電驅(qū)動石油鉆機的安全控制技術研究

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(1．寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞 721002)

電驅(qū)動石油鉆機的安全控制技術研究

魏培靜1，于興軍1，2，常永鵬1，周海磊1，劉汪彤1，王永鵬1，李博洋1，袁方1

(1．寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞 721002)

從硬件設計和軟件開發(fā)兩個方面分別闡述了石油鉆機安全控制系統(tǒng)應遵循的設計原則。硬件設計方面包括：集成控制架構(gòu)設計、手動急停電路設計、智能剎車系統(tǒng)設計、智能裝置自保護功能設計、關鍵電氣設備冗余化設計等。軟件開發(fā)包括：控制器的“軟急停”功能模塊開發(fā)、運動防碰安全管理系統(tǒng)開發(fā)、智能工藝過程模塊開發(fā)等。針對鉆機出廠安全功能試驗驗證、鉆機遠程在線監(jiān)測及專家故障診斷系統(tǒng)開發(fā)、網(wǎng)絡化控制安全管理等方面提出相關工作建議。

鉆機；安全；控制系統(tǒng)；設計

Abstract：In this paper，the design principle of drilling rig safety control in two aspects is expounded：one is the design of hardware circuit and the other is the development of software.The hardware aspects include the design of integration control framework，manual ESD circuit，intelligent brake system，self-protection function of intelligent device，redundancy design of key electrical equipment.The software aspects include the development of controller soft stop function module，Anti-collision safety Management system，intelligent process software module，etc.Meanwhile，the authors put forward some suggestions of the subsequent works，such as the safety function test of FAT，the development of remote on-line monitoring and Fault diagnosis system，networked control security management.

Keywords：drilling rig；safety；control system；design

石油鉆井行業(yè)在追求高鉆速、高利潤的同時，一直伴隨著較高的安全風險。作為鉆井勘探開發(fā)作業(yè)的關鍵裝備——石油鉆機，它的安全性則成為重中之重。鉆機是一項集機械、電氣、液壓、氣控等多學科的綜合系統(tǒng)工程，結(jié)構(gòu)件的強度、液壓系統(tǒng)的可靠性、氣路邏輯的合理性等各方面都會直接關系到鉆機的總體安全性能，重要性不言而喻，相關方面也已做了大量研究工作[1-2]?？刂葡到y(tǒng)作為鉆機的指揮核心，負責鉆機各個設備的工作控制和狀態(tài)監(jiān)視，系統(tǒng)設計理念的合理性、硬件電路的可靠性、軟件程序的完善性等都關乎著安全。本文將重點從上述方面探討石油鉆機安全控制機制的設計開發(fā)。

1 硬件系統(tǒng)安全控制設計

1.1集成化控制系統(tǒng)成為各單元設備安全操控的前提

司鉆作為鉆機操作的第一責任人，需要對鉆機所有關鍵設備進行有效的遠程操控和監(jiān)視，面對任何安全隱患以及出現(xiàn)的意外情況應第一時間采取措施，確保設備和人員安全，對此必須實現(xiàn)鉆機各個單元設備在司鉆房內(nèi)的集成化控制。老式鉆機設備只能在就近本地操作，已經(jīng)無法適應日益嚴格的HSE要求。

司鉆集成控制必須解決的問題是將原獨立的單元設備通過合理的網(wǎng)絡化通訊架構(gòu)，實現(xiàn)控制指令以及狀態(tài)數(shù)據(jù)的上下傳輸功能，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡化、數(shù)字化、集成化控制。目前，智能司鉆與各單元設備之間宜采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊模式進行數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡架構(gòu)主要有星形架構(gòu)、環(huán)形架構(gòu)、星形+環(huán)形結(jié)合架構(gòu)方式，根據(jù)鉆機各設備的布置情況，可采取相應架構(gòu)。

1) 星形架構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸方式適用于各單元設備控制站物理位置相對集中的鉆機。

2) 環(huán)形架構(gòu)適用于各單元設備控制站物理位置相對分散的鉆機。

3) 星形+環(huán)形結(jié)合架構(gòu)適用于部分設備單元控制站物理位置相對分散，另外一部分相對集中的鉆機。

圖1為環(huán)形通訊結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡架構(gòu)示意圖。

圖1 鉆機環(huán)形通訊網(wǎng)絡架構(gòu)示意

該通訊架構(gòu)通過現(xiàn)場級、中間級、上位級各層的數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)了狀態(tài)信息以及控制指令的網(wǎng)絡化傳遞[3]，從而有效確保了司鉆對鉆機的集成化操控。

