基于idrillerR雙司鉆操作的盤剎控制系統研制及應用

楊斌， 李汶東， 朱長軍， 楊雙業， 周海磊， 李博洋， 康寧， 劉小利

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞721002；3.中國石油集團西部鉆探工程有限公司 巴州分公司，新疆 庫爾勒841000）

關鍵字：idirllerR；盤剎；集成控制

0 引 言

自動化產業的發展極大地推動了自動化產品在石油鉆機行業的應用。在國內外的石油鉆井行業中，新型自動化鉆機的比例逐年上漲，自動化鉆機對于其設備的控制要求也在不斷提升。

常規鉆機絞車的盤剎操作部分是采用電位計剎把和開關進行操作，這種電子元件接線繁瑣、控制精度低、故障率高，并且無法與自動化鉆機融合。盤剎液壓站啟動、停止、再啟動等功能均需在盤剎液壓站控制柜面板進行人工操作與檢查。這種方式耗費時間、實時性差，并且存在安全隱患。

上述盤剎的操作控制方式制約了司鉆操作系統的技術提升，因此針對現場工況及自動化鉆機的技術發展需求，需打破常規理念，開發一套新的盤剎操作系統，滿足盤剎的所有控制要求，并且提升鉆機的自動化水平。

1 總體架構

雙司鉆操作系統中的操作劃分為司鉆工位和管柱操作手工位，盤剎在司鉆工位進行操作，控制原理如圖1所示。雙司鉆座椅分別為A座椅和B座椅，通過座椅模式選擇當前座椅為司鉆工位，此時盤剎操作指令通過司鉆工位的剎車手柄和多功能鍵盤下發到后臺數據處理模塊，后臺集成控制模塊采集盤剎液壓系統傳感器數據，將采集的控制命令與傳感器數據進行整合、運算、分析之后，將處理結束的指令分發給電傳動系統PLC、盤剎液壓系統和盤剎控制板。盤剎控制板和盤剎液壓系統共同作用，控制盤剎液壓系統的電磁閥組，對安全鉗和工作鉗進行控制，以控制剎車，保證生產安全。

圖1 盤剎控制原理圖

2 盤剎控制系統單元構成

基于idrillerR雙 司鉆操作的盤剎控制系統安裝在司鉆房內部，主要包括以下幾個系統單元：1）idrillerR雙司鉆控制系統；2）盤剎控制板；3）盤剎液壓系統。

2.1 idrillerR雙司鉆操作系統

idrillerR雙司鉆操作系統主要包括3個模塊：1）參數設置與顯示模塊。如圖2所示，該模塊用來設置所有被控設備的設定參數，顯示該設備的狀態參數、報警參數、儀表參數等；2）司鉆座椅控制模塊。該模塊包含輸入部分和控制部分，圖3所示為該模塊的輸入部分，主要包括多功能手柄、駐車制動開關、急停等元件，用來采集操作命令。控制部分作為司鉆命令的采集單元，將手柄操作命令等信號通過總線通信的方式進行采集，完畢之后將處理過的信號分發給后臺處理模塊；3）后臺集成控制模塊。采集盤剎液壓站的壓力信號，包括左鉗壓力、右鉗壓力、安全鉗壓力、系統壓力等。根據采集的數據進行分析，將運算結果發送到盤剎液壓站、盤剎控制板和電傳動系統。

圖2 參數設置與顯示模塊

圖3 司鉆座椅控制模塊輸入部分

2.2 盤剎控制板

盤剎控制板如圖4所示，控制板包含轉換電源、繼電器、放大器等元件。轉化電源將井電提供的220 V、50 Hz的交流電源轉化為盤剎控制板可用的24 V直流控制電源。繼電器有兩個功能：一是將系統輸出模塊發過來的盤剎開關量信號與盤剎電磁閥電磁鐵隔離開，保護系統輸出模塊；二是將急停、駐車等信號進行邏輯處理，傳遞給執行的電磁閥，執行對應的剎車動作，滿足安全需求。盤剎放大器的主要功能是將模擬量輸出模塊提供的連續變化的剎車電壓信號轉化為剎車鉗電磁閥的驅動信號，控制工作鉗比例電磁閥，進而控制工作鉗剎車。

圖4 盤剎控制板

2.3 盤剎液壓系統

盤剎液壓系統安裝在絞車本體，如圖5所示，主要包括液壓泵組、油箱泵組件、控制箱總成等。

圖5 盤剎液壓站

系統主要功能如下：1）為盤剎的工作鉗油缸和剎車鉗油缸等執行機構提供液壓動力源。2）反饋壓力信號。該液壓站配備了壓力檢測單元，將液壓站、工作鉗、剎車鉗的壓力信號通過控制電纜實時反饋給集成控制系統，集成司鉆控制系統會根據反饋壓力信號、報警信號等進行運算、處理和顯示，保證司鉆安全操作。3）接收集成控制房的遠程啟停命令等功能。可以通過控制箱總成面板上的本地遠程切換按鈕進行選擇，將按鈕打到遠程操作檔，可以通過司鉆房操作座椅對液壓站進行啟停、再啟動等操作功能，保證了操作安全，也提高了操作效率。在進行盤剎液壓站檢修時，需將該按鈕打到本地擋，避免遠程操作帶來的不安全性，保證維修人員安全。

