海洋鉆井絞車智能剎車控制系統國產化改造

王 倫，周宏宇，孫龍林，劉建新

（中石化海洋石油工程有限公司 上海鉆井分公司，上海 201208）

鉆井絞車剎車是海洋鉆井平臺最為核心的設備[1]，某海洋鉆井平臺配置2 套剎車，1 套為帶式剎車（下文簡稱帶剎），用剎把操作，操作者需有豐富的操作經驗和較大體力[2]，另配置1 套渦磁剎車作為輔助剎車，用于減速[3]。隨著鉆機自動化水平的不斷提高，為增強設備安全性、可靠性并降低操控者勞動強度[4]，本世紀初，某海洋鉆井平臺在保留剎把的基礎上，加裝了智能剎車。其執行器與剎把共用轉動軸，通過操作手柄（俗稱小剎把）控制液壓，從而控制液壓油缸的伸出量而控制剎帶的松緊，并集成游車防碰功能，操作簡單、省力，對操作經驗要求較低。該控制系統下位機為可編程邏輯控制器（PLC），上位機為按鍵式控制屏，由歐洲某公司集成設計。隨著電子產品的更新換代，原控制屏已停產，無法采購備件，只能升級為新一代產品。但原控制系統采用當時較為流行的DP通訊（一種總線通訊方式），PLC作為DP主站，控制屏為從站，因此，更換控制屏型號時，需更改PLC的相關設置、加載新控制屏的GSD（DP通訊設備的驅動文件）[5]，并升級PLC 程序。由于受知識產權與專利保護，廠家對原程序嚴格保密，升級時需派遣外籍工程師至現場服務，服務費用居高不下。因此，國產化改造為解決這些問題的有效措施[6]，但該系統直接關乎生產安全與生產效率、風險識別與控制、不同年代設備之間兼容、控制屏編程等，并不簡單[7]，本文以某海洋鉆井平臺智能剎車控制系統為例，介紹其改造方法。

1 工藝原理、控制設備組成與功能

海洋鉆井絞車（下文簡稱鉆井絞車）剎車系統的改造風險識別與控制是進行項目改造的基礎。掌握智能剎車的工藝原理與控制系統組成，了解被改造部分在系統中的功能、與其它設備的聯系，是識別風險的前提。

1.1 工藝原理

智能剎車液壓工藝原理示意圖及傳動示意圖分別如圖1、圖2 所示（與控制無關的元器件未畫出），圖1 中紅線為氣管線、藍線為油管線。智能剎車主要包括剎車執行器、剎車操作箱、液壓泵站和鉆井絞車反饋電機與閥組、絞車離合器控制閥組、編碼器。剎車執行器外形及其動作狀態如圖3 所示，包括伺服油缸和彈簧油缸2 種驅動方式，主要有4種狀態。

圖1 智能剎車液壓工藝原理示意圖

圖2 智能剎車傳動示意圖

圖3 剎車執行器外形及其動作狀態

1）狀態1：伺服油缸剎車狀態。當電動液壓泵開啟、液壓輸送至執行器的彈簧油缸，將彈簧完全縮回后，帶剎的松緊由伺服油缸的伸縮量控制，當操作手柄置于剎車位時，伺服油缸活塞桿完全伸出，活塞桿驅動帶剎從而剎車。

2）狀態2：手動剎車狀態。液壓泵站停機后，系統無液壓，用手動液壓泵打壓，并將執行器彈簧完全縮回后，帶剎的松緊或剎車由剎把控制。

3）狀態3：剎車松開狀態。同狀態1，彈簧縮回，當操作手柄置于中位時，伺服油缸活塞左右側壓力相同，活塞桿收回，剎車松開。

4）狀態4：彈簧剎車狀態。正常情況下，同狀態1，當彈簧油缸失去液壓時，彈簧立即彈開，推動帶剎從而剎車。

智能剎車控制系統主要通過控制6 個電磁閥實現相關功能。

1）1#電磁閥，用于緊急剎車。正常情況下，該電磁閥關閉。當發生電源失電、按下急停按鈕、液壓泵站停機、游車超速、觸碰止點等異常情況時，PLC 控制該電磁閥打開，釋放彈簧油缸內的液壓油，彈簧立即彈開從而剎車。

2）2#電磁閥，用于剎車復位。鉆井絞車大繩過卷導致過卷閥動作，或者手動剎車控制閥打開后，壓縮空氣控制2#氣動繼動器脫開離合器，同時，壓力開關PS1 和PS2 動作，壓力信號經PLC 處理后，輸出剎車信號。當過卷閥或手動剎車控制閥復位后，相關控制管路內仍有空氣，需通過該電磁閥釋放殘留空氣從而復位。

