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摘 要

顶驱装置可以极大地提升开采石油的速度，所以国内必须拥有自主制造顶驱装置的能力，顶驱控制系统是未来钻井装置发展的方向。本文基于LabVIEW平台设计了顶驱参数控制系统，编写了控制顶驱的软件。对顶驱24个参数控制系统进行了PLC地址分配、参数命名和总体设计，以LabVIEW为平台开发软件实现了对PLC地址数据的定期巡检，完成了数据更新，通过数据缓存从PLC读取数据。通过数据节点属性对数据进行了填充。在此基础上完成了相关数据显示和程序关闭功能。

关键词：LabVIEW 顶驱 西门子S7-1500

Parameter control system and software development of Siemens PLC top drive based on S7-1500

Abstract

The top drive device can greatly improve the speed of oil extraction, so the country must have the ability to independently manufacture top drive devices. The top drive control system is the future development direction of drilling devices. In this paper, the top drive parameter control system is designed based on the LabVIEW platform, and the software to control the top drive is written. PLC address allocation, parameter naming and overall design were carried out on the 24 parameter control systems of the top drive. The software was developed using LabVIEW as a platform to implement regular inspection of PLC address data, complete data update, and read data from the PLC through the data cache . The data is populated with data node attributes. On this basis, the relevant data display and program closing functions are completed. Keywords: LabVIEW top drive Siemens S7-1500

Keywords: LabVIEW top drive SIMATIC S7-1500

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 课题研究的意义及背景 1

1.2 顶驱装置的工作原理和优点 1

1.3 国内外顶驱技术的发展现状 2

1.3.1 国外顶驱技术发展状况 2

1.3.2 国内顶驱技术发展状况 3

1.3.3 顶驱装置未来发展的方向 4

第二章 西门子S7-1500和LabVIEW的介绍 5

2.1 西门子S7-1500的简介 5

2.2 西门子S7-1500的优点 5

2.2.1 性能优越 5

2.2.2 信息安全 5

2.2.3 集成系统诊断 6

2.3 LabVIEW的简介 6

2.4 LabVIEW的工作原理 7

2.4.1 前面板 7

2.4.2 程序框图 8

2.5 LabVIEW的发展 8

第三章 顶驱系统的模块设计 10

3.1 读取数据 10

3.2 显示数据 12

3.2.1 创建显示控件 12

3.2.2 创建显示控件的引用和数组 13

3.2.3 连接属性节点 14

3.2.4 从数据中寻找显示控件的索引 15

3.2.5 获取显示控件的数值 16

3.2.6 在显示控件上表示数值 17

3.3 画出数据的趋势曲线 17

3.4 重置控件和关闭前面板 19

3.5 关闭程序 21

3.6 经济性评价 23

第四章 总结 24

参考文献 25

致谢 27

第一章 绪论

1.1 课题研究的意义及背景

石油是现代工业的血液，在世界上各个国家的经济发展中拥有难以忽视的作用。如今，石油被世界各国视为战略资源，地位也随之变得越来越重要。因此，开采石油必须具备的设备—钻井装置急需发展，而顶驱装置的出现直接掀起了一场关于钻井装置的变革风暴^[1]。

顶驱装置全称顶部驱动钻井装置，从1980年开始迅速发展。它拥有开采石油效率高、安全性高等优点，因此被各国石油勘探开采设备商所青睐，在市场中的重要性越来越高。现在，部分国家已经在招标、投标中明确规定，钻机必须采用顶驱装置才能中标^[2]。

1.2 顶驱装置的工作原理和优点

顶驱装置和其他钻井装置有所不同，能沿着专用的导轨，直接向井架的下部空间旋转钻杆，中间没有任何阻挡。它可以完成的钻井操作包括且不限于：旋转钻杆进行钻井、重复利用钻井液和把两个立柱无缝连接起来 ^[3]。

制造顶驱旋转钻机要比转盘旋转钻机轻松许多，这是因为顶驱装置的动力来源于液压马达或直流电机，可以直接将钻头旋转起来钻井，没有设计制造方钻杆和转盘的需要，从而减少了制造的成本，降低了生产的时间 ^[4]。如图1.1和图1.2所示。

图1.1 转盘旋转钻机 图1.2 顶驱旋转钻机

顶驱装置主要拥有以下优点：

1. 顶部驱动钻井装置使用的是立柱而不是方钻杆钻井，因此接杆的时间只需要原来的1/3。不仅如此，它还减少了许多其他麻烦，例如方钻杆的长度不够，钻进大约9米就必须接钻杆。 ^[5]。
2. 顶部驱动钻井装置可以使用28米立柱倒划眼，能顺利地旋转和循环将钻具从井眼中提出，并且不会增加起钻的时间^[6]。
3. 顶部驱动钻井装置拥有缩径点和不解接方钻杆过砂桥的能力。这能减少卡钻的危险，且下钻接钻柱和划眼需要的时间非常短，加起来只有几秒 ^[7]。
4. 顶部驱动钻井装置接单根次数只有原来的1/3，大大降低了发生事故的可能性。而且它接单根只要打背钳，钻杆上卸扣装置总成上的倾斜装置能够使吊卡和吊环下摆至鼠洞，工作人员遇到危险的程度得到极大地降低^[8]。
5. 顶部驱动钻井装置的上扣动作不会发生波动，因为这是旋转马达所完成的。另外，工作人员可以通过扭矩表实时观察上扣扭矩，保证上扣扭矩不发生较大的波动。即使工作人员没有及时调整扭矩大小，马达也会在扭矩超过设定的最大值时自动停止旋转。想要让设备再进行钻井，只需将顶驱参数调为正常的数值，这些设置很好地保护了顶驱装置 ^[9]。

1.3 国内外顶驱技术的发展现状

1.3.1 国外顶驱技术发展状况

顶驱装置被发明了30多年，技术的发展已经突飞猛进。目前，挪威的Maritime Hydraulics公司、美国的Varco公司、加拿大Tesco公司和法国的Triten公司相继研发了各种顶驱装置。它们的使用数量每年都在飞速地增长，广泛应用于石油钻井^[10]。

世界上第一个研发出顶部驱动钻井装置的企业是Varco公司。同时，它也是制造顶驱装置最多的公司，无论是从种类还是数量上看。Varco公司生产TDS-8SA（9SA、10SA、11SA)、TDS-4H（4S）等7种型号系列的顶驱装置，拥有承载不同载荷的产品。这些产品基本都由电机驱动，其中驱动电机分为AC和DC两类，传动方式分为大扭矩、单速和双速三类。电机比液压驱动更有优势，它不仅输出功率能比额定功率多出一倍半，而且还可以超功率进行长时间钻井。除此之外，电控制系统拥有良好的保护、灵敏的反应和不错的自动化控制性能^[11]。

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