1.2多級急停硬件電路是鉆機安全操控的最后保障

急停機制是針對作業(yè)過程出現(xiàn)的突發(fā)狀況對設備進行緊急管理的一項措施，通過該措施可實現(xiàn)設備立即保持在當前狀態(tài)進行停止待命。為了確保鉆機各設備受控，基于控制系統(tǒng)硬件電路搭建的急停管理系統(tǒng)是安全的基本保障[4]。按照鉆機配備單元設備數(shù)量的多少及工作性質(zhì)，硬件急停電路宜至少按照3級機制進行設計，即：單元設備本體急停、設備動作總急停、鉆機系統(tǒng)動力急停。這3級急停的安全控制級別依次由低到高，其中動力急停為最高。

1) 單元設備本體急停。各個單元設備有各自的急停觸發(fā)裝置，此裝置只急停對應的設備而不影響其他設備正常運行，此類急停觸發(fā)時可以停止該設備動作，相應各操作均無效。

2) 設備動作總急停?？刂萍煽刂葡到y(tǒng)下所有各設備，當此急停觸發(fā)時，所有設備停止動作并保持當前狀態(tài)，此時司鉆集成座椅上所有操作以及本地操作均無效。

3) 鉆機系統(tǒng)動力急停。實現(xiàn)鉆機整個動力管理，包括柴油發(fā)電機組、液壓站等。當此急停激活時，所有液壓源、電力等動力全部關閉，屬最緊急情況。

通過3級急停電路的“與”、“或”、“非”邏輯搭配實現(xiàn)鉆機各個設備的急停管理，即，“非”：低級別的急停觸發(fā)不會導致高級別急停以及其他設備同級別急停動作觸發(fā)；“與”：高級別急?？捎|發(fā)低級別急停動作；“或”：不同位置的同級別的急停觸發(fā)信號急停效用一致。

該急停電路必須采用專用安全繼電器通過硬線連接方式的實現(xiàn)，可避免由于PLC控制器出現(xiàn)故障而導致純依賴程序軟急停導致設備無法停機的狀況發(fā)生，大幅提高了系統(tǒng)的可靠性。圖2為某鉆機急停電路原理，詳見文獻[5]。

圖2 鉆機多級急停控制電路原理

1.3多因素融合的智能剎車系統(tǒng)是鉆機安全操控的關鍵

剎車系統(tǒng)是針對鉆機最主要的游動提升設備進行位置控制的關鍵裝置。根據(jù)鉆機驅(qū)動型式不同有盤剎+能耗制動方式或者盤剎+電磁渦流剎車等輔助剎車裝置等方案[6]。

剎車系統(tǒng)靈敏性是其最為關鍵的安全指標，過于敏感的剎車系統(tǒng)會導致井架等支撐結(jié)構(gòu)的晃動，以及絞車滾筒的亂繩等事故發(fā)生，過于遲鈍的剎車系統(tǒng)則易導致“上碰下砸”等事故發(fā)生。多因素融合的智能剎車系統(tǒng)已成為鉆機安全操控的必備利器，應具備以下性能：

1) 剎車系統(tǒng)必須與游車位置監(jiān)測系統(tǒng)進行聯(lián)動設計，在游動系統(tǒng)的上、下報警點和停車點位置處必須可自動減速和強制剎車，避免依賴于人工操作造成的失誤。

2) 對于無法保障鉆機安全作業(yè)的其他影響因素發(fā)生時(例如PLC控制器故障等)，剎車系統(tǒng)必須自動投入工作，強制該提升系統(tǒng)進行停機待命。表1為某型鉆機典型的自動剎車邏輯表。

3) 基于自適應變量控制模式的柔性自動剎車系統(tǒng)，有助于改善鉆機操作安全性和舒適性。常規(guī)盤剎裝置，需依靠經(jīng)驗進行人工操作實現(xiàn)剎車力矩的調(diào)整，屬于“手動擋”級別。近年來，隨著自動控制技術的發(fā)展，寶雞石油機械有限責任公司已經(jīng)開發(fā)出了基于自適應智能算法的自動剎車系統(tǒng)，即根據(jù)游動系統(tǒng)當前位置、實時速度、輔助系統(tǒng)制動能力、絞車機械轉(zhuǎn)動慣量等綜合信息，實現(xiàn)剎車力矩的自動變量給定，避免了人工干預，真正實現(xiàn)了“自動擋”功能。該技術已在寶雞石油機械有限責任公司為NDC國家鉆井公司等高端用戶訂購的鉆機進行了批量化應用，通過現(xiàn)場試驗驗證效果良好。

