基于PC 的鉆臺設(shè)備控制系統(tǒng)技術(shù)研究

楊 斌 ，楊雙業(yè)，趙曉飛，康 寧，邱立波，王 輝，周海磊，李博洋

（1.寶雞石油機械有限責(zé)任公司，陜西寶雞 721400；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西寶雞 721400）

0 引言

鉆臺設(shè)備包括泥漿盒、盤剎、多路閥組、動力卡瓦、液壓吊卡、綜合液壓站、液壓提升絞車、貓頭等。這些設(shè)備的控制方式主要分為兩種：設(shè)備本體進行設(shè)備操作，例如操作泥漿盒本體液壓電磁閥的手柄驅(qū)動設(shè)備動作、操作液壓站本體控制柜門的按鈕進行液壓啟停等動作；第二種是集成司鉆操作座椅發(fā)送控制命令到鉆臺工具PLC，PLC 將處理完畢的信號輸出通過多芯線與各個子設(shè)備接線箱相連，最終驅(qū)動對應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)動作[1-2]。

第一種控制方式需要在設(shè)備本體進行操作，效率低，安全性差，勞動強度大。第二種控制方式需要通過集成司鉆座椅進行控制，成本高，且不適合老鉆機改造、多芯線的連接方式故障點多，可靠性差、在鉆機升級添加新設(shè)備時，需要從PLC 站連接多芯線通過插接件穿過司鉆房，現(xiàn)場施工難度大，成本高，擴展性差。因此，基于上述兩種控制方法的缺陷，提出基于PC 的鉆臺設(shè)備控制系統(tǒng)解決上述問題。采用PC 作為主控制站和操作顯示單元，各個單元設(shè)備作為子控制站，主控制站通過EtherCAT 總線與各級子控制站通信。該方案程序運行效率高，EtherCAT 的數(shù)據(jù)通信能力達到微秒級別；控制元件故障點少；各級子控制站可靈活擴展，可以支持65 535 個擴展子站的數(shù)據(jù)處理。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能

鉆臺設(shè)備控制系統(tǒng)是對鉆臺設(shè)備，例如泥漿盒、多路閥、動力卡瓦、液壓吊卡、綜合液壓站、液壓提升絞車、多路閥組等設(shè)備實現(xiàn)司鉆房內(nèi)遠程控制和參數(shù)設(shè)置與顯示。

鉆臺設(shè)備具有以下特點：

（1）安裝地點比較分散。綜合液壓站安裝在左偏房，泥漿盒安裝在鉆臺面右后側(cè)，卡瓦安裝在井口鉆臺下方。

（2）每個設(shè)備有I/O 數(shù)據(jù)接口。泥漿盒需要DP 信號輸入，數(shù)字量輸入，模擬量輸入，數(shù)字量輸出，模擬量輸出。卡瓦需要數(shù)字量輸入和數(shù)字量數(shù)輸出。

（3）數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理。鉆臺設(shè)備動作的邏輯處理需要進行統(tǒng)一規(guī)劃管理，實現(xiàn)不同設(shè)備電磁閥或者繼電器同步動作，進而驅(qū)動設(shè)備動作。例如泥漿盒在伸出時，需要操作泥漿盒本體伸出電磁閥動作，并且同時需要操作多路閥組的泥漿盒總供油電磁閥動作。

（4）操作界面管理。鉆臺設(shè)備動作較為簡單，通過組合畫面實現(xiàn)設(shè)備的高效操作，例如泥漿盒和液壓站采用同一個界面進行操作與參數(shù)顯示。

基于上述被控對象特點，開發(fā)具有如下功能的鉆臺控制系統(tǒng)。

（1）主從模式的控制系統(tǒng)，將采用PC 控制器作為主站，各級設(shè)備作為子站實現(xiàn)主從控制的目的。

（2）采用總線型通信，主從設(shè)備之間的高效傳送，故障點少，實時性好。

（3）控制器的中央數(shù)據(jù)處理單元對采集的操作指令、以及子站反饋回的傳感器數(shù)據(jù)進行邏輯運算處理，計算完成將結(jié)果輸出給指令輸出單元，指令輸出單元輸出電信號驅(qū)動對應(yīng)的設(shè)備進行動作。

（4）上位機的操作顯示畫面將部分設(shè)備整合，保證設(shè)備正常操作和顯示的同時，達到高效操作的目的。

1.2 系統(tǒng)總體技術(shù)方案

鉆臺設(shè)備控制原理如圖1 所示，控制系統(tǒng)采用PC 作為主站，各設(shè)備本體安裝總線型端子模塊作為遠程子站，通過Ether原CAT 總線通信，采用星型網(wǎng)絡(luò)拓撲連接，實現(xiàn)點對點通信，安全、高效、可靠。

