海洋鉆井平臺鉆柱自動化處理防碰撞控制研究

馬清明，江正清，董懷榮

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營257017）①

海洋鉆井平臺鉆柱自動化處理防碰撞控制研究

馬清明，江正清，董懷榮

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營257017）①

鉆柱自動化處理系統(tǒng)在海洋鉆井平臺上得到越來越多的應(yīng)用，提高了工作效率，減少了工人的勞動強度。但在整個鉆柱自動化處理過程中，很多大型機械設(shè)備在鉆臺有限的空間內(nèi)運動，存在設(shè)備之間運動軌跡上的重疊，給安全生產(chǎn)帶來了隱患。設(shè)計了1套基于周界檢測和軌跡分析的防碰撞預(yù)測系統(tǒng)，解決了由于傳感器失靈或偶發(fā)人員、設(shè)備進入運行軌跡可能造成的安全事故，為安全生產(chǎn)提供了有力的保障。

鉆柱自動化；防碰撞；周界檢測；軌跡分析

海洋鉆井平臺在生產(chǎn)過程中，需要不斷地將鉆井管柱由平臺甲板輸送到二層臺，并且在二層臺實現(xiàn)接立根、卸立根、立根排放等一系列操作，這些工作以前主要由工人完成，勞動強度大，效率低，危險性高。目前，采用鉆柱自動化處理系統(tǒng)進行生產(chǎn)已成為海上鉆井平臺的主流操作，標準配置的1套鉆柱自動化處理系統(tǒng)包含關(guān)節(jié)吊、自動貓道機、自動卡瓦、動力鼠洞、輔助提升機、二層臺立根自動排放裝置等［1-6］。這些大型的動力機械設(shè)備在鉆臺上有限的空間內(nèi)，自動將長尺寸的鉆柱經(jīng)過姿態(tài)變化、位置變化、角度變化等一系列處理過程，存放在立根盒里或直接接到井口的鉆具上。這需要多臺設(shè)備之間良好的配合銜接，而且有的設(shè)備運行軌跡存在重疊的區(qū)域，需要控制程序從邏輯上予以嚴格區(qū)分。這樣在生產(chǎn)過程中，一旦有傳感器或執(zhí)行器發(fā)生故障，設(shè)備不再按照預(yù)定的速度、軌跡運行時，可能會造成很大的設(shè)備碰撞等生產(chǎn)事故［7］。另外，如果有人或設(shè)備進入到某個設(shè)備的運行軌跡，很可能造成人身傷害、設(shè)備損害。因此，設(shè)計1套能夠防止設(shè)備碰撞和人身意外傷害的保護控制系統(tǒng)具有很高的應(yīng)用價值。針對這種需求，本文設(shè)計了1套依據(jù)設(shè)備運行軌跡分析和周界檢測的防碰撞控制系統(tǒng)，并通過虛擬仿真系統(tǒng)進行了試驗驗證。

1 防碰撞控制系統(tǒng)的設(shè)計

防碰撞控制系統(tǒng)的設(shè)計與整個鉆柱自動化處理系統(tǒng)的設(shè)計整體進行，控制系統(tǒng)除能夠按照工藝要求完成鉆柱的自動化處理控制流程，還具備故障診斷和防碰撞功能。設(shè)計時，在滿足鉆柱正常生產(chǎn)需要的檢測部件、控制部件、執(zhí)行部件及監(jiān)控系統(tǒng)之外，還額外增加了設(shè)備運行周界檢測的傳感器及對運行設(shè)備安全保護進行斷水、斷氣、斷油、斷電的執(zhí)行部件。

整個控制系統(tǒng)采用分布式控制，西門子S7400系列PLC作為控制主站，運行工藝邏輯控制、防碰撞控制、故障分析等程序?？刂浦髡就ㄟ^Profibus-DP掛接遠程I／O，分別連接各功能分站，功能分站主要完成設(shè)備的單機調(diào)試及整機連鎖自動控制時的數(shù)據(jù)采集上傳及控制動作執(zhí)行。上位機通過工業(yè)以太網(wǎng)與主控PLC通訊，采用Wincc軟件平臺監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的運行及進行參數(shù)的設(shè)定記錄、報警分析記錄等工作。系統(tǒng)的操作由集成式司控操作臺完成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 周界傳感檢測及安全判別技術(shù)