表1 鉆機典型剎車邏輯控制表

表1中的代號含義說明：

Y6—剎車執(zhí)行動作(Y6=0剎車)；X5—防碰釋放(X5=1觸發(fā))；X14—系統(tǒng)急停按鈕狀態(tài)(X14=0觸發(fā))；X15—盤剎急停按鈕狀態(tài)(X15=0觸發(fā))；X16—自動送鉆電機狀態(tài)(X16=1啟用)；X17—絞車主電機狀態(tài)(X17=1啟用)；X18—自動送鉆離合狀態(tài)(X18=1，掛合)；Y8—自動送鉆系統(tǒng)狀態(tài)(Y8=1，投入使用)；X19—絞車過卷防碰信號(X19=1觸發(fā))；X20—井架防碰信號(X20=1觸發(fā))；X21—數(shù)顯防碰信號(X21=1觸發(fā))；X23—絞車左減速箱Ⅰ擋反饋信號(X23=1，已掛合Ⅰ擋)；X24—絞車左減速箱Ⅱ擋反饋信號(X24=1，已掛合Ⅱ擋)；X26—絞車右減速箱Ⅰ擋反饋信號(X26=1，已掛合Ⅰ擋)；X27—絞車右減速箱Ⅱ擋反饋信號(X27=1，已掛合Ⅱ擋)；X28—絞車主電機故障信號(X28=0 故障)；X29—自動送鉆電機故障信號(X29=0 故障)；X36—發(fā)電機急停按鈕狀態(tài)(X36=0觸發(fā))；X37—VFD/SCR驅(qū)動系統(tǒng)急停按鈕狀態(tài)(X37=0觸發(fā))。

1.4智能裝置自保護功能輔助提升鉆機安全性能

隨著電力電子技術飛速發(fā)展，越來越多的智能電氣裝置被應用于石油鉆機控制領域[7-8]。SCR/VFD動力傳動模塊、MCC智能配電裝置、軟啟動器、數(shù)字化發(fā)電機控制模塊等在不同方面實現(xiàn)著各自基本功能的同時，還承擔了輔助的系統(tǒng)保護功能，包括：發(fā)電機欠壓/過壓保護、發(fā)電機逆功及負載均衡分配保護、發(fā)電機欠頻/過頻保護、主電機堵轉(zhuǎn)及過流保護、短路保護、接地故障及電流不平衡保護、電機啟動電力沖擊限流保護等。

上述智能裝置的應用，從硬件方面實現(xiàn)了對鉆機電力驅(qū)動系統(tǒng)的電氣保護，有效解決了由于設備過載等外部因素導致電氣輔助系統(tǒng)停機而影響鉆井作業(yè)安全的問題。

1.5核心控制器件冗余化實現(xiàn)鉆機操控應急備份保護

隨著用戶對鉆機自動化性能、安全性能要求的提高，以PLC及工控機等為核心控制器并裝備有智能軟件程序的數(shù)字控制系統(tǒng)已經(jīng)成為鉆機的發(fā)展趨勢。

目前鉆機主流的后臺控制是采用1套西門子S7-300 PLC或S7-1500控制器，為了提高安全可靠性，結(jié)合成本因素可采用以下幾種方式：

1) 單PLC控制器+硬件BYPASS旁路系統(tǒng)。

當PLC控制器出現(xiàn)故障時，切換到完全由硬件電路搭建的BYPASS旁路系統(tǒng)，可以實現(xiàn)鉆機的基本操作功能，缺點是缺少原有軟件程序具有的自動化和高級安全保護功能。

2) 兩套PLC(一用一備)“冷備份”方式。

當在用控制器出現(xiàn)故障，可手動卻換到第2套PLC工作模式。該切換過程需要人為操作，啟動過程會需要設備短暫停機；但切換完成后系統(tǒng)軟件所具有各項保護功能不受影響。

3) 基于雙CPU同時在線運行的PLC“熱冗余”方式。

S7 400H PLC具有兩套核心處理器，可同時在線運行[9]，當1套故障時第2套自動投入，不會影響設備工作，實現(xiàn)了PLC故障后的自動切換，但系統(tǒng)成本以及維護復雜性會有所增加。

2 軟件系統(tǒng)安全控制開發(fā)

基于硬件電路設計的安全保護機制是鉆機安全控制的基本保障。然而，隨著鉆井作業(yè)的復雜性日益增加，僅僅依賴硬件系統(tǒng)實現(xiàn)安全控制，已無法滿足鉆機操作需求，基于具有運算能力控制器的軟件系統(tǒng)安全控制開發(fā)是非常必要的，下面進行分述。

