模塊鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)研究

楊義

（中石化四機(jī)石油機(jī)械有限公司，湖北 荊州 434024）

1 研究意義

研究自動(dòng)化設(shè)備的集成控制技術(shù)將鉆機(jī)各子系統(tǒng)由原來(lái)相互獨(dú)立的子系統(tǒng)形成完整統(tǒng)一的指令協(xié)調(diào)系統(tǒng)。研究具有故障診斷和維護(hù)功能的、指導(dǎo)鉆井操作的診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)裝備的數(shù)據(jù)采集、分析處理和設(shè)備的預(yù)維護(hù)，減少停鉆時(shí)間，一種適應(yīng)要求的鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)是鉆井裝備發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2 研究目標(biāo)

隨著鐵鉆工、自動(dòng)排管機(jī)械手、動(dòng)力貓道，液壓吊卡，氣動(dòng)卡瓦等自動(dòng)化工具在油田鉆機(jī)配套使用的日益廣泛，研究各自動(dòng)化工具的作業(yè)特性，將其串行的作業(yè)中能夠并行作業(yè)流程梳理，提高作業(yè)效率，形成自動(dòng)化設(shè)備的高效集中控制；由于各自動(dòng)化工具與提升系統(tǒng)的運(yùn)行軌跡有許多重疊的區(qū)間，同時(shí)各工具與提升系統(tǒng)在管柱安全交接，都存在著一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此有必要對(duì)此風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，并通過(guò)控制軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)安全互鎖保護(hù)；提高自動(dòng)化作業(yè)的安全可靠性；作為設(shè)備控制核心的主副司鉆集成控制系統(tǒng)是有效的解決手段。鉆井裝備診斷系統(tǒng)，收集設(shè)備的使用維護(hù)信息，解決設(shè)備故障診斷與排查難度大，預(yù)維護(hù)功能缺失等問(wèn)題。

（1）自動(dòng)化設(shè)備的集中控制技術(shù)：集成化電子司鉆系統(tǒng)集鉆機(jī)電、氣、液控制于一體,實(shí)現(xiàn)司鉆對(duì)鉆機(jī)的整體監(jiān)測(cè)與控制。鉆機(jī)各子系統(tǒng)來(lái)自不同配套商[2]（例如：儀表、視頻監(jiān)控、主機(jī)電控、頂驅(qū)、主剎、自動(dòng)貓道，鐵鉆工，自動(dòng)井架工等等），各系統(tǒng)分別配有各自的操作臺(tái)（箱）在司鉆房，不同配套商間的產(chǎn)品操作、顯示終端風(fēng)格不一致，導(dǎo)致了司鉆房布置人性化不足，司鉆操作繁鎖。自動(dòng)化設(shè)備的集中控制技術(shù)將鉆機(jī)各子系統(tǒng)由原來(lái)相互獨(dú)立的子系統(tǒng)形成完整統(tǒng)一的指令協(xié)調(diào)系統(tǒng)。集中控制功能圖如圖1。

圖1 集中控制功能圖

（2）集成控制系統(tǒng)安全可靠技術(shù)：控制系統(tǒng)作為鉆機(jī)的指揮核心，負(fù)責(zé)鉆機(jī)各個(gè)設(shè)備的工作控制和狀態(tài)監(jiān)視，系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的合理性、硬件電路的可靠性、軟件程序的完善性等都關(guān)乎著安全。區(qū)域安全聯(lián)鎖圖如圖2。

圖2 區(qū)域安全聯(lián)鎖圖

3 研究方法

研究各作業(yè)工況下的鉆機(jī)自動(dòng)化工具的自動(dòng)操控工藝流程和安全保護(hù)措施，結(jié)合各自動(dòng)化工具空間狀態(tài)分析和動(dòng)作分解，形成各工況下鉆井作業(yè)的全自動(dòng)控制流程；進(jìn)行司鉆操控系統(tǒng)人性化布局設(shè)計(jì)，研究自動(dòng)化鉆機(jī)司鉆協(xié)同作業(yè)模式；以雙PLC冗余控制器為核心，建立執(zhí)行層、控制層、監(jiān)控層三級(jí)總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，進(jìn)行集成控制系統(tǒng)硬件冗余設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)雙冗余司鉆協(xié)同操作；依托高性能IPC，進(jìn)行鉆井儀表、電子防碰、設(shè)備操作、流程顯示、狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷為一體的集成人機(jī)界面軟件開(kāi)發(fā)，從而構(gòu)建集成控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化鉆井裝備高效、安全、可靠運(yùn)行。

通過(guò)研究鉆井裝備多參數(shù)、多變量、多耦合條件下故障智能診斷的理論和方法，建立包含模糊邏輯規(guī)則、系統(tǒng)分析預(yù)測(cè)有機(jī)結(jié)合構(gòu)成的系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)，形成具備在線故障診斷功能的軟件模塊；結(jié)合裝備運(yùn)行時(shí)間及關(guān)鍵零部件使用壽命及維保需要，探索鉆井裝備預(yù)維護(hù)規(guī)則，形成預(yù)維護(hù)軟件模塊。

4 擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題

（1）研究鉆機(jī)各工況下的自動(dòng)化工具的工藝流程形成各工況下鉆井作業(yè)的全自動(dòng)控制流程是解決鉆井作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、操作人員多、危險(xiǎn)性高的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)區(qū)域的無(wú)人作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

（2）如何協(xié)調(diào)鉆機(jī)子系統(tǒng)，由原來(lái)相互獨(dú)立的子系統(tǒng)形成完整統(tǒng)一的指令協(xié)調(diào)集成控制中心是解決司鉆高度集中，作業(yè)強(qiáng)度大的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

（3）研究鉆井裝備信息有效利用技術(shù)，如何實(shí)現(xiàn)鉆井裝備全生命周期管理，解決設(shè)備預(yù)維護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

（4）如何建立模糊邏輯規(guī)則、系統(tǒng)分析預(yù)測(cè)相結(jié)合的設(shè)備數(shù)據(jù)及故障診斷知識(shí)庫(kù)，防止鉆機(jī)出現(xiàn)故障給企業(yè)帶來(lái)不必要的損失，是鉆機(jī)設(shè)備故障診斷關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

司鉆集成控制系統(tǒng)是整個(gè)鉆機(jī)的控制中心，應(yīng)用PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，把司鉆控制系統(tǒng)中的設(shè)備有機(jī)地連接在一起。通過(guò)司鉆控制臺(tái)和觸摸屏，司鉆可以進(jìn)行各項(xiàng)鉆井操作，還可以監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)司鉆控制系統(tǒng)的自動(dòng)化操作功能，以及鉆井參數(shù)的顯示、存儲(chǔ)、打印、遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。將司鉆從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來(lái)，降低了司鉆的勞動(dòng)強(qiáng)度，使司鉆更專注于鉆井工藝，從而有效地保證了鉆井安全和鉆井質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率。