5000 m智能地質巖心鉆機集成控制系統設計

孫軍盈，宋志亮，臧臣坤，黃江濤，薛善忠，孫衛娜，余天歌

(1.中國地質裝備集團有限公司，北京 100016；2.中地裝(北京)科學技術研究院有限公司，北京 100120)

0 引言

隨著人類對地球深部未知區域的探索需求和國家對深部資源的戰略勘查鉆探需求，深孔鉆探工程逐步增加。深孔鉆探意味著需要使用的鉆井設備功率加大，功能更加復雜，輔助設備的種類和鉆具的配置更加繁多，所占用井場的面積也更大，對司鉆人員來說，操作控制龐大復雜的系統也是一種極大的挑戰。對于傳統中淺孔鉆機，無論是立軸鉆機、液壓動力頭鉆機，還是便攜式鉆機或散裝模塊化鉆機，司鉆人員操控機械手柄、液壓手柄旋鈕以及司鉆房電氣輔助操縱，司鉆一人基本可以對鉆機進行全方位操控，完成正常鉆進和起下鉆，甚至可以不使用監控輔助，目視之處可及全場。深孔鉆機需要操控的設備和需要協同使用的設備增多，需要多人操作設備協同作業的工作場景也增多，因此必須對設備集中控制，將操控人員集中起來[1-6]。

5000 m智能地質巖心鉆機控制系統使用分布式布置，集中式操控，統一控制系統平臺，統一人機接口。司鉆控制使用一體化司鉆座椅，人機接口簡約，姿態多維度可調，降低司鉆疲勞；主副司鉆統籌協作，減少輔助作業時間，提高作業效率。

1 控制系統概述

5000 m智能地質巖心鉆機以電氣傳動為主要能量傳輸形式，液壓和氣動為輔助傳動形式；控制層面，以電控為主，電控氣和電控液為輔；通訊方式以工業以太網為主，其他方式為輔。其控制內容主要包括鉆機主體、井口自動化工具、液壓動力站控制等幾大部分，具體控制內容見圖1。

圖1 5000 m智能地質巖心鉆機控制內容框圖

1.1 鉆機主體

旋轉鉆井工藝的提升、回轉、泥漿循環三大系統都通過VFD房的控制器進行邏輯控制，這是鉆機的核心部分。主要控制內容包括絞車盤剎控制、主絞車控制、繩索取心絞車控制、自動送鉆控制、轉盤控制以及頂驅控制。

VFD房的控制器通過工業以太網西門子S7協議、RJ45接口和屏蔽雙絞線電纜形式與司鉆房的主交換機進行數據交換。

1.2 井口自動化工具

井口自動化工具包含自動井架工、動力貓道和鐵鉆工。這部分設備的控制設計為獨立控制單元，每個單元都自帶控制器，自成系統，在僅提供電源的情況下，可以通過自帶的遠程遙控器進行便攜式操作和本地液壓手柄操作，以樹形網絡結構將它們和主交換機連接起來進行數據交換。這樣既做到獨立控制、集中操控，又將其和主系統的網絡組態隔離。

1.3 液壓動力控制

5000 m智能地質巖心鉆機包含綜合液壓動力站和貓道液壓動力站兩套液壓動力站。綜合液壓站放置于鉆臺面以便為頂驅、鐵鉆工和井架工提供動力源，每臺設備的液壓泵單獨啟停。為了減少從貓道機本體到貓道液壓站液壓管線長度，將貓道液壓站放置在動力貓道機附近。

由于頂驅、貓道機和井架工均為間歇工作方式，需要在不工作時關閉液壓泵，在需要的時候再打開，因此必須能夠對泵進行遠程控制和監控。為實現此功能，增加了一臺液壓站控制箱，將其安裝于鉆臺面合適位置。控制箱內部安裝I/O模塊，作為司鉆房控制柜PLC的智能I/O使用。

2 集中控制系統設計

2.1 總體設計

5000 m智能地質巖心鉆機控制系統的主要控制設備和控制單元如表1所示。系統采用樹形網絡結構，樹形網絡延伸性和擴展性好，系統升級方便，同時樹形網絡在分支設備出線故障時，只影響局部，不影響整個系統，鉆機系統拓撲結構如圖2所示。

圖2 5000 m智能地質巖心鉆機控制系統拓撲結構圖

表1 5000 m智能地質巖心鉆機控制單元

5000 m智能地質巖心鉆機對鉆機的集中控制系統設計時兼顧到控制系統平臺統一性、操作功能集成簡約化設計、司鉆房空間利用率、視頻監控系統兼容性及人體工程學等幾個方面。

2.2 一體化司鉆座椅集成控制

無論是陸地大型油氣鉆機，還是海洋鉆井平臺，鉆臺面的空間永遠是寸土寸金，捉襟見肘，因此留給司鉆房的空間是有限的[7-9]。如果不進行綜合考慮，很難充分利用司鉆房的空間。目前大部分電傳動鉆機的司鉆房布置是操作臺+工程座椅的形式，以鉆機的主要部分(絞車、轉盤、泥漿泵)為控制對象來進行布置，如果后期增加頂驅、貓道機等設備，需要再辟出額外的空間放置其操作盒。