2.1“軟急停”功能模塊實現(xiàn)硬件急停機制的完善保護

司鉆房內(nèi)設置了多個不同級別的急停按鈕，該急停按鈕在作為硬件急停電路組成部分的同時還應提供一路輔助觸點信號輸入給PLC控制器，該控制器檢測到該級別急停觸發(fā)信號時，應立即在程序上進行相應的“軟急停”處理：即將適用于該級別急停被控對象的PLC所有輸出指令全部清零，實現(xiàn)對其驅(qū)動器、變頻器等控制信號的清零，從而使設備停止保持在當前位置，除非PLC控制器檢測到該急停信號清除，軟件程序重新按照給定指令執(zhí)行后續(xù)動作。該“軟急?！钡目刂破鬏敵觥扒辶恪北３謾C制是硬件急停保護的完善保護。

2.2運動防碰管理系統(tǒng)有效避免設備間碰撞隱患發(fā)生

為了提升作業(yè)效率，越來越多的單元設備都在司鉆房遠程操作的基礎上進行著并行作業(yè)，尤其是在井口設備較為集中的區(qū)域，存在著“碰撞”的隱患，主要有2個方面，即：

1) 動態(tài)設備之間的碰撞。例如：鐵鉆工與頂驅(qū)之間，頂驅(qū)與二層臺排管機之間等。

2) 動態(tài)設備和靜態(tài)結(jié)構(gòu)之間的碰撞。例如：二層臺排管機與井架之間等。

為了解決該問題，必須開發(fā)一套基于空間位置解算的運動防碰安全管理系統(tǒng)。針對鉆機井架及鉆臺內(nèi)部的所有運動設備在工作過程中相互間存在碰撞可能的情況進行梳理，以井口中心為坐標原點，結(jié)合相關位置傳感器信號，經(jīng)過軟件編程實時計算各設備可能存在的碰撞關鍵輪廓點坐標，通過比較關鍵點的距離判斷是否處于防碰臨界狀態(tài)，然后通過軟件程序進行提示并自動制動，進而實現(xiàn)了即將碰撞設備的自動停車，以避免碰撞事故發(fā)生。圖3為某鉆機司鉆操作界面防碰區(qū)域管理表。

注：“○”表示存在碰撞工況的設備組合，當該軟件模塊作用導致某設備停止時，相應指示燈則變色提示。

圖3 鉆機運動設備防碰區(qū)域管理表

2.3基于工藝過程的專用智能模塊提升控制系統(tǒng)安全性

結(jié)合鉆井工藝和鉆機設備配置情況開發(fā)的專用智能模塊程序，一方面可減少人員操作干預，降低勞動強度；另一方面可提升系統(tǒng)安全性，避免誤操作造成設備損壞，包括以下方面：

1) 通信故障自保護、掉電自保護、檢測元件故障自保護等智能模塊程序?qū)崿F(xiàn)了對于意外發(fā)生的可識別性故障而由程序自動采取的處理措施，通過“看門狗”信號“握手”定期掃描等機制實現(xiàn)了故障回路的智能診斷以及自動處理，最終達到故障狀態(tài)下設備的安全自動停機和輔助信息提示功能。圖4為某鉆機司鉆人機界面程序通訊故障的診斷界面。

注：黃色線路標識存在通訊故障。圖4 鉆機司鉆通訊故障的診斷界面

2) 自動送鉆、軟泵控制、軟轉(zhuǎn)矩控制等程序功能模塊分別實現(xiàn)了鉆機相關關鍵單元設備的智能自動作業(yè)，以及鉆井作業(yè)工藝過程中的相關速度、轉(zhuǎn)矩、壓力、液位、流量等參數(shù)實時監(jiān)測和報警。

3) 基于多種模式的智能剎車軟件模塊程序開發(fā)。

在常規(guī)剎車功能的基礎上，分別結(jié)合絞車主電機及自動送鉆電機提升工控開發(fā)智能剎車軟件模塊，輔助提升剎車系統(tǒng)安全功能。圖5所示為寶雞石油機械有限責任公司為國外某鉆機開發(fā)的專用剎車功能模塊程序邏輯表，經(jīng)現(xiàn)場驗證有效提升剎車系統(tǒng)安全性能。