3）3#電磁閥，用于控制脫開離合器。該電磁閥控制3#氣動繼動器關閉，高、低速離合器均失去氣源后脫開。

4）4#電磁閥，用于自動潤滑。PLC 程序自動間歇性打開4#氣動繼動器，液壓油經減壓閥減壓后，分別給反饋電機、鏈條、緊鏈器自動潤滑。

5）5#電磁閥，用于打開自動送鉆模式。當操作手柄置于剎車位、打開該電磁閥時，5#氣動繼動器隨之打開，電動液壓泵至操作手柄的液壓泄壓；同時，1#氣動繼動器打開，液壓經減壓閥、反饋電機輸送至智能剎車執行器伺服油缸，從而控制剎車的松緊，系統進入自動送鉆模式。

6）6#電磁閥，用于關閉自動送鉆模式。該電磁閥打開后，伺服油缸經6#氣動繼動器泄壓，自動送鉆模式停止。

1.2 控制設備組成與功能

智能剎車控制系統主要包括主控制箱、操作箱、控制屏、防爆接線盒、傳感器、電磁閥及其編碼器，并與可控硅控制柜、渦磁剎車、補償器有連鎖或聯動信號，涉及改造的包括主控制箱和控制屏，主要設備功能如下。

1）主控制箱。所有信號均接至主控制箱，由PLC處理，包括液壓泵站啟停、游車位置及其防碰保護、液壓泵站高油溫與低油位保護等功能，并實現剎車時，自動脫開離合、切斷鉆井絞車的可控硅系統動力和打開渦磁剎車。

2）操作箱。液壓操作手柄安裝在操作箱上，用于帶剎松緊控制，并集成液壓泵的啟停按鈕及運行指示燈，液壓泵站的報警消音按鈕、急停按鈕以及伺服液壓指示表。

3）控制屏。原采用斯塔爾（STAHL）黑白按鍵式控制屏，較為小眾且價格昂貴，現已停產，其包括游車速度及位置顯示、越控操作、防碰點和超速保護值設置等功能。

綜上所述，控制系統僅在異常情況下剎車，而不能在剎車情況下松開剎把，剎車、脫開離合以及投入渦磁剎車等連鎖動作，均由PLC自動完成以避免司鉆誤操作造成設備損壞[8]，故不存在控制屏引起游車掉落或設備損壞等重大風險，風險控制的關鍵在于控制屏修改PLC程序參數調用的變量是否準確，避免無故剎車。

2 智能剎車控制系統改造要求

結合操作者要求和現場實際情況，該智能剎車控制系統改造應滿足如下要求。

1）不應增加風險點。

2）新控制屏應滿足司鉆室防爆要求，且在國內市場備件充足、價格合理，尺寸應與原控制屏基本一致，以兼顧安裝空間和顯示界面清晰，常用按鍵應符合現場使用習慣，使用實體按鍵。

3）新控制屏界面設計應與原控制屏基本一致，以符合使用者的操作習慣。

4）主控制箱應能容納新增的設備。

5）具備賬戶管理功能。應輸入密碼才能更改相應參數，并可隨時注銷。

6）系統設置功能。系統密碼、IP 地址、屏幕保護時間等可更改。

7）具備報警及其回讀功能。

8）控制屏上使用頻繁的按鈕需有備用，保證損壞時仍可正常操作。

3 智能剎車控制系統改造

3.1 設備選型

根據改造要求，控制屏選用彩色精智觸摸屏KTP400 COMFORT，該屏可用于防爆環境且尺寸合適，在國內備件充足、價格合理，但只支持三菱Q系列PLC 以太網通訊，故需改造PLC。PLC 基板上剛好有備用插槽，增加通訊卡QJ71E71。

3.2 通訊方式改造

原控制屏與PLC采用DP通訊，經RS422通訊協議與總線隔離中繼器相連，原控制屏與PLC通訊原理示意圖見圖4，改為以太網通訊后的新控制屏與PLC通訊原理示意圖見圖5，鉆井絞車編碼器與PLC的總線通訊卡直連，新控制屏與以太網通訊卡直連。

圖4 原控制屏與PLC通訊原理示意圖

4 控制程序研究與新控制屏人機界面設計

4.1 控制程序研究

由于控制屏與PLC 通訊從DP 改為以太網，新舊控制屏相關變量格式不一致，理解PLC程序成為正確調用相應變量、降低改造風險的最佳方式。

該PLC 程序采用三菱GX Works2軟件編程，達5 000 余步，主要功能包括大繩長度計算及分層點設置、止點設置、游車位置及速度計算、傳感器信號處理與安保參數設置、游車位置校正等。各程序段之間相互調用，該項目的關鍵在于控制屏修改PLC程序參數調用的變量是否正確，因此，下面主要介紹與控制屏按鈕及I/O 域相關的PLC 程序段，常規邏輯控制、信號處理與顯示程序不再詳述。