設(shè)備周界傳感檢測技術(shù)是防止偶發(fā)性的人員或設(shè)備進入到其工作運行軌跡的有效檢測方法。在鉆柱自動化處理過程中，多個設(shè)備是順序協(xié)同工作的，這樣就有某些時段、某些設(shè)備并不動作，若在此時有人員或裝備因為檢修或其他原因進入其軌跡，則一旦其開始動作，很容易發(fā)生人員傷害。因此，需要在每個設(shè)備運行過程中時刻檢測其運行軌跡內(nèi)是否有障礙物，當障礙物離設(shè)備的距離小于安全間距時應(yīng)及時停車報警，防止事故的發(fā)生。為此，選用多個SIMATIC PXS系列超聲波傳感器安裝在運動設(shè)備的機械臂、梭車、伸縮軸、旋轉(zhuǎn)體等部件上，讓其跟隨設(shè)備運行并檢測周圍障礙信息。

安全判別的實現(xiàn)主要是安全間距的確定，對任一傳感器而言，其安全間距都不是固定的某個數(shù)值，而是隨著空間軌跡的變化而變化。這主要是由于在設(shè)備運動過程中，平臺上安裝的設(shè)備的間距也是變化的。例如：某個軌跡坐標下超聲探測的距離不小于與固定安裝設(shè)備的數(shù)值，則認為是安全的，即使這個距離比較??；若某個軌跡坐標下超聲探測的距離小于與固定安裝設(shè)備的數(shù)值，則認為是不安全的，即使這個距離比較大。為避免超聲探測器受環(huán)境因素影響產(chǎn)生的誤差影響判別，又引入了安全閾值，當差值大于安全閾值時，報警停車。

安全判別的算法流程如圖2所示。其主要思路是：首先根據(jù)設(shè)備安裝時的位置坐標信息及正常生產(chǎn)時設(shè)備的運動軌跡，建立起一整套各個設(shè)備在不同軌跡時的安全模型，同時建立1套設(shè)備在不同軌跡時的安全閾值表。這樣在設(shè)備運行過程中，隨時根據(jù)運動的軌跡信息求算出安全的間距向量表。用該表格與實際周界檢測的結(jié)果作比較，取得差值，如果該差值超過該軌跡下的安全閾值表，則報警停車，否則認為沒有碰撞可能，設(shè)備繼續(xù)運行。

3 運行軌跡預(yù)測分析及故障判別系統(tǒng)

在鉆柱自動化處理設(shè)備運行過程中，需要隨時檢測設(shè)備的當前位置、速度狀態(tài)等信息，同時在關(guān)鍵位置還安裝有到位檢測傳感器。在設(shè)備控制過程中，這些信息需要參與到設(shè)備的閉環(huán)控制中，用于控制設(shè)備執(zhí)行部件的啟停、運行速度、閥門開度等。但是在實際應(yīng)用中，鉆井設(shè)備所處的環(huán)境多是比較惡劣的露天環(huán)境，傳感器容易受到風沙、海洋潮氣、雨雪、雷電等的影響，長時間連續(xù)工作時會出現(xiàn)零點漂移、傳感器失效甚至損壞等情況。這樣可能會造成該停的設(shè)備不停、已經(jīng)到位的設(shè)備繼續(xù)運動等異常情況，造成碰撞等生產(chǎn)安全事故。

為避免此情況，在控制程序內(nèi)設(shè)計了1套運行軌跡預(yù)測分析及故障判別系統(tǒng)，根據(jù)前一時刻設(shè)備運行的位置、速度等信息，通過1個預(yù)測模型來預(yù)測設(shè)備當前的運行位置、速度等信息［8］。若預(yù)測信息與傳感器實際檢測信息的差異超過安全閾值，則認為可能出現(xiàn)傳感器失效或損壞的情況，根據(jù)傳感器在控制中的重要性，進行報警提示或直接停車檢修。預(yù)測模型建立的依據(jù)是由設(shè)計時設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)、工作原理及驅(qū)動部件工作原理構(gòu)建而成，并在設(shè)備各部件完好的情況下進行反復(fù)試驗驗證修訂，最終確立而成。在實際使用過程中，考慮到設(shè)備運行一段時間后的動態(tài)特性等會發(fā)生變化，需要隔一段時間進行驗證修訂。

