基于S7-200Smart的潜油电泵变频器控制应用

基于S7-200Smart的潜油电泵变频器控制应用

周建新

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司天津300457

摘要：海上钻井平台OTS600系列变频器主要核心模块为施耐德ATV61变频模块，大多采用CI卡进行本地保护功能和控制逻辑，Profibus-DP卡实现与中央控制柜之间的通讯。现采用西门子S7-200Smart控制器，替换CI卡和DP卡，保留原有控制功能下，节约成本，同时提高了设备运行的稳定性和可靠性。本文重点介绍了控制系统替换原理、硬件组成和系统软件设计。

关键词：S7-200Smart；施耐德ATV61变频器；CI卡；DP卡；稳定性。

一、概述

海上钻井平台使用的潜油电泵变频器，渤海区域大多采用的是工程技术公司提供的OTS600系列变频器；OTS600系列变频器核心模块为施耐德ATV61变频模块，通过增加本地控制卡件实现扩展功能，如CI（ControlInside）卡实现本地保护功能和控制逻辑，DP（Profibus-DP）卡实现与中央控制柜主控制器之间数据通讯，实现远程操控及相关数据远传功能。

现采用西门子S7-200Smart控制器+通讯模块替换CI卡和DP卡，不但能够实现原有控制逻辑和各项保护功能，进行控制网络和程序优化之后，更对总线网络在实际使用中的缺陷进行了改善，提高了设备运行的稳定性。同时，原有CI卡和DP卡成本总价约为5000元左右，使用S7-200Smart控制器替换后，成本直降至2000元，一台变频器直接节省了3000元。

二、控制替换原理

原有控制系统通讯包含：变频器与触摸屏之间的MODBUS通讯，变频器与上位机之间的Profibus-DP通讯。替换后的通讯包含：S7-200Smart与变频器间的MODBUS通讯，S7-200Smart与触摸屏间的PPI通讯，S7-200Smart与上位机之间的TCP/IP以太网通讯。

其控制原理如下：

S7-200Smart控制器与变频器之间进行MODBUS通讯，实现变频器各项运行数据的反馈、相关变频器参数和机组保护参数的设置，以及控制字和设定频率的给定；

S7-200Smart控制器与触摸屏之间进行PPI通讯，实现变频器本地人机界面与控制器之间的写入和读取；

S7-200Smart控制器与上位机控制器之间进行TCP/IP通讯，实现变频器远程集中监控模式。

在整个控制网络中，变频器分站控制方式由原来的总线型Profibus-DP方式，更改为了星型拓扑结构的TCP/IP模式，完全避免了单台设备发生网络故障，如断线、通讯干扰等情况下，影响到当前网络上其它设备运行状况，将通讯因素导致停井风险直接降到了0，真正意义上实现了“通讯中断不停机”功能。

三、硬件配置

整个控制系统S7-200Smart控制器仅使用相关通讯功能，现场数字量和模拟量IO基本未使用，同时考虑到变频器柜内空间有限，散热要求较高，控制器选用IO点数最少、供电电源为220VAC的CPUSR20控制器，相关配置如表1：

S7-200Smart控制器本身集成的9针RS485通讯口与变频器本身RJ45通讯口之间进行MODBUS通讯，扩展的SBCM01端子式RS485通讯口与触摸屏进行PPI通讯，控制器本身自带的RJ45通讯端口与上位机控制器之间实现TCP/IP通讯。

四、系统软件设计

4.1通讯数据

潜油电泵变频器在调试初期，需要读取和设置变频器相关参数，主要包含：

读取：状态字、运行频率、运行电流、运行电压、输入LI状态和故障字；

写入：控制字、给定频率、电机运行方向、加速时间、减速时间、电流限幅、低速频率、高速频率、电机额定电压、电机额定频率、电机额定电流、电机额定转速、电机额定功率、热保护数值。

同时，针对潜油电泵井下机组，控制程序需要实现相关保护功能，包含：

过载设定值、过载延时值、欠载设定值、欠载延时值、短路保护值、过压设定值、过压延时值、欠压设定值、欠压延时值。

此外，为了便于现场实际操作，设备运行时本地保护和远程保护功能一致性，还需要对必要保护值进行数据同步，如欠载设定值、欠压设定值等。

4.2通讯实现

A：控制器与变频器之间

控制器作为主站，变频器作为从站，控制器软件中初始化主站功能后，按照轮寻方式进行各个变量的读取和写入。

其通讯参数含义为：波特率9600，校验位为偶校验，通讯端口为0（控制器本身集成口），从站地址为1，通讯功能0为读数据1为写数据。

B：控制器与触摸屏之间

控制器与触摸屏之间进行PPI通讯，按照标准PPI通讯设置即可。其通讯参数为：波特率9600，校验位为偶校验，从站地址为2。

C：控制器与上位机之间

控制器通过本身自带的RJ45端口，可实现常用的Profinet通讯、MODBUSTCP/IP通讯，或者与监控软件（如WINCC）通过OPC数据库形式，直接进行数据的采集和监控。

以MODBUSTCP/IP方式为例，控制器内需要进行MODBUSTCP服务器库调用，名称为“MBUS_SERVER”，设置参数为：通讯端口默认502，数字量、模拟量不作为通讯采集区，设置为0，保持性寄存器通讯数量为64Word，起始地址为VW0，终止地址为VW62。

同时，在系统块内将控制器地址修改为固定IP，即可通过MODBUSTCP/IP形式进行通讯。

4.3变量管理

在S7-200Smart控制器实现各项通讯时，需要对每个通讯的库存储器进行定义，其变量地址不能与程序内已使用的变量重叠，更不能在程序内随意调用库存储器内地址，可以通过建议地址按钮进行程序自动安排。

此外，在系统块内需要将部分数据区内地址进行掉电保持，以确保与机组相关参数在设备重新上电后不会清零。

五、结论

通过上述软硬件配置，完成了OTS600系列潜油电泵变频器控制方式的更改，并通过与上位机之间通讯方式的更改，使得变频器在保留原有功能的前提下，不再受网络因素干扰，提高了设备运行的稳定性和可靠性，实现了当前石油行业“降本增效”市场需求。

参考文献

（1）《S7-200SMART可编程控制器产品样本》西门子自动化公司201903

（2）《ATV61变频器软件版本V5.8编程手册》施耐德电气中国201705

（3）《PLC编程及应用》廖常初主编机械工业出版社2003

（4）《变频器应用实例》杨公源主编电子工业出版社2006