網絡環境下鉆機集成控制系統研究

羅 磊 田德寶 周海磊 范 磊 冉 洋 秦弈涵

（1.寶雞石油機械有限責任公司；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心）

近年來，隨著網絡通信技術和計算機技術的發展，網絡化控制系統日趨普及［1］。 由于絞車、盤剎、泥漿泵、鐵鉆工及貓道等各個單元設備分散較遠，設備之間信息傳輸受限，而網絡控制的應用可以使較為分散的設備信息更加集中化，使復雜的鉆機設備控制通過網絡技術更加完善，同時信息化時代對設備控制提出了更高的要求。

傳統的司鉆控制房需要設計大量開關和指示燈，司鉆通過操作手柄和大量的開關、按鈕只能實現單個設備的獨立控制。 為此，寶雞石油機械有限責任公司研發了idriller?鉆機集成控制系統，該系統運用網絡控制技術，在網絡環境下，將多個單元設備和數據實現集中化控制和顯示［2］，使系統集成優化信息傳輸達到工廠級別，進而實現“移動工業”控制。

1 系統設計目標與原則

1.1 系統設計的總體目標

鉆機集成控制系統以高效、安全、智能為設計準則［3］。以司鉆房為整個控制系統的通信、監控和控制中心。 以現場層傳感器和傳動單元為分布區域控制核心，實現設備電氣參數和工作狀況的監視；對絞車、泥漿泵等按照鉆井、起下鉆等工藝情況進行參數監測和設置，實現設備層主要單元的自動控制；根據設備內部的參數變化狀態及時提示司鉆在故障或事故情況下的應急操作方案；將管理權放在司鉆控制室中，在司鉆房通過網絡通信方式對設備進行控制和監視，實現各個設備的無人值守，進而實現鉆井設備的智能化控制。

1.2 系統設計的基本原則

泥漿泵、絞車及頂驅等鉆機控制設備數量較為龐雜且控制分散，鉆機設備處于易腐蝕、經常拆裝等特殊應用環境， 因此鉆機集成控制系統［4］方案應滿足以下設計原則。

1.2.1 系統冗余、可靠原則

鉆機在作業過程中需要不間斷運轉，應選擇可靠的冗余控制模式。 將設備分散與集成控制相結合，鉆機設備的傳感器信息通過PLC 采集以網絡通信方式發送至司鉆房。 在信息集中管理、程序自動計算和控制下，通過界面提示方式，提醒用戶科學操作。 司鉆房的操作臺命令也通過光纖環網傳送到現場PLC 終端。司鉆操作室座椅采用冗余控制方式，遠程對各單元進行控制。

1.2.2 系統控制分層管理原則

為了保證系統安全有效的運行，系統控制按3 個層級進行劃分，且控制權限相互鎖定。

司鉆房集成控制層。 司鉆控制采用系統宏觀控制，通過各個設備站點反饋信息綜合協調單元設備運行，具有緊急關斷模式。

就地自動控制層。 單元設備具有單獨的PLC控制器，在脫離司鉆房控制時，能夠通過設備自身控制器完整地執行整改流程， 例如鐵鉆工、機械手等設備。

就地手動控制層。 具有最高優先的控制權限，通過本地控制箱的權限開關即可獲取控制權限， 該控制方式主要用于應急處理控制系統故障，保證設備能夠緊急運行，滿足生產需要。

1.2.3 系統擴展兼容性原則

司鉆集成系統整合所有第三方設備，保持不同廠家、不同協議的原有控制技術特點，同時將各個鉆機設備數據進行結構化、 規范化處理，提供端到端的整包式一體化集成系統。 預留部分設備通用接口，在后期擴展時可以通過通信方式實現可靠的無縫控制對接。

1.2.4 方便管理、易于維護原則

整個系統以司鉆房控制為中心，以鉆井工程師房調度為主線，分層次、分模塊統一設計。 將部分外圍設備（如固控系統等）的管理和控制權分散到現場層，便于系統分級管理和維護。

為方便維護，多個重要設備（例如絞車、泥漿泵等）在司鉆房實現自動監測和報警功能，對于危險區域設備日常維護與管理采取遠程監測、智能提醒與定期維護原則。

2 鉆機集成控制系統設計

隨著網絡控制方式高度發展和傳感器控制技術越來越完善，新一代自動化鉆機集成控制系統也由此產生新的變革。 下面以idriller?鉆機集成控制系統為例進行說明。

2.1 系統總體結構

鉆機集成控制系統通過網絡將所有設備互連，實現信息交互和數據實時共享。 采用分層控制的設計原則將集成控制系統分為3 層，實現設備的集中監控、操作和管理，如圖1 所示。

圖1 鉆機集成控制系統網絡結構框圖

集中管理層。 司鉆控制室屬于集中管理層，由兩套座椅組成，司鉆操作人員可以通過人機界面和物理手柄遠程操作設備，且設備的運行狀態實時顯示； 通過數據庫記錄設備運行維護信息；通過OPC 技術實現報表的打印和故障歸檔；通過網絡技術在線修改參數和進行設備信息的交換；還可以通過無線網絡技術與油田生產網絡連接，生產系統實時監測鉆機運行狀態。