1）大繩長度計算及分層點設置程序。鉆井絞車大繩長度計算是游車位置及速度計算的基礎，程序運行后，先判斷各層的大繩總長度是否已計算，每層大繩總長計算完成后，程序根據控制屏的分層起始指令確認分層點（如第1～2層的分層變量被控制屏置為1，程序將1～2 分層點作為起始，其它同理）。大繩總長計算如公式（1）所示：

式中，L為纏繞在絞車滾筒上的大繩長度；n為絞車滾筒上纏繞大繩的層號，本項目中最大值為4；N1、Nn為絞車滾筒第1 層和第n層纏繞的大繩數量，纏滿為40，即最大值為40；π 為圓周率，取3.142；Dpc為絞車滾筒上第1 層大繩環繞所形成圓柱的直徑，即絞車滾筒的直徑加上2 根大繩的半徑，為952 mm；d為大繩的直徑，為38 mm。

鉆井絞車大繩纏繞示意圖如圖6 所示。由于大繩在滾筒呈“品”字形排列，因此，除第1 層外，大繩每增加1層，大繩環繞所形成圓柱的直徑增加2dsin60°，鉆井絞車旋轉的總圈數Ntc計算如公式（2）所示：

圖6 鉆井絞車大繩纏繞示意圖

式中，Ptp為編碼器計量的脈沖總數；Ppc為鉆井絞車旋轉1周對應編碼器的脈沖數，本項目為3 072。

2） 止點設置、游車位置及速度計算程序。

（1）止點設置程序。先判斷是否需要更改止點，當需更改時，將當前大繩相對長度折算成游車高度，存儲在相應寄存器，控制屏只需調用其變量即可對其進行顯示，大繩長度轉換為游車垂直高度H的計算如公式（3）所示：

式中，Nst為游車或天車大繩股數，本項目為12。

（2）游車位置計算程序。止點設置完成后，自動調用游車位置計算子程序，將當時實時大繩長度與相對零點長度之差寄存在寄存器。

（3）速度計算程序。程序將編碼器脈沖變化量折算成大繩長度變化量后，除以時間即為速度，保存在寄存器中，當其小于零時，自動取正。

3）剎車執行程序。當發生游車超速、碰觸止點、過圈閥動作、液壓泵站故障、觸發急停等時，程序控制剎車執行器彈簧油缸泄壓、剎車。其中，當止點觸發時，在主界面（PLC 通過控制屏區域指針畫面號D33=1時，判斷控制屏當前顯示主界面），按下越控按鈕，控制屏控制止點程序斷開、剎車手柄置于剎車位時，再按下復位按鈕，即可實現越控。當按下越控關閉按鈕、游車速度大于設置值、超過觸碰天車或鉆臺安全距離時，越控即關閉。

4.2 控制屏人機界面設計

智能剎車控制屏人機界面操作流程見圖7，采用西門子博圖V16編程，游車位置校正等涉及參數更改的指令均設置有彈出確認窗口。其中，切割滑移大繩或發生編碼器跳齒等故障后，大繩分層點需重新設置，然后設置止點，平時修改止點可直接從主界面進入，因此，止點設置界面有2個上一界面，設計返回到上一界面為主界面，其它界面只有一個上一界面，均原路返回（按F1或ESC）。

圖7 智能剎車控制屏人機界面操作流程

5 結束語

隨著電子技術的發展，產品更新換代快，進口控制系統的備件停產是不可避免的，為解決不同年代的電子產品之間的兼容問題，不單涉及新產品自身的編程與設置，相關產品也需升級改造。本項目充分考慮到系統的特殊性，將風險控制作為首要目標，并理清控制屏在整個系統中所處的位置，采用精智觸摸屏，用最新版編程軟件進行編程，設備及編程軟件均為當今國內市場流行配制，國外先進技術完全轉化為國內技術，實現替代，打破關鍵控制系統軟硬件備件必須進口的思路，縮短了備件采購周期，降低了備件采購費用和設備維護成本，解決了原系統備件停產和小眾產品備件采購困難等問題，避免了原系統因備件停產而導致的整體報廢，帶來了明顯的經濟效益。該項目緊密聯系實際，使用頻繁的按鈕均設計有虛擬備用按鈕，提高了控制屏的可靠性，并充分發揮當代控制屏色彩、功能豐富等優點。該項目及相關技術的成功應用，對進口大型設備類似技術瓶頸與智能控制問題的解決提供了思路，具有推廣意義。