圖5 基于多種模式的智能剎車軟件模塊程序流程

3 后續(xù)工作建議

結(jié)合前面分析的石油鉆機安全控制硬件電路設計和軟件程序開發(fā)技術，提出以下幾點建議：

3.1充分進行出廠試驗以確保各項安全功能得到有效驗證

為了確保各項安全設計機制在鉆機生產(chǎn)制造過程中能得到有效落實，必須在廠內(nèi)進行安全功能專項測試，必要時在安全保障措施充足的情況下進行人為故障模擬，以達到有效驗證的目的。試驗內(nèi)容至少應包含以下方面：各級急停功能測試、系統(tǒng)掉電自保護功能測試、系統(tǒng)通訊中斷自保護功能測試、集成司鉆操作及顯示功能測試、系統(tǒng)安全防碰功能測試試驗、系統(tǒng)自動流程互鎖測試、主副雙司鉆互換功能測試等方面。

3.2大力發(fā)展遠程在線監(jiān)測及專家故障診斷技術以提升鉆機可維護性

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”理念在各行各業(yè)的廣泛應用，鉆機可以通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集終端將各設備參數(shù)通過網(wǎng)絡傳輸方式反饋給鉆機制造廠和鉆探公司管理部門，借助專家診斷系統(tǒng)為即將到達生命周期設備或存在故障隱患設備進行判別分析，以給出維護保養(yǎng)建議或進行預維修準備工作等。大力發(fā)展鉆機遠程在線監(jiān)測及專家故障診斷系統(tǒng)，一方面便于設備生產(chǎn)商提前進行備件生產(chǎn)，做到及時響應；另一方面可提高鉆機故障征兆分析能力，用戶可根據(jù)現(xiàn)場實際情況提前做好更換或維修保養(yǎng)預案[10-11]。

3.3做好網(wǎng)絡化控制安全管理以保障鉆機遠程控制安全

隨著通訊技術快速發(fā)展，鉆機最終也將向遠程無人化控制發(fā)展，即，借助于互聯(lián)網(wǎng)技術在鉆探公司機關等后臺基地實現(xiàn)了對鉆井作業(yè)現(xiàn)場各設備的遠程化、無人化操作。技術的發(fā)展同時也給鉆機工業(yè)控制系統(tǒng)提出了更為嚴格的安全考驗，必須做好網(wǎng)絡安全管理機制。例如：2015-12-23，烏克蘭發(fā)生的電力部門工業(yè)控制系統(tǒng)遭受惡意代碼攻擊造成大面積斷電的事故。今后鉆機設計過程中，根據(jù)遠程操控工況需要，宜通過工業(yè)控制網(wǎng)絡邊界防護設備對工業(yè)控制網(wǎng)絡與企業(yè)網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)之間的邊界進行安全防護，禁止沒有防護的工業(yè)控制網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)連接。為此，國家工業(yè)和信息化部在2016-10-17專門下發(fā)了《工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全防護指南》作為指導文件，該文件中相關要求應落實到鉆機安全控制機制設計中。

4 結(jié)語

本文從硬件電路設計和軟件程序開發(fā)2個方面分析了鉆機安全控制的關鍵技術，并闡述了后續(xù)技術發(fā)展思路。提出了以硬件電路為基礎，采取“軟、硬”相結(jié)合的方式確保鉆機安全的控制機制。石油鉆機是一項系統(tǒng)工程，隨著鉆井作業(yè)工藝的不斷復雜化和信息技術的智能化、網(wǎng)絡化、遠程化發(fā)展，鉆機在作業(yè)過程中仍有可能會暴露安全缺陷。只有通過不斷規(guī)范化已有成熟設計和充分驗證措施，并結(jié)合對新控制技術的不斷探索完善，才能從本質(zhì)上保障鉆機的安全操控。

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ResearchonSecurityControlMechanismofElectricDriveDrillingRig

WEI Peijing1，YU Xingjun1,2，CHANG Yongpeng1，ZHOU Hailei1，LIU Wangtong1，WANG Yongpeng1，LI Boyang1，YUAN Fang1

(1.BaojiOilfieldMachineryCo.，Ltd.，Baoji721002，China；2.NationalOil&GasDrillingEquipmentResearchCenter，Baoji721002，China)

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B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.05.013

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2017-03-15

國家“十三五”科技重大專項“深井超深井自動化鉆井技術及裝備研究”課題項目(2016ZX05020-001)；國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”之子課題“張力腿平臺模塊鉆機關鍵設備應用研究”(2016ZX05057010)

魏培靜(1980-)，女，陜西寶雞人，工程師，現(xiàn)從事石油機械設計及技術開發(fā)工作，E-mail：weipj123456@163.com。