3 盤剎基本功能的實現方法

根據盤剎的控制輸入原理操作實現盤剎的所有功能。

3.1 工作制動

工作制動控制原理如圖6所示。司鉆在正常鉆進或者起下鉆過程中，拉動剎車手柄，通過總線通信的方式將剎車信號傳遞給后臺數據處理模塊，該模塊實時監測盤剎液壓站發過來的傳感器信號，并且進行計算分析，當檢測到盤剎液壓站和盤剎反饋所有傳感器信號正常時，將總線信號通過模擬量模塊輸出電壓信號0～10 V，并且輸送給盤剎控制板的放大器，通過放大器調節工作鉗液壓缸控制電磁閥，調節泵如工作鉗的油壓，改變制動盤的正壓力，從而為主機提供大小可調的剎車力矩，滿足送鉆、起下鉆等不同工況的要求。

圖6 工作制動原理圖

3.2 緊急制動

緊急制動控制原理圖如圖7所示。雙司鉆座椅的每個右側扶手箱上面均有一個盤剎急停按鈕，兩個座椅的按鈕在后臺處理部分進行邏輯處理，保證了兩個座椅互換時候的司鉆操作需求。在司鉆操作座椅工位，按下急停按鈕，其中一路信號輸送至電傳動控制系統，作為電傳動系統的輸入信號，對絞車氣控部分進行邏輯控制，同時控制絞車電動機的變頻驅動單元對絞車進行減速停車。另外一路信號接入盤剎控制板，驅動盤剎液壓系統對應的電磁閥，控制工作鉗和剎車鉗同時閉合，保證剎車安全。

圖7 緊急制動操控原理圖

3.3 駐車剎車

駐車剎車控制原理與緊急制動類似。雙司鉆座椅的每個左側扶手箱均設置有一個駐車開關，兩個座椅的駐車開關在后臺處理部分進行了邏輯處理，保證了兩個座椅互換時候的司鉆操作需求。兩個開關全部處于接通狀態時，盤剎剎車鉗為釋放狀態，司鉆操作工位操作開關到駐車位置，駐車回路斷開，其中一路駐車信號輸入鉆機電傳動系統，對絞車的氣控部分進行邏輯控制，并且通過絞車電動機變頻器控制，對絞車速度進行清零保護。另外一路信號接入盤剎控制板，用來控制安全鉗迅速關閉，保證工作需求。

在駐車結束需要操作絞車時，將駐車開關打到釋放位置，剎車鉗松開，絞車可以進行上提、下放動作。

3.4 盤剎液壓站遠程功能

idrillerR雙司操作控制系統將盤剎液壓站所有功能命令與參數反饋信息進行集成處理，司鉆通過司鉆座椅上的多功能鍵盤將盤剎液壓站啟停命令發送給盤剎液壓站，執行相應動作。同時，液壓站的運行狀態、高溫報警信號、低液位報警信號、系統壓力、安全鉗壓力、剎車鉗壓力等信號全部發送給后臺集成控制模塊。經過運算處理之后顯示在座椅前端的參數設置顯示模塊上。如圖8所示，顯示盤剎安全鉗和工作鉗的開合狀態、壓力參數等。

4 產品應用情況

圖8 盤剎控制的操作與顯示

基于idrillerR雙司鉆操作的盤剎控制系統采用模塊化和系統化的設計，經過現場論證，安全可靠，能滿足油田現場鉆機的使用要求。截止目前，依托于寶雞石油機械有限責任公司的工程項目合同，已經實現20余套鉆機的商業化配套使用，并且全部在油田進行作業，包括川慶鉆探、大慶油田、西部鉆探等知名國內外鉆探企業。在應用過程中，該系統故障率低、運行穩定、反饋靈敏、自動化程度高，極大地提高了現場的操作效率。

5 結 語

基于idrillerR雙司鉆的盤剎控制系統，采用硬線和總線通信連接兩種方式，將控制信號從雙司鉆座椅傳送至各個控制單元，操作對應設備，相互配合，保證絞車剎車安全。采用傳感器實時將盤剎的狀態數據采集反饋到后臺控制模塊，進行顯示、報警與記錄。該系統不僅提高了司鉆人員的工作效率，也提高了鉆機的安全性能，為后續鉆機的智能化設計奠定了基礎。