司鉆人員在司鉆房內(nèi)操作PC 面板觸摸屏上面的功能按鈕，PC 將面板采集的參數(shù)設(shè)置信息和操作命令與現(xiàn)場傳感器采集回來的數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)的邏輯運算，運算完畢的指令信息進通過EtherCAT 總線通信協(xié)發(fā)送給各級設(shè)備子站，設(shè)備子站通過總線端子模塊進行輸入輸出處理，完成整個工作流程。操作安全、可靠、高效。

2 鉆臺設(shè)備控制對象分析

2.1 泥漿盒

泥漿盒安裝在鉆臺面靠近井口的部分，主要包含防噴立柱本體，伸縮臂，殼體，旋轉(zhuǎn)馬達等，通常在起鉆作業(yè)中完成鉆具管柱中的泥漿收集任務(wù)。主要包含伸縮、旋轉(zhuǎn)、殼體開合、已經(jīng)伸縮臂位移反饋等功能（圖2）。

2.2 緩沖機械手

圖1 控制系統(tǒng)的控制原理

圖2 泥漿盒

緩沖機械手安裝在井架背部如圖3 所示，主要用來配合游吊系統(tǒng)扶持鉆具，避免鉆具在交接過程中晃動過大。主要功能包括鉗頭打開關(guān)閉、伸縮臂伸出和縮回、伸縮臂位置信號反饋等。

2.3 多路閥組

多路閥組安裝在鉆臺面，作用是將綜合液壓站的總供回油進行分流，分配給不同設(shè)備，該閥組集成了貓頭控制電磁閥。主要功能有鐵鉆工總供油、泥漿盒總供油、貓頭上升、貓頭壓力反饋等。

2.4 綜合液壓站

綜合液壓站作為鉆臺面設(shè)備的動力單元一般安裝在偏房或者井架底座區(qū)，主要是為了給需要液壓油的設(shè)備提供液壓動力，操作與反饋功能主要有泵的啟動、泵的停止、液壓站壓力顯示、報警參數(shù)反饋等。

2.5 動力卡瓦

動力卡瓦安裝在井口，主要功能是起下鉆時卡住和懸持鉆柱，具備打開、關(guān)閉和一些反饋功能。

2.6 液壓吊卡/吊環(huán)

液壓吊卡和吊環(huán)控制閥組安裝在井架上。吊卡懸掛于吊環(huán)上，主要用來吊起鉆桿、鉆鋌等鉆具，液壓吊卡具備以下功能：打開、關(guān)閉、翻轉(zhuǎn)、復(fù)位以及吊卡扣合反饋。吊環(huán)具備前傾、后傾、浮動功能。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

圖3 緩沖機械手

控制系統(tǒng)主要由以下單元構(gòu)成：供電單元、安全控制單元、PC 上位機控制運算模塊以及安裝在設(shè)備本體的遠程I/O 子站等構(gòu)成。

3.1 供電單元設(shè)計

供電單元設(shè)計如圖4 所示，在兩個直流DC 24 V 開關(guān)電源與AC 220 V 50 Hz 交流電輸入端加入UPS 供電電源，兩個24 V 直流穩(wěn)壓電源通過并聯(lián)的方式接入電源冗余模塊中，最后輸出可靠穩(wěn)定的DC 24 V 電壓為系統(tǒng)進行供電。該設(shè)計具備以下優(yōu)點：UPS 保證了井場在柴油機與網(wǎng)電切換或者井電故障短期斷電時，整個系統(tǒng)可以不斷電進行當(dāng)前所控設(shè)備的參數(shù)顯示，同時，保證司鉆人員有充足的時間進行PC 上位機系統(tǒng)的安全操作關(guān)機，避免突然斷電導(dǎo)致的PC 死機無法重啟等現(xiàn)象；雙直流電源加電源冗余模塊的供電模式保證了直流供電電源模塊在其中一個故障時，可以直接切換到另外一個電源供電，無需斷電操作，保證了系統(tǒng)的連續(xù)工作性能，也保證了井場設(shè)備的操作安全。

司鉆房內(nèi)部的電氣元件直接通過系統(tǒng)供電端子排進行供電。遠程I/O 子站的供電通過通信供電復(fù)合電纜，將系統(tǒng)供電端子排上的DC 24 V 電源輸送到各級子站。

3.2 安全控制單元設(shè)計

安全控制單元設(shè)計包括兩個部分，硬件急停和軟件急停。

硬件急停：包含操作臺面上布置的急停開關(guān)和急停安全繼電器。急停開關(guān)作為急停安全繼電器的輸入控制端，控制著所有子設(shè)備的供電回路。當(dāng)急停按鈕拍下時，急停繼電器斷開，各級子設(shè)備斷電，子設(shè)備輸出模塊停止輸出，設(shè)備停止動作。