軌跡預(yù)測分析系統(tǒng)算法流程如圖3所示。

圖3 軌跡預(yù)測分析判別算法流程

主要思路是：在程序中存儲設(shè)備前1個控制周期的位置、速度等信息，代入到提前設(shè)計好的設(shè)備運動數(shù)學(xué)模型中，求算出理論上該設(shè)備在當前時刻應(yīng)該具有的位置、速度等信息；將該信息與實際上傳感器檢測到的信息進行比較，如果差值超過了安全閾值，則認為傳感器可能失效或損壞，此時提示報警。如果是重要的控制節(jié)點，則應(yīng)該立即停車檢查。設(shè)定安全閾值的目的主要是防止設(shè)備運動模型時變、干擾等因素造成的誤判。

4 基于虛擬現(xiàn)實的三維仿真試驗驗證系統(tǒng)構(gòu)建

出于安全性考慮，無法在真實設(shè)備上模擬產(chǎn)生故障及人員設(shè)備闖入，為了驗證所設(shè)計的防碰撞程序的可靠性、有效性，構(gòu)建了1套基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的三維仿真平臺來進行試驗驗證。

基于虛擬現(xiàn)實的三維仿真試驗系統(tǒng)包括三維虛擬設(shè)備及運動模型、PLC主控系統(tǒng)、演示屏幕及上位監(jiān)控計算機等4部分。其中三維虛擬設(shè)備及運動模型是利用3DMAX構(gòu)建設(shè)備模型，然后由Virtool開發(fā)三維仿真程序，模擬設(shè)備運動模型，在Virtool中利用內(nèi)嵌二次開發(fā)軟件開發(fā)OPC客戶端軟件與主控制器PLC通訊，完成數(shù)據(jù)交互。主控PLC運行設(shè)備邏輯、工藝控制及防碰撞程序。此時主控制PLC中的檢測數(shù)據(jù)不再來自于現(xiàn)場設(shè)備，而是由Virtool仿真平臺虛擬運行時，將結(jié)果通過OPC技術(shù)寫入到PLC中完成。PLC的控制指令也通過OPC傳送到Virtool平臺，控制設(shè)備的運行。運行結(jié)果通過投影投放到顯示屏上，監(jiān)控計算機與實際中應(yīng)用的完全一致，通過以太網(wǎng)訪問PLC，監(jiān)控生產(chǎn)數(shù)據(jù)并設(shè)定、存儲數(shù)據(jù)及報警指示等。仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4。

通過試驗驗證，在Virtool中模擬傳感器失效或在場景中加入障礙物時，PLC均能有效發(fā)出報警停車信息，說明該防碰撞系統(tǒng)設(shè)計是有效的。

圖4 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語

在鉆井平臺鉆柱自動化處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了1套防碰撞控制系統(tǒng)，能夠有效解決在自動化生產(chǎn)過程中，由于人員或設(shè)備偶發(fā)性進入生產(chǎn)現(xiàn)場或者傳感器、執(zhí)行器等失效、損壞等情況可能造成的人身傷害、設(shè)備碰撞等生產(chǎn)事故，并通過虛擬仿真系統(tǒng)進行了試驗驗證，可有效保證鉆柱自動化處理系統(tǒng)的可靠高效運行，具有很高的推廣應(yīng)用價值。

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Research on Anti-collision of Drill Strings Automatic Treatment System for Offshore Drilling Platform

MA Qing-ming，JIANG Zheng-qing，DONG Huai-rong
（Shengli Drilling Technology Research Institute of Sinopec，Dongying 257017，China）

The drill strings automatic treatment system was extensively used for offshore drilling platform in recent years，the labor intensity was lessened and the productivity was raised.In the system，the large-scale mechanization running in confined space of the drilling floor exist reduplication of the movement track and the potential safety hazard.An anti-collision early warning system based on perimeter detection and trajectory analysis was designed.The safety accident happened when the sensor failure or personnel and equipment access the movement track was resolved very well.The guarantee of realizing the safety in production was provided.

drill string automation；anti-collision；perimeter detection；trajectory analysis

TE928

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.07.001

1001-3482（2014）07-0001-04

2014-02-21

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）“深水鉆機與鉆柱自動化處理關(guān)鍵技術(shù)研究”（2012AA09A203）

馬清明（1966-），男，山東臨朐人，教授級高工，博士，主要從事鉆井機械研發(fā)、科研管理等工作。