基于PROFIBUS总线技术平台管具移运控制系统研究

论文摘要

石油钻机和管具处理系统都是石油钻井过程中非常重要的设备,钻井过程能否顺利进行取决于它们的机械结构和控制系统是否设计合理。在海洋平台上设备繁多,独立控制各设备不仅成本高,而且难以对平台上分散的设备进行集中控制和管理,造成了人力、物力上的极大浪费。本文结合自行设计的钻机和管具处理系统,应用PLC技术和PROFIBUS现场总线技术,实现了对钻机和管具处理系统的集中控制和管理,并对平台上其他设备的PROFIBUS网络扩展进行了探索和研究。论文首先介绍了钻机和管具处理系统的机械结构和液压系统,阐述了机械系统的设计目的、完成的动作和各机构的工作流程,并对液压系统各个执行元件的动作进行了介绍,通过对各元件的PLC控制来实现它们的顺序动作,利用传感器实现对它们的检测,保证系统顺利运行。接着是对整个现场总线控制系统进行了阐述,采用了一台S7-400的PLC做主站对各从站进行集中控制,选择S7-300的PLC做从站对钻机和管具处理系统进行控制,利用Step7 V5.3软件完成了PROFIBUS现场总线控制系统的软硬件设计和通讯程序设计。在从站S7-300中编程实现了系统的手动、单步、单周期和连续四种方式的工作;完成了自动送钻控制系统设计,根据其数学模型,分三环利用PID控制技术和模糊控制技术设计了自动送钻程序。在WinCC软件平台上设计开发了监控钻机和管具处理系统的人机界面,将其工作状况准确形象地显示在司钻的面前,便于司钻作出正确的决策,从而降低司钻的疲劳程度;并能将重要的工作参数存储在工控机中,为重要资料的备份提供了方便快捷的途径。最后对整个海洋平台上的现场总线网络进行了扩展,介绍了支持PROFIBUS协议的第三方设备的加入,以及与AS-I总线和工业以太网的连接。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 课题的来源和选题的依据
• 1.1.1 课题的直接来源
• 1.1.2 系统集成技术发展的需要
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外先进自动化钻机介绍
• 1.2.2 国内研究状况
• 1.3 本课题的主要研究内容及意义
• 第二章 机械机构和液压系统设计
• 2.1 系统的机械结构和工作流程
• 2.1.1 系统的的机械机构介绍
• 2.1.2 系统的作业流程
• 2.2 各部件的机械机构设计
• 2.2.1 机械臂的设计
• 2.2.2 铁钻工的设计
• 2.2.3 立根盒的设计
• 2.3 液压技术概述
• 2.4 石油钻机管具处理系统的液压系统设计
• 2.4.1 管具处理系统的工作流程
• 2.4.2 液压系统回路的设计
• 2.5 系统的主要传感器选型及用途
• 第三章 PROFIBUS 现场总线控制系统设计
• 3.1 引言
• 3.1.1 现场总线技术概述
• 3.1.2 PROFIBUS 现场总线技术简介
• 3.2 控制系统总体结构
• 3.2.1 PLC 控制系统类型
• 3.2.2 现场总线系统的硬件描述
• 3.3 Step7 简介
• 3.4 系统的硬件组态
• 3.4.1 从站的硬件组态
• 3.4.2 主站的硬件组态
• 3.5 主从站之间的通讯程序设计
• 3.5.1 通讯数据区的组态
• 3.5.2 通讯程序
• 第四章 S7-300 智能从站控制程序设计
• 4.1 开环控制系统程序设计
• 4.1.1 程序的总体结构
• 4.1.2 程序执行的过程
• 4.2 模拟量闭环控制系统设计
• 4.2.1 自动送钻控制原理
• 4.3 钻压环控制程序设计
• 4.3.1 模糊控制基本理论概述
• 4.3.2 钻压环的模糊控制系统设计
• 4.4 速度环和流量环控制程序设计
• 4.4.1 PID 控制简介
• 4.4.2 Step7 软件的的PID 模块简介
• 4.4.3 流量环和速度环的PID 控制程序设计
• 第五章 监控系统和人机界面的设计
• 5.1 WinCC 简介
• 5.2 WinCC 监控界面的设计流程
• 5.2.1 WinCC 与Step7 的集成
• 5.2.2 监控界面的设计原则
• 5.2.3 监控界面的设计
• 5.2.4 编辑监控画面
• 5.3 人机界面的安全保护性设计
• 5.3.1 访问权限设置
• 5.3.2 人机界面的硬件保护措施
• 第六章 系统可扩展性分析
• 6.1 海洋钻井设备的扩展方案
• 6.1.1 海洋设备的组成
• 6.1.2 PROFIBUS 网络的可扩展性
• 6.2 加入支持PROFIBUS-DP 协议的第三方设备
• 6.3 与AS-I 总线的连接
• 6.3.1 AS-I 总线简介
• 6.3.2 利用网关与PROFIBUS 网络连接
• 6.4 以太网的连接
• 第七章 系统的测试
• 7.1 PROFIBUS-DP 网络硬件和通讯程序测试
• 7.1.1 CP5611 硬件自检
• 7.1.2 硬件诊断
• 7.1.3 通讯程序测试
• 7.1.4 利用BT200 手持终端器进行硬件测试和诊断
• 7.2 WinCC 人机界面测试
• 结论
• 参考文献
• 附录（符号表）
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