子站1。ET200M-1远程模块化I/O站和ET200M-2远程模块化I/O站配置相同，DI模块、DO模块和AI模块为ET200M-1站和ET200M-2站所公用。S7-300PLC站的CPU315-2DP模块通过DP、RS232串口通过PROFIBUS现场总线与ET200M远程模块化I/O站进行通讯，进行数据的传输。
切换站由一个延时继电器、一个继电器和三个配置相同的中继器组成。延时继电器的常闭触点和继电器的常开触点控制中继器-1和中继器-2的得电和失电，从而控制其工作状态。继电器和中继器之间需要判定是PLC站1还是PLC站2工作，才能确定届时的联通对象。在初始状态，电控系统默认PLC站1工作，则中继器-1处于得电状态而联通，中继器-2处于失电状态而断开。中继器-3直接连接到PLC站2的PS307电源模块上，保持恒带电状态。中继器-1与ET200M-1站相连，中继器-2与ET200M-2站相连，中继器-3是中继器-1和中继器-2的共同输出端。
发电和传动装置变频器组由绞车(DW)、转盘(RT)、泥浆泵(MP)、发电机(GEN)和工业电脑显示终端(PLC)组成。绞车(DW)、转盘(RT)、泥浆泵(MP)和发电机(GEN)变频器分别控制绞车、转盘、泥浆泵的启动、停止和参数调整；工业电脑显示终端(PLC)在线显示绞车、转盘、泥浆泵和发电机的运行状态。中继器-3与发电和传动装置变频器组之间通过PROFIBUS-DP现场总线进行通讯，将PLC站1或是PLC站2上的数据块文件传递给发电和传动装置变频器组。
司钻房I/O站由ET200M-1远程模块化I/O站、ET200M-2远程模块化I/O站，以及DI数字量输入模块、DO数字量输出模块和AI模拟量输入模块组成，安装在一个ER2扩展机架上，形成子站2。ET200M-1站和ET200M-2站配置相同，DI模块、DO模块和AI模块为ET200M-1站和ET200M-2站所公用。中继器-1和ET200M-1站、中继器-2和ET200M-2站分别通过PROFIBUS-DP现场总线进行通讯。
工作时，司钻在司钻房内操纵手柄、开关、旋钮等设备，产生的控制信号经司钻房I/O站，由ET200M-1站传递给中继器-1，再经电控房I/O站，由ET200M-1站传递给PLC站1的CPU315-2DP模块，形成数据块文件后，再由PLC站1的CP342-5通讯模块传递给PLC站2的CP342-5通讯模块，实现数据共享。数据块文件由PLC站1的CPU315-2DP模块，经电控房I/O站的EM200M-1站、中继器-1传递到中继器-3上，再传递给传动装置变频器组，从而控制相应电气设备的启动、停止和参数调整。
当PLC站1出现故障时，通过CPU315-2DP模块将故障信息写入到数据块文件中，并由CP342-5通讯模块传递给PLC站2。处于监听状态的PLC站2得到含有PLC站1故障信息的数据块文件后，立即启动成工作状态，并将对发电和传动装置变频器组的故障状态进行复位的命令也写入到数据块文件中。由PLC站2的CPU315-2DP模块与电控房I/O站的ET200M-2站进行通讯，并通过DO数字量输出模块输出控制信号给延时继电器和继电器。通过判断是PLC站1工作还是PLC站2工作，继电器和延时继电器选择供电给中继器-1还是中继器-2。此时判断为PLC站2工作，所以继电器的常开触电闭合，给中继器-2供电；延时继电器的常闭触电断开，延时停止给中继器-1供电，延时时间和继电器常开触电闭合的硬件动作时间一致。在此期间，因中继器-1延时失电，仍保持与发电和传动装置变频器组之间的通讯联系，使得后者不会因通讯终端而自动对相应电气设备进行停机动作。但是，此时的发电和传动装置变频器组会显示出故障状态。在延时时间到达后，中继器-1失电而断开，中继器-2同步得电而闭合，继续保持与发电和传动装置变频器组的通讯。中继器-2一方面将司钻房I/O站的控制命令传递给PLC站2，另一方面将PLC站2传递来的数据块文件经中继器-3传递给发电和传动装置变频器组，将绞车、转盘、泥浆泵和发电机的故障状态复位至正常状态，同时将控制命令传递给各电气设备。此后，可随时对PLC站1进行维护。修好后的PLC站1处于监听状态。
当PLC站2出现故障时，与上述过程类似，PLC站1随即从监听状态转到工作状态，保持电控系统一直处于连续工作的状态。
本实用新型通过双PLC站采用软件方式实现数据实时备份，成本低，性能好，既避免了使用硬件设备进行热备份而带来的成本增加，又解决了PLC站故障导致电控设备突然性停机问题，达到既节省成本又保证设备使用可靠性的双重功效。
Claims (4)
1.一种石油钻机电控系统的准热备份控制系统，其特征在于，该系统中包括有两个相同的可编程控制器站、一个电控制房、一个切换站、一个变频器组和一个司钻房I/O站，两个可编程控制器站通过现场总线的方式实现通讯以共享数据块文件，两个可编程控制器分别连接到电控房I/O站，该电控房I/O站连接至切换站，所述的切换站连接至变频器组和司钻房I/O站。
2.根据权利要求1所述的一种石油钻机电控系统的准热备份控制系统，其特征在于，所述的可编程控制器站包括有电源模块、中央处理器模块和工业以太网通讯模块，第一可编程控制器站和第二可编程控制器站通过各自的工业以太网通讯模块的DP、RS232串口以PROFIBUS-DP现场总线的方式实现通讯以共享一个数据块文件。
3.根据权利要求2所述的一种石油钻机电控系统的准热备份控制系统，其特征在于，所述的电控房I/O站由第一远程模块化I/O站、第二远程模块化I/O站、DI数字量输入模块、D0数字量输出模块和AI模拟量输入模块组成，所述的DI数字量输入模块、D0数字量输出模块和AI模拟量输入模块为第一远程模块化I/O站和第二远程模块化I/O站共用，所述第一可编程控制器站的中央处理器模块的DP、RS232串口以PROFIBUS-DP现场总线的方式连接至第一远程模块化I/O站；所述第二可编程控制器站的中央处理器模块的DP、RS232串口以PROFIBUS-DP现场总线的方式连接至第二远程模块化I/O站。
4.根据权利要求3所述的一种石油钻机电控系统的准热备份控制系统，其特征在于，所述的切换站包括有一个延时继电器、一个继电器和三个配置相同的中继器，所述的延时继电器和继电器并联连接至所述的D0数字量输出模块中，所述的延时继电器连接第一中继器，继电器连接第二中继器，所述的第一中继器和第二中继器均连接至第三中继器中，所述的第一中继器还连接至司钻房I/O站的第一远程模块化I/O站，第二中继器还连接至司钻房I/O站的第二远程模块化I/O站，所述的第三中继器的连接至第二可编程控制器模块的电源模块以处于恒带电状态，所述的第三中继器连接变频器组并向其输出数据块文件。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: ZHONGMAN PETROLEUM DRILLING TECHNOLOGY CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: ZHONGMAN PETROLEUM AND NATURAL GAS GROUP CO., LTD. Effective date: 20120621 |
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