軟件急停：上位機的觸摸屏界面添加急停按鈕，當(dāng)操作人員按下該急停按鈕時，PC 主站停止所有的命令輸出，并且清空內(nèi)部的所有寄存器，此時各級子站并未斷電，遠程I/O 總線端子停止輸出，保證設(shè)備和人員安全。

硬件急停和軟件急?；閭溆茫岣吡嗽O(shè)備的安全性能。

3.3 PC 上位機控制運算模塊設(shè)計

整個系統(tǒng)的核心控制運算模塊采用倍福公司的多點觸控面板PC 的CP3212 作為主控單元，該PC 防護等級達到IP65，預(yù)留MINIPCI 插槽，可擴展至16GB RAM 搭載雙以太網(wǎng)適配器，帶兩個100./1000BASE-接口，搭載SATA RAID 1 控制器，采用IntelR快速存儲技術(shù)，采用第四代IntelRCoreTMi7 4700EQ 處理器，2.4 GHz，四核（TC3:80），四核處理單元.

圖4 供電單元設(shè)計

PC 安裝TwinCAT 軟件，是一種基于Windows 操作系統(tǒng)的控制和自動化處理單元，該軟件集成了微軟標準的Visual Stu原dioR的開發(fā)界面，可以將任何一個基于PC 的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成一個帶多PLC、NC/CNC 和機器人實時操作系統(tǒng)的實時控制系統(tǒng)，配備倍福專門的處理單元，滿足所有設(shè)備的控制要求。該軟件支持多核、實時、多任務(wù)的特性，將多個任務(wù)分配到不同的CPU 中，極大提高了設(shè)備的處理能力。

PC 主站和各子站之間通過EtherCAT 總線進行連接。EtherCAT 總線通信協(xié)通過有效的32 位CRC 校驗碼進行錯誤定位，并且檢測定位EMC 干擾、有缺陷的連接器或者損壞的電纜等不斷變化的錯誤來源[8]。采用高速全雙工模式通信傳輸速率達到了2100 Mbit/s，系統(tǒng)刷新周期達到微秒級別，通信能力優(yōu)于同等子站下的總線系統(tǒng)。EtherCAT 總線支持總線型、樹形或者星型等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以將總線與分支系統(tǒng)相結(jié)合進行布線，所有的接口都位于耦合器上，無需使用附加交換機。

相比于傳統(tǒng)的PLC 控制系統(tǒng)，采用TwinCAT 軟件，通過EtherCAT 通信的PC 控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：

（1）PC 的運算系統(tǒng)處理能力強大。例如多核的數(shù)據(jù)處理能力可以支持不同CPU 運算不同的任務(wù)。

（2）TwinCAT 的軟件處理功能強大。例如編程語言支持IEC61131 以外的C/C++、Matlab 等語言、可以進行HMI 的上位機組態(tài)編程等

（3）EtherCAT 總線通信高效。傳統(tǒng)的總線I/O 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是Tmpd 主站處理延時與TI/O（本地擴展總線+固件的刷新時間），EtherCAT 總線I/O 結(jié)構(gòu)無需下掛的本地I/O 循環(huán)和總線擴展延時，通信效率大大提升。

3.4 鉆臺設(shè)備遠程子站

工具設(shè)備遠程I/O 子站可以根據(jù)具體的鉆機配置進行組態(tài)，下文將對其硬件設(shè)計與開發(fā)進行描述。

3.4.1 供電與通信設(shè)計

設(shè)備子站與控制系統(tǒng)之間通過供電通信復(fù)合電纜進行連接，復(fù)合電纜代替原來的供電+通信兩根電纜，故障點少，成本低。

供電單元將處理完畢的DC 24 V 通過復(fù)合電纜的供電線芯供給設(shè)備子站。通信采用復(fù)合電纜的通信線芯，通信線芯通過RJ45 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信接頭分別接入控制系統(tǒng)交換機和遠程I/O子站的耦合器上（圖5）。

3.4.2 模塊選型設(shè)計

設(shè)備子站的I/O 模塊根據(jù)設(shè)備的接口需求進行選型。子站IO 模塊包含耦合器、DI 輸入模塊、AI 輸入模塊、DO 輸出模塊、AO 輸出模塊、總線通訊模塊等。各設(shè)備的I/O 接口需求如表1所示。

