基于idrillerR雙司鉆操作的盤剎控制系統(tǒng)研制及應用

楊斌， 李汶東， 朱長軍， 楊雙業(yè)， 周海磊， 李博洋， 康寧， 劉小利

（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；3.中國石油集團西部鉆探工程有限公司 巴州分公司，新疆 庫爾勒841000）

關鍵字：idirllerR；盤剎；集成控制

0 引 言

自動化產業(yè)的發(fā)展極大地推動了自動化產品在石油鉆機行業(yè)的應用。在國內外的石油鉆井行業(yè)中，新型自動化鉆機的比例逐年上漲，自動化鉆機對于其設備的控制要求也在不斷提升。

常規(guī)鉆機絞車的盤剎操作部分是采用電位計剎把和開關進行操作，這種電子元件接線繁瑣、控制精度低、故障率高，并且無法與自動化鉆機融合。盤剎液壓站啟動、停止、再啟動等功能均需在盤剎液壓站控制柜面板進行人工操作與檢查。這種方式耗費時間、實時性差，并且存在安全隱患。

上述盤剎的操作控制方式制約了司鉆操作系統(tǒng)的技術提升，因此針對現(xiàn)場工況及自動化鉆機的技術發(fā)展需求，需打破常規(guī)理念，開發(fā)一套新的盤剎操作系統(tǒng)，滿足盤剎的所有控制要求，并且提升鉆機的自動化水平。

1 總體架構

雙司鉆操作系統(tǒng)中的操作劃分為司鉆工位和管柱操作手工位，盤剎在司鉆工位進行操作，控制原理如圖1所示。雙司鉆座椅分別為A座椅和B座椅，通過座椅模式選擇當前座椅為司鉆工位，此時盤剎操作指令通過司鉆工位的剎車手柄和多功能鍵盤下發(fā)到后臺數(shù)據(jù)處理模塊，后臺集成控制模塊采集盤剎液壓系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)，將采集的控制命令與傳感器數(shù)據(jù)進行整合、運算、分析之后，將處理結束的指令分發(fā)給電傳動系統(tǒng)PLC、盤剎液壓系統(tǒng)和盤剎控制板。盤剎控制板和盤剎液壓系統(tǒng)共同作用，控制盤剎液壓系統(tǒng)的電磁閥組，對安全鉗和工作鉗進行控制，以控制剎車，保證生產安全。

圖1 盤剎控制原理圖

2 盤剎控制系統(tǒng)單元構成

基于idrillerR雙 司鉆操作的盤剎控制系統(tǒng)安裝在司鉆房內部，主要包括以下幾個系統(tǒng)單元：1）idrillerR雙司鉆控制系統(tǒng)；2）盤剎控制板；3）盤剎液壓系統(tǒng)。

2.1 idrillerR雙司鉆操作系統(tǒng)

idrillerR雙司鉆操作系統(tǒng)主要包括3個模塊：1）參數(shù)設置與顯示模塊。如圖2所示，該模塊用來設置所有被控設備的設定參數(shù)，顯示該設備的狀態(tài)參數(shù)、報警參數(shù)、儀表參數(shù)等；2）司鉆座椅控制模塊。該模塊包含輸入部分和控制部分，圖3所示為該模塊的輸入部分，主要包括多功能手柄、駐車制動開關、急停等元件，用來采集操作命令?？刂撇糠肿鳛樗俱@命令的采集單元，將手柄操作命令等信號通過總線通信的方式進行采集，完畢之后將處理過的信號分發(fā)給后臺處理模塊；3）后臺集成控制模塊。采集盤剎液壓站的壓力信號，包括左鉗壓力、右鉗壓力、安全鉗壓力、系統(tǒng)壓力等。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進行分析，將運算結果發(fā)送到盤剎液壓站、盤剎控制板和電傳動系統(tǒng)。

圖2 參數(shù)設置與顯示模塊

圖3 司鉆座椅控制模塊輸入部分

2.2 盤剎控制板

盤剎控制板如圖4所示，控制板包含轉換電源、繼電器、放大器等元件。轉化電源將井電提供的220 V、50 Hz的交流電源轉化為盤剎控制板可用的24 V直流控制電源。繼電器有兩個功能：一是將系統(tǒng)輸出模塊發(fā)過來的盤剎開關量信號與盤剎電磁閥電磁鐵隔離開，保護系統(tǒng)輸出模塊；二是將急停、駐車等信號進行邏輯處理，傳遞給執(zhí)行的電磁閥，執(zhí)行對應的剎車動作，滿足安全需求。盤剎放大器的主要功能是將模擬量輸出模塊提供的連續(xù)變化的剎車電壓信號轉化為剎車鉗電磁閥的驅動信號，控制工作鉗比例電磁閥，進而控制工作鉗剎車。

圖4 盤剎控制板

2.3 盤剎液壓系統(tǒng)