分散監控層。 絞車、泥漿泵、鐵鉆工及貓道等設備各子系統功能相對獨立，將它們分別作為一個子系統進行控制。 分散控制層設備采集各自對象的輸入信號和被控制信號，通過采集傳感器信號計算當前狀態， 當接收到集成系統相關命令，輸入計算后進行動作輸出，并通過網絡技術將各個子系統連接進行數據交互。 集中管理層和分散監控層之間用高速通信網連接。

現場控制層。 現場控制層由設備就地控制箱組成，具有現場手動操作功能，對于電驅設備具有非能量信號轉換功能， 電氣部分聯鎖保護功能；對于液壓驅動設備（如鐵鉆工、貓道等）通過本地操作閥手柄進行控制， 適用于應急操作，不具備聯鎖保護功能。 現場控制層分布大量傳感器和執行元件， 可以通過現場總線形式 （如Profibus、Modbus 等）將信息傳輸至系統中。

2.2 硬件配置和功能

2.2.1 司鉆控制系統

司鉆控制房位于鉆臺面右后側，通過兩套座椅進行主、副司鉆控制。 司鉆控制系統由高性能工控機、大屏幕顯示器、物理按鍵和手柄組成，如圖2 所示。

圖2 司鉆控制系統現場

司鉆控制系統主要功能如下：

a. 設備遠程控制和狀態監測；

b. 以模擬燈、曲線等方式實時記錄和顯示設備運行狀態；

c. 工藝流程圖實時顯示當前工藝控制狀態；

d. 設備報警記錄、設備維護保養提醒和故障維護記錄；

e. 在線修改和設置控制參數，軟手操控制。

2.2.2 鉆井工程師站

鉆井工程師站位于井場工程房內，其主要功能是鉆井參數顯示和設備狀態報警提示。 其功能如下：

a. 以模擬燈、曲線等方式實時記錄和顯示設備運行狀態；

b. 分析后臺鉆井參數信息，對于不同的地層結構指導司鉆進行鉆井；

c. 遠程視頻系統監控；

d. 打印各種報表。

2.2.3 通信網絡

采用環形以太網冗余技術， 將設備控制站點、鉆井工程師站及司鉆房操作控制站等多個站點連接，以通信方式進行數據交互。 其性能指標如下：

傳輸速度 100Mbit/s

通信方式 冗余環形以太網通信

通信介質 超六類屏蔽網線

傳輸距離 100m

最大節點數 32 個

2.2.4 設備控制器

單元設備控制系統(如泥漿泵、絞車、轉盤及頂驅等設備)是集成的子控制系統。 它由PLC、I/O模塊及其外圍附件組成。 根據設備控制需求可以靈活選擇PLC、電源和中間繼電器。 其主要控制特點如下：

a. 控制類型。 控制器CPU 主要用于程序存儲和運行， 包含西門子1500 系列、 西門子1200系列及施耐德Quantum 系列等主流控制器。

b. I/O 模塊接口。 采集開關量和模擬量的輸入模塊接口，處理開關量驅動和模擬驅動的輸出模塊接口，其輸入輸出模塊可以并行處理數據。

c. 功能處理。 具有數據計算、邏輯控制和故障自診斷功能。

d. 網絡通信。通過網絡互連技術同時可以支持TCP/IP、Ethernet、Can、Profinet 及Modbus 等主流網絡通信協議。

2.2.5 應急操作箱

在遠程設備故障時，可以通過本地應急操作箱進行設備應急操作，主要由操作按鈕、指示燈、接觸器和弱電控制強電轉換裝置構成。 其功能包括：設備傳感器電氣轉換接口，電氣就近信號匯聚控制箱，遠程故障時本地應急操作。

2.3 軟件配置和功能

該系統集成控制器采用西門子1500PLC，子站PLC 為不同廠家控制器， 例如QuantumPremium PLC，西門子1200 和300PLC。網絡類型兼容主流控制協議。 上位機采用WinCC、SQL2000 和管理系統客戶端，通過上位機界面顯示鉆井設備參數， 通過此界面設置參數和進行相關操作，并實時顯示當前報警和后臺歷史數據。 通過上位機管理以太網實現鉆井設備的集中控制。

2.4 集成信息化網絡

該系統采用雙層網絡結構，信息服務層和監控層網絡為工業級以太網Profinet，設備現場層采用現場總線形式Profibus 控制網絡。 配置了工業交換機、 光纖交換機及網絡通信模塊等網絡設備，用于實現各個設備之間的信息交互。 系統采用Profinet 環形控制網絡， 司鉆控制系統能夠實時有效地訪問網絡中的所有設備，提高了系統網絡的穩定性。 同時通過5G 網絡可以將鉆機數據進行遠程傳輸，在生產管理系統中實時查閱鉆機的使用狀態。 鉆機集成控制系統網絡如圖3 所示。

圖3 鉆機集成控制系統網絡

3 結束語

隨著電子、計算機、信息網絡技術的發展，以及近年來新興的5G 技術、大數據及云計算等落地應用，石油鉆井裝備正向設備高度自動化、司鉆集成控制系統高度智能化等方向發展。 idriller?鉆機集成控制系統將計算機、PLC、網絡技術和電氣控制相結合，是具有實時監控、操作簡單、遠程管理、 智能控制和維護便利功能的鉆機控制系統。從率先實現設備遠程集中控制，再到設備的遠程故障診斷系統，以及隨著5G、大數據技術的深入應用，鉆機的遠程操作、智能控制及故障診斷等功能逐漸完善，未來的石油鉆機將實現無人化控制。