鉆機電控系統功能性分類模塊化方案設計

韋丁午 趙海波 楊 飛

（渤海鉆探塔里木鉆井分公司）

石油鉆機行業產品個性化特點明顯， 非標產品居多，不同的地區、井隊需要的產品也是不同的，尤其是鉆機電控系統定制化占比非常大，只有極少數采用標準化設計方案。 這導致電控系統柜體設計周期長、 生產進度慢、 調試難度大，現場電控系統的運行穩定性難以得到保證，整個項目運維成本較高， 浪費人力、 物力等資源。 面對鉆機電控產品需求的多樣性、快速性和可靠性， 如何在短時間內設計出滿足用戶需求的產品，模塊化設計思路必不可少。 利用數據庫高效梳理標準功能實現模塊化管理， 對非標功能進行差異性存儲，建立獨立數據模塊，便于后續對比調用，達到設計專業化、生產自動化和裝配高效化的目的［1～4］。

模塊化是對整個系統細化拆分，尋求不同組合實現不同目的的過程。 鉆機電控系統內部由不同柜體組合而成， 不同柜體又由不同元器件組成。 在設計非標柜體時，就需要利用模塊化思想，盡量保證每個模塊可以獨立完成一個功能，減少內部單元器件的數量，從結構上實現獨立化。 對于功能復雜的部件，分解細化設計，對重要的模塊增加數據采集功能，便于后續監測分析，同時還應考慮模塊的可擴展性［5～7］。

1 模塊化設計

鉆機電控系統分為直流控制系統和交流控制系統。4 000～9 000 m直流控制系統是電動鉆機的主要組成部分，包括柴油機組控制單元、直流傳動控制單元、司鉆操作控制單元、電磁剎車控制單元和電動機控制單元5部分。 該系統將600 V交流電壓整流成0～750 V連續可調的直流電壓，無級調速驅動直流電動機，通過對直流接觸器的邏輯控制切換不同的指配關系。 而3 000～12 000 m交流控制系統的柴油機組控制單元和交流電動機控制單元與4 000～9 000 m直流控制系統基本相同，在主電機驅動與控制部分采用了先進的數字變頻調速技術和直流斬波技術，使電動機調速性能更加優越，并在調速范圍內提供較高的功率因數，提高柴油發動機的使用效率。 ZJ50（70、80、90）D（B）直流（交流）控制系統控制裝置共有3個或4個SCR整流柜， 各柜中通過直流接觸器切換，以一拖二的方式驅動泥漿泵、絞車、轉盤和頂驅［8～12］。交流控制裝置共有3個或4個GEN柜，分別對柴油發電機進行控制，并網發電，在其負荷允許的范圍內保證輸出600 V/50 Hz交流電，發電機可按照工況需要全部或部分線上運行，此時負荷都能均勻分配。 司鉆通過PLC控制，完成各項鉆進作業?？傮w上， 各類型號的鉆機電控系統設計各異，沒有合適的分類，設計人員自身因素占比較大。

1.1 標準模塊設計及接口定義

標準化的模塊設計需保證整個鉆機ZJ50（70、80、90）D（B）系統確定且不變，采用自頂向下結構的元器件封裝技術，包括器件形狀、參數設定、尺寸大小、主模型及文檔歸類等，通信接口統一采用Profibus總線控制。為了便于空間設計，可劃分不同標準件器件放置區域，規定安裝次序和范圍。

1.2 非標模塊設計流程

建立非標模塊的主結構及其分類樹，設計包含所有模塊在內的系統化產品。 首先根據技術協議分析客戶個性化需求，定制內置模塊，進行模塊劃分分類，通過發電系統、傳動系統、電機控制中心（MCC）系統及輔助系統等進行模塊配置，連接數據庫更新迭代數據庫內容，最終出圖并進行產品生產，根據圖紙裝配、安裝，最后分配技術人員參與單柜調試，當柜體進入房體時，再次進行房體調試，最終將產品交付給客戶，通過反饋意見進行校正對比，實現完整產品。

鉆機電控系統的模塊化設計流程如圖1所示。

圖1 鉆機電控系統模塊化設計流程

1.3 Oracle數據庫

采用企業Oracle數據庫，設置鉆機分類目錄?？偨Y市場上現有電控系統的特征和未來電控系統的發展方向， 對電控系統進行詳細的分類，并充分論證。針對ZJ50（70、80、90）D（B）等一個系列的電控系統做整體的規劃，不是每次只針對一套鉆機、一個項目去制定方案。 對鉆機電控系統綜合控制柜、發電機控制柜、開關柜、MCC柜及傳動柜等不同控制柜體里面含有的電源、測量、工藝邏輯等功能進一步去細化、歸類，做成標準的兼容模塊或PCB集成電路控制板，以供統一調用，如圖2所示。 對于具有差異性、 不同系列的電控系統，將差異部分單獨作為模塊進行建模、建庫、設置參數及存儲等。

圖2 鉆機電控系統分類結構

1.4 結構精細化

基于數據庫的數據支持， 還可以進一步細分，比如柜體的屬性、發電機數量、開關回路及MCC配置等。 另外，隨著國家對國內產品的支持，也可以建立國內、國外產品數據庫，便于訂正貨期保障、物流速度等條件。 結構精細化設計后可滿足不同產品（器件品牌、數量等）的兼容性和可擴展性。 對控制柜內的外接線端子進行調整，使得柜與柜之間， 柜子到房端接插件之間盡可能“點對點、一根線”完成，房內、房端的接線數量遵循數量少且距離短的原則。