圖3為典型的電傳動司鉆房內部，頂驅的操作盒單獨放置于操作臺上部，如果再增加貓道機、鐵鉆工、井架工等設備，無論是安放還是操作都會變得極其困難。此外，為了提高鉆井效率，管柱操作可以由副司鉆進行離線作業，不需要占用主司鉆作業時間，在需要增加副司鉆工作位時，此種常規布置形式更加難以實現。因此，一體化司鉆座椅的設計凸顯其優勢。一體化司鉆座椅的另一個優勢就是將控制系統集中設計布置在一套工程座椅上，形成一個總成，使司鉆房的結構設計和布置更加靈活，降低了協同設計的難度，增加了系統的可靠性。

圖3 典型的電傳動鉆機司鉆房內部

5000 m智能地質巖心鉆機使用一體化司鉆座椅，座椅集成了絞車、轉盤、頂驅、泥漿泵、繩索取心絞車、自動送鉆、盤剎、自動井架工、鐵鉆工、動力貓道機、動力卡瓦的控制。

2.3 司鉆座椅操作功能的簡約集成化設計

國內的大型電傳動的油氣鉆機產品以集成化設計為主，很少有像NOV公司這種產品鏈齊全、可以提供完整鉆井包的廠家，其所有設備的控制都在一個統一系統架構之下，接口統一，人機界面一致。國內的采購一方面限于主機廠的能力，一方面限于一次性投入的成本考慮，會從多個廠商采購設備然后組合。這種方式雖然配套靈活，各類設備操作能獨立成體系，互不干擾，但司鉆房的空間布置凌亂，操作元器件無法交叉重復使用，造成空間浪費，系統兼容性變差，協同性變難，對司鉆的操作使用提出更高的要求。

5000 m智能地質巖心鉆機控制系統使用統一平臺，統一界面，統一接口；不同時使用的設備，操作元器件共用；減少實體鈕、燈的使用，對于非重要和操作頻次低的控制元器件使用虛擬開關；增加虛擬儀表的使用，減少物理儀表的空間占用。

2.4 統一控制系統平臺，簡化接口

傳統電傳動鉆機的各獨立設備使用的控制器不盡相同，人機界面風格迥異，通訊協議眾多，相互之間通訊交互困難。

5000 m智能地質巖心鉆機無論是主機部分控制，還是井口自動化工具的獨立控制，均使用西門子S7-1200 PLC及S7通訊協議，人機界面統一，使用WINCC平臺開發。接口設計遵循“高內聚，低耦合”的原則，簡化控制接口，降低操作難度[10]。

2.5 集成兼容監控系統設計

一般鉆機的CCTV監控系統都是獨立的，司鉆房安裝一套主機，再安裝一臺懸掛式監視器。

5000 m智能地質巖心鉆機使用PoE供電的網絡攝像頭，通過司鉆房控制柜安裝的一臺PoE交換機進行供電和傳輸視頻信號，然后將視頻信號交換機接入控制系統網絡，再通過安裝在副司鉆的監控客戶端解碼顯示，主司鉆通過WINCC平臺進行解碼顯示，可以將視頻嵌入任何一張控制畫面。

2.6 人體工程學座椅設計

一體化司鉆座椅采用人體工程學設計，座椅可通過遙控器在四個維度調整姿態，觸摸屏的支架可以旋轉和前后傾調節位置方向。通過座椅和屏的共同調節，可以讓司鉆一直處于一種比較舒適的作業狀態，從而減輕疲勞，降低誤操作風險。

5000 m智能地質巖心鉆機的司鉆座椅高度為1500 mm，可在90°～120°范圍內手動調整觸摸屏支架傾角，可電動調整座椅前后部升降(50 mm)、前后傾角(90°～160°)及前后位置(240 mm)。

3 主要設備的集成控制

3.1 盤剎集成控制

3.1.1 盤剎動力源的集成

盤剎的控制包含主絞車的盤剎和繩索取心絞車的盤剎。由于主絞車和繩索絞車在鉆井施工時不會同時使用，因此，在設計時將主絞車的盤剎動力源和繩索取心絞車的動力源設計為共用一套液壓動力站，節省了鉆臺面空間。

3.1.2 盤剎操作手柄的集成

主絞車盤剎包括安全鉗和工作鉗。安全鉗通過碟簧帶動鉗頭剎車，液壓松開，主要作為駐車使用，只有在緊急制動時參與動態剎車，因此在主司鉆一體化座椅上設計了一個駐車旋鈕和一個緊急制動按鈕，通過開關量來控制。工作鉗通過液壓缸帶動鉗頭剎車，泄油后彈簧松開，剎車力矩通過調節供油壓力的大小來實現，因此，在主司鉆一體化座椅上設計一個模擬量信號的手柄來進行控制。