圖5 設(shè)備子站供電通信原理圖

表1 鉆臺設(shè)備I/O 接口數(shù)量表

根據(jù)表1 選取各個I/O 模塊如表2 所示。其中耦合器采用EtherCAT 耦合器，型號為EK1100，耦合器是遠程I/O 與PC 主站進行通信的橋梁，并且具有自診斷功能，通過功能指示燈判斷當(dāng)前的子站通信狀態(tài)[3]；DI 輸入模塊選型為EL1008，該模塊為8通道的DC 24 V 數(shù)字量輸入；DO 輸出模塊選型為EL2008，該模塊為8 通道的DC 24 V 數(shù)字量輸出；AI 輸入模塊選型為EL3162，該模塊為2 通道的0～10 V 模擬量信號輸入；AO 輸出模塊選型為EL4034，該模塊為4 通道的-10 V～+10 V 模擬量信號輸出；Profibus-DP 總線耦合器采用EK3100，將DP 編碼器的信號接入系統(tǒng)。

表2 I/O 模塊選型列表

綜合表1 的鉆臺設(shè)備的接口數(shù)量和表2 的I/O 模塊選型列表，可以選取設(shè)備的對應(yīng)硬件模塊如表3，鉆臺設(shè)備模塊選型清單。設(shè)備根據(jù)表3 選取對應(yīng)的硬件組態(tài)模塊

表3 鉆臺設(shè)備模塊選型清單

3.4.3 預(yù)留接口設(shè)計

倍福的EtherCAT 總線端子模塊的耦合器模塊共包含2 個EtherCAT 的RJ45 接口，1 個RJ45 端口通過網(wǎng)線與交換機或者前1 個設(shè)備的耦合器的RJ45 接口相連接，另外1 個RJ45 可以通過網(wǎng)線直接擴展1 個EtherCAT 的子站端子盒。圖6 所示就是兩種不同擴展模塊的方式，與普通的PLC 子站擴展方式相比，倍福的總線端子模塊可以通過以太網(wǎng)線將擴展子站的耦合器與已有相鄰子站的耦合器相連接，即可實現(xiàn)擴展功能。這樣就避免了擴展子站時需要重新從司鉆房打孔，裝插接件、布線的問題，也無需考慮是否預(yù)留了I/O 接口。這樣的擴展方式成本低廉，效率高。

圖6 擴展子站對比圖

3.5 軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用倍福公司多點觸控PC 系列的CP3212 為控制和顯示單元，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部控制邏輯運算、數(shù)據(jù)處理、防碰互鎖、限位保護等功能，觸摸屏實現(xiàn)設(shè)備的操控、參數(shù)設(shè)置與顯示，每個單元設(shè)備本體均采用EtherCAT 總線型I/O 子站，實現(xiàn)傳感器信號的采集和被控信號的輸出。

系統(tǒng)采用TwinCAT3 編程軟件，該軟件基于Visual Studio框架中，這樣C/C++或者Matlab/Simulink 可以在同一個環(huán)境中使用，除了進行系統(tǒng)配置、運動控制、I/O 和IEC61131 PLC 編程語言之外，還可以進行編程和調(diào)試。采用模塊化編程思路實現(xiàn)各個設(shè)備之間的實時控制，各設(shè)備軟件獨立運行。融合了人機界面的編程處理單元，集成度高，使用方便高效。因此，TwinCAT3 靈活性好，功能強大，擴展能力強，整個系統(tǒng)設(shè)計采用模塊化。

系統(tǒng)采用模塊化編程思路，各子設(shè)備在主程序中獨立運行，程序運行時逐個掃描，當(dāng)某個設(shè)備故障時，不影響其它設(shè)備的使用。系統(tǒng)的控制流程如圖7所示。

（1）數(shù)據(jù)采集模塊用于采集外部的各種輸入數(shù)據(jù)，包括人機界面的輸入和遠程I/O 數(shù)據(jù)模塊的輸入。

（2）急停處理模塊用于處理硬件急停、軟件急停、急停復(fù)位等。

圖7 系統(tǒng)流程

（3）按照正常的數(shù)據(jù)流程開始處理運算接受到的所有數(shù)據(jù)，例如泥漿盒的伸縮臂位移信號，泥漿盒的人機界面參數(shù)設(shè)置信號，人機界面的操作信號等，并且將運算完畢的信號發(fā)送給I/O輸出子站。

（4）輸出子站的輸出處理模塊將根據(jù)接收到的命令輸出控制現(xiàn)場開關(guān)量和模擬量閥組，驅(qū)動設(shè)備進行動作，另外將運算完畢的一部分數(shù)據(jù)發(fā)送給HMI 人機界面進行參數(shù)顯示。圖8 是泥漿盒的HMI 界面。

圖8 泥漿盒HMI 界面

4 試驗情況

采用基于PC 控制的控制系統(tǒng)，通過EtherCAT 總線對鉆臺設(shè)備進行了試驗與分析，結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、準確性、操作性均滿足使用要求。同時在測試過程種進行了擴展子站的測試，使用性能良好，達到預(yù)期水平，滿足預(yù)期設(shè)計要求。