1.5 通用模塊化設計

對元器件柜內空間占比超過擬定尺寸的問題， 進行通用模塊化設計。 結合程序調試——EMC摸底測試（靜電、群脈沖及浪涌等）和安規摸底測試（掉落試驗、鹽霧試驗、高低溫試驗及振動試驗等），待仿真模擬完成后，開始生產樣片、阻焊、裝配，同時編寫說明書、測試大綱等。 目前暫定器件及指標如下：

a. 采用ARM 32位單片機芯片、IAR面向對象編程軟件和Altium Designer電路設計軟件；

b. 硬件配置點陣顯示、DS18B20溫度檢查、SD卡、 無線模塊、NET通信網口、485通信串口、TFT液晶屏等相關器件；

c. 8個LED燈、2個8段四聯數碼管、 高亮8×8矩陣；

d. 8個AD鍵盤；

e. 光敏電阻；

f. DS1302時鐘芯片，帶3.3 V紐扣電池；

g. 可讀寫SD卡文件，保存數據；

h. 直流（交流）電機接口；

i. 74HC537擴展芯片作擴展口；

j. MAX232串口數據傳輸以延長發送數據距離；

k. USB、Type-C接口下載程序；

l. ISP下載接口；

m. PS2鼠標鍵盤接口。

上述相關設備和參數是基本擬定的，還需考慮如下硬件設計問題：

a. 存儲擴展器，ROM、RAM形式，RAM要具有掉電保持數據功能；

b. I/O接口擴展，選擇合適的地址譯碼方式；

c. 輸入通道設計，包括開關量、模擬量輸入設計，模擬輸入要結合信號檢測環節（傳感器、信號處理電路等），考慮傳輸信號的形式、線性化、補償、信號處理等和A/D轉換的選擇；

d. 輸出通道設計，包括開關量、模擬量輸出設計，考慮功率、控制方式（繼電器、可控硅、三極管等），模擬量輸出考慮D/A轉換器；

e. 人機界面設計， 包括鍵盤開關、 撥碼器、啟/停操作、復位、顯示及報警等；

f. 負載容限，采取總線驅動，設置單向或雙向驅動器；

g. 電源配置， 選用三端穩壓器 （如79**系列）；

h. 抗干擾措施，去耦濾波、通道隔離等。

2 鉆機提升系統模塊化

鉆機提升系統主要包括絞車和游吊系統，絞車滾筒上安裝的編碼器是提升系統的重要部件之一，常用編碼器脈沖信號計算大鉤高度。 為了便于可視化操作，采用模塊化系統設計，包括計算機輔助系統、用戶管理和模塊資源配置3部分。產品模塊化思想就是對各種設計資源進行具體操作，按照用戶要求將不同型號的編碼器作為配置資源，輸入自定義的編號及其相對應的滾筒直徑、滾筒每層纏繞的圈數、鋼絲繩直徑、第1層死繩圈數、繩系等參數，就能得出對應編碼器模塊的大鉤位置計算值， 若結果與現場實際不符，調整參數或配置其他類型編碼器，直至滿足現場用戶需求。 如果需要更加精確地控制機具運行，可總結各個井隊的現場實際參數， 作為參考依據，進行參數模型的建立，若用戶需求的參數與數據庫中的參數一致或近似，可當作提升系統模塊化的輸入參數，仿真現場實際情況，為調試人員減輕負擔，同時增加整體設備的可靠性、適配性。 鉆機提升系統結構劃分如圖3所示。

圖3 鉆機提升系統結構劃分

3 MCC系統模塊化

MCC系統常用400 V/50 Hz電壓來分配給鉆機用電設備， 使用溫度-50～+50 ℃， 相對濕度90%，當發電模塊正常工作時，抽屜面板紅色指示燈亮，顯示回路得電，斷路器儲能完成白色指示燈亮，當合閘完成后，綠色指示燈亮，并向母排供電。 主母排具備400 V電后對MCC抽屜進行供電，供電時電源指示燈亮，將軟啟動操作手柄轉動至合閘位置后，白色運行指示燈亮起，按下啟動按鈕使能指示燈亮起，內置端子、繼電器等元器件由PCB板（ARM32）代替，便于信號傳輸，抽屜啟動時的電流經過轉換作為PCB板模擬信號輸入量，監測MCC控制設備的啟動和運行電流。 FVNR與HOA控制回路分為本地和遠程兩種操作模式，抽屜手柄轉到合閘位置，可以切換本地啟動或遠程啟動，實現對絞車、風機、泵區及灌區等的供電功能。 MCC抽屜具備保護和控制功能，包括短路保護、缺相保護及熱繼保護等，且同一尺寸、功率下的抽屜可相互備用，圖4為MCC系統示意圖。

圖4 MCC系統示意圖

4 結束語

鉆機行業相關產品復雜多樣且個性化較強，筆者針對鉆機電控系統重點控制的提升系統和MCC系統進行模塊化設計，并且采用基于數據庫的模塊存儲方法，減少了裝配、安裝、調試過程的出錯率，減輕了設計人員的工作量。 筆者針對常見的電控系統通用功能采用ARM32 芯片、MAX232串口、無線模塊、DS18B20溫度等模擬/數字元件做模塊化的PCB板應用開發， 優化電控系統整體結構設計， 降低安裝成本及節省裝配空間，提高設備的管理效率。 因此，該設計思路有很好的借鑒意義。