繩索取心絞車只安裝有一套安全鉗，作為在打撈巖心過程中絞車失控時緊急剎車使用，同時，還可以通過控制盤剎實現無動力下放打撈矛。同樣通過調節供油壓力大小來調節剎車鉗的剎車力矩，因此也需要使用一個模擬量手柄來進行控制。

基于以上分析，可以將主絞車的盤剎手柄和繩索取心絞車的盤剎手柄合二為一，通過切換開關來切換盤剎手柄的功能，實現集中控制。

3.2 主絞車、繩索取心絞車及自動送鉆控制

主絞車和打撈絞車速度控制以及自動送鉆的手動速度控制共同使用一個控制手柄。手柄的控制權由絞車切換旋鈕確定，該旋鈕為三位自復位旋鈕，控制狀態有三種：絞車模式、打撈模式和無選擇模式。在絞車模式時，絞車/打撈選擇狀態顯示為絞車，手柄切換為控制絞車；在打撈模式時，絞車/打撈選擇狀態顯示為打撈，手柄切換為控制打撈絞車；在絞車模式或者打撈模式下，再切換一次當前的狀態，會退出當前選擇，變成無選擇模式，在無選擇模式下，可以通過手柄來控制自動送鉆。

3.3 頂驅和轉盤的集成控制

5000 m智能地質巖心鉆機同時配置有轉盤和頂驅，但是不會同時使用，屬于多功能配置。轉盤通過一臺250 kW電機驅動，頂驅通過兩臺132 kW電機驅動。因此，在使用轉盤時，轉盤通過一臺功率為250 kW的變頻器驅動，在使用頂驅時，頂驅電機其中一臺由轉盤變頻器驅動，另外一臺由一臺功率為132 kW的變頻器驅動。參數配置方案則通過變頻柜門上的旋鈕來進行切換選擇，而人機控制界面的操作及顯示則需要在HMI界面的頂驅轉盤選擇按鈕來實現切換，見圖4。

圖4 頂驅轉盤功能選擇界面

3.4 井口自動化工具的集成控制

井口自動化工具包含自動井架工、鐵鉆工和動力貓道機，三者用來傳輸和建立管柱，可以配合主司鉆加接桿，也可以離線上下鉆具。該功能設計為完全由副司鉆來操作，這3個設備都為多自由度、多維度運動，需要多軸操作，因此使用副司鉆座椅左右扶手的兩個多功能十字手柄操作[11-14]。由于這3個設備屬于順序流程作業，不需要同時動作，因此，將左右手柄設計成復用功能，功能通過扶手上的3位選擇開關來進行切換。

3.4.1 自動井架工

自動井架工運動有小車前后移、大臂旋轉、大臂升降、小臂升降和小臂傾斜5個自由度。其中，前4個為比例閥控制，使用模擬量輸出。手柄功能定義和操作界面如圖5所示。

圖5 自動井架工控制示意圖

3.4.2 動力貓道機

動力貓道機大臂的升降和小車的前后移動使用比例閥控制，需要手柄的模擬量來控制，其他動作均為開關量閥，使用手柄的按鍵來操作，手柄功能和操作界面如圖6所示。

圖6 動力貓道機人機交互界面

3.4.3 鐵鉆工

鐵鉆工有鉗體的伸縮和升降兩個自由度，這兩組動作需要調節運動速度，因此使用比例閥進行控制，其他均使用開關閥控制，操作手柄功能定義和操作界面如圖7所示。

圖7 鐵鉆工人機交互界面

4 結語

大型復雜陸地鉆機、海洋鉆井平臺、海洋鉆探船，從空間布局和控制系統拓展性考慮，集成控制系統都將是一種必然選擇。司鉆操作形式無論是從鉆機使用便捷性、作業流程協同性、研發生產統籌性考慮、還是人體使用工程學考慮，一體化司鉆控制座椅都將會是一種發展方向[15]。

一體化司鉆座椅集成的虛擬按鍵和儀表逐步替代物理按鍵和儀表將會是一種發展趨勢。現代控制元器件的穩定性正在被逐漸驗證，在控制系統冗余的情況下，虛擬儀表的穩定性得到保障，其優勢也得以發揮。同時虛擬儀表的使用也能減少司鉆房氣液管線的布置，讓司鉆房保持一個清爽的環境[16]。本鉆機在設計過程中，HMI界面設計有虛擬儀表，司鉆房同時保留有物理形式的指重表、泵壓表、氣壓表、盤剎的壓力表。在5000 m智能地質巖心鉆機工程試驗階段，司鉆人員在整個工程試驗過程中，幾乎不用再關注過物理儀表。

一體化司鉆座椅的功能拓展性優良，可以進一步研究拓展一體化司鉆控制座椅的功能，嘗試將錄井功能納入控制系統網絡，形成統一的信息平臺，實現數據共享；增加班報表輸出功能，通過自動記錄數據輸出班報表并打印，再人工輸入記錄部分信息，形成真實數據加人工記錄的形式。