盤剎液壓系統(tǒng)安裝在絞車本體，如圖5所示，主要包括液壓泵組、油箱泵組件、控制箱總成等。

圖5 盤剎液壓站

系統(tǒng)主要功能如下：1）為盤剎的工作鉗油缸和剎車鉗油缸等執(zhí)行機構提供液壓動力源。2）反饋壓力信號。該液壓站配備了壓力檢測單元，將液壓站、工作鉗、剎車鉗的壓力信號通過控制電纜實時反饋給集成控制系統(tǒng)，集成司鉆控制系統(tǒng)會根據(jù)反饋壓力信號、報警信號等進行運算、處理和顯示，保證司鉆安全操作。3）接收集成控制房的遠程啟停命令等功能?？梢酝ㄟ^控制箱總成面板上的本地遠程切換按鈕進行選擇，將按鈕打到遠程操作檔，可以通過司鉆房操作座椅對液壓站進行啟停、再啟動等操作功能，保證了操作安全，也提高了操作效率。在進行盤剎液壓站檢修時，需將該按鈕打到本地擋，避免遠程操作帶來的不安全性，保證維修人員安全。

3 盤剎基本功能的實現(xiàn)方法

根據(jù)盤剎的控制輸入原理操作實現(xiàn)盤剎的所有功能。

3.1 工作制動

工作制動控制原理如圖6所示。司鉆在正常鉆進或者起下鉆過程中，拉動剎車手柄，通過總線通信的方式將剎車信號傳遞給后臺數(shù)據(jù)處理模塊，該模塊實時監(jiān)測盤剎液壓站發(fā)過來的傳感器信號，并且進行計算分析，當檢測到盤剎液壓站和盤剎反饋所有傳感器信號正常時，將總線信號通過模擬量模塊輸出電壓信號0～10 V，并且輸送給盤剎控制板的放大器，通過放大器調節(jié)工作鉗液壓缸控制電磁閥，調節(jié)泵如工作鉗的油壓，改變制動盤的正壓力，從而為主機提供大小可調的剎車力矩，滿足送鉆、起下鉆等不同工況的要求。

圖6 工作制動原理圖

3.2 緊急制動

緊急制動控制原理圖如圖7所示。雙司鉆座椅的每個右側扶手箱上面均有一個盤剎急停按鈕，兩個座椅的按鈕在后臺處理部分進行邏輯處理，保證了兩個座椅互換時候的司鉆操作需求。在司鉆操作座椅工位，按下急停按鈕，其中一路信號輸送至電傳動控制系統(tǒng)，作為電傳動系統(tǒng)的輸入信號，對絞車氣控部分進行邏輯控制，同時控制絞車電動機的變頻驅動單元對絞車進行減速停車。另外一路信號接入盤剎控制板，驅動盤剎液壓系統(tǒng)對應的電磁閥，控制工作鉗和剎車鉗同時閉合，保證剎車安全。

圖7 緊急制動操控原理圖

3.3 駐車剎車

駐車剎車控制原理與緊急制動類似。雙司鉆座椅的每個左側扶手箱均設置有一個駐車開關，兩個座椅的駐車開關在后臺處理部分進行了邏輯處理，保證了兩個座椅互換時候的司鉆操作需求。兩個開關全部處于接通狀態(tài)時，盤剎剎車鉗為釋放狀態(tài)，司鉆操作工位操作開關到駐車位置，駐車回路斷開，其中一路駐車信號輸入鉆機電傳動系統(tǒng)，對絞車的氣控部分進行邏輯控制，并且通過絞車電動機變頻器控制，對絞車速度進行清零保護。另外一路信號接入盤剎控制板，用來控制安全鉗迅速關閉，保證工作需求。

在駐車結束需要操作絞車時，將駐車開關打到釋放位置，剎車鉗松開，絞車可以進行上提、下放動作。

3.4 盤剎液壓站遠程功能

idrillerR雙司操作控制系統(tǒng)將盤剎液壓站所有功能命令與參數(shù)反饋信息進行集成處理，司鉆通過司鉆座椅上的多功能鍵盤將盤剎液壓站啟停命令發(fā)送給盤剎液壓站，執(zhí)行相應動作。同時，液壓站的運行狀態(tài)、高溫報警信號、低液位報警信號、系統(tǒng)壓力、安全鉗壓力、剎車鉗壓力等信號全部發(fā)送給后臺集成控制模塊。經過運算處理之后顯示在座椅前端的參數(shù)設置顯示模塊上。如圖8所示，顯示盤剎安全鉗和工作鉗的開合狀態(tài)、壓力參數(shù)等。

4 產品應用情況

圖8 盤剎控制的操作與顯示

基于idrillerR雙司鉆操作的盤剎控制系統(tǒng)采用模塊化和系統(tǒng)化的設計，經過現(xiàn)場論證，安全可靠，能滿足油田現(xiàn)場鉆機的使用要求。截止目前，依托于寶雞石油機械有限責任公司的工程項目合同，已經實現(xiàn)20余套鉆機的商業(yè)化配套使用，并且全部在油田進行作業(yè)，包括川慶鉆探、大慶油田、西部鉆探等知名國內外鉆探企業(yè)。在應用過程中，該系統(tǒng)故障率低、運行穩(wěn)定、反饋靈敏、自動化程度高，極大地提高了現(xiàn)場的操作效率。

5 結 語

基于idrillerR雙司鉆的盤剎控制系統(tǒng)，采用硬線和總線通信連接兩種方式，將控制信號從雙司鉆座椅傳送至各個控制單元，操作對應設備，相互配合，保證絞車剎車安全。采用傳感器實時將盤剎的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集反饋到后臺控制模塊，進行顯示、報警與記錄。該系統(tǒng)不僅提高了司鉆人員的工作效率，也提高了鉆機的安全性能，為后續(xù)鉆機的智能化設計奠定了基礎。