網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)研究

羅 磊 田德寶 周海磊 范 磊 冉 洋 秦弈涵

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

近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)日趨普及［1］。 由于絞車、盤剎、泥漿泵、鐵鉆工及貓道等各個單元設(shè)備分散較遠(yuǎn)，設(shè)備之間信息傳輸受限，而網(wǎng)絡(luò)控制的應(yīng)用可以使較為分散的設(shè)備信息更加集中化，使復(fù)雜的鉆機(jī)設(shè)備控制通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更加完善，同時信息化時代對設(shè)備控制提出了更高的要求。

傳統(tǒng)的司鉆控制房需要設(shè)計大量開關(guān)和指示燈，司鉆通過操作手柄和大量的開關(guān)、按鈕只能實現(xiàn)單個設(shè)備的獨立控制。 為此，寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司研發(fā)了idriller?鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)運用網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，將多個單元設(shè)備和數(shù)據(jù)實現(xiàn)集中化控制和顯示［2］，使系統(tǒng)集成優(yōu)化信息傳輸達(dá)到工廠級別，進(jìn)而實現(xiàn)“移動工業(yè)”控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)與原則

1.1 系統(tǒng)設(shè)計的總體目標(biāo)

鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)以高效、安全、智能為設(shè)計準(zhǔn)則［3］。以司鉆房為整個控制系統(tǒng)的通信、監(jiān)控和控制中心。 以現(xiàn)場層傳感器和傳動單元為分布區(qū)域控制核心，實現(xiàn)設(shè)備電氣參數(shù)和工作狀況的監(jiān)視；對絞車、泥漿泵等按照鉆井、起下鉆等工藝情況進(jìn)行參數(shù)監(jiān)測和設(shè)置，實現(xiàn)設(shè)備層主要單元的自動控制；根據(jù)設(shè)備內(nèi)部的參數(shù)變化狀態(tài)及時提示司鉆在故障或事故情況下的應(yīng)急操作方案；將管理權(quán)放在司鉆控制室中，在司鉆房通過網(wǎng)絡(luò)通信方式對設(shè)備進(jìn)行控制和監(jiān)視，實現(xiàn)各個設(shè)備的無人值守，進(jìn)而實現(xiàn)鉆井設(shè)備的智能化控制。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計的基本原則

泥漿泵、絞車及頂驅(qū)等鉆機(jī)控制設(shè)備數(shù)量較為龐雜且控制分散，鉆機(jī)設(shè)備處于易腐蝕、經(jīng)常拆裝等特殊應(yīng)用環(huán)境， 因此鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)［4］方案應(yīng)滿足以下設(shè)計原則。

1.2.1 系統(tǒng)冗余、可靠原則

鉆機(jī)在作業(yè)過程中需要不間斷運轉(zhuǎn)，應(yīng)選擇可靠的冗余控制模式。 將設(shè)備分散與集成控制相結(jié)合，鉆機(jī)設(shè)備的傳感器信息通過PLC 采集以網(wǎng)絡(luò)通信方式發(fā)送至司鉆房。 在信息集中管理、程序自動計算和控制下，通過界面提示方式，提醒用戶科學(xué)操作。 司鉆房的操作臺命令也通過光纖環(huán)網(wǎng)傳送到現(xiàn)場PLC 終端。司鉆操作室座椅采用冗余控制方式，遠(yuǎn)程對各單元進(jìn)行控制。

1.2.2 系統(tǒng)控制分層管理原則

為了保證系統(tǒng)安全有效的運行，系統(tǒng)控制按3 個層級進(jìn)行劃分，且控制權(quán)限相互鎖定。

司鉆房集成控制層。 司鉆控制采用系統(tǒng)宏觀控制，通過各個設(shè)備站點反饋信息綜合協(xié)調(diào)單元設(shè)備運行，具有緊急關(guān)斷模式。

就地自動控制層。 單元設(shè)備具有單獨的PLC控制器，在脫離司鉆房控制時，能夠通過設(shè)備自身控制器完整地執(zhí)行整改流程， 例如鐵鉆工、機(jī)械手等設(shè)備。

就地手動控制層。 具有最高優(yōu)先的控制權(quán)限，通過本地控制箱的權(quán)限開關(guān)即可獲取控制權(quán)限， 該控制方式主要用于應(yīng)急處理控制系統(tǒng)故障，保證設(shè)備能夠緊急運行，滿足生產(chǎn)需要。

1.2.3 系統(tǒng)擴(kuò)展兼容性原則

司鉆集成系統(tǒng)整合所有第三方設(shè)備，保持不同廠家、不同協(xié)議的原有控制技術(shù)特點，同時將各個鉆機(jī)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化、 規(guī)范化處理，提供端到端的整包式一體化集成系統(tǒng)。 預(yù)留部分設(shè)備通用接口，在后期擴(kuò)展時可以通過通信方式實現(xiàn)可靠的無縫控制對接。

1.2.4 方便管理、易于維護(hù)原則

整個系統(tǒng)以司鉆房控制為中心，以鉆井工程師房調(diào)度為主線，分層次、分模塊統(tǒng)一設(shè)計。 將部分外圍設(shè)備（如固控系統(tǒng)等）的管理和控制權(quán)分散到現(xiàn)場層，便于系統(tǒng)分級管理和維護(hù)。

為方便維護(hù)，多個重要設(shè)備（例如絞車、泥漿泵等）在司鉆房實現(xiàn)自動監(jiān)測和報警功能，對于危險區(qū)域設(shè)備日常維護(hù)與管理采取遠(yuǎn)程監(jiān)測、智能提醒與定期維護(hù)原則。

2 鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)設(shè)計

隨著網(wǎng)絡(luò)控制方式高度發(fā)展和傳感器控制技術(shù)越來越完善，新一代自動化鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)也由此產(chǎn)生新的變革。 下面以idriller?鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)為例進(jìn)行說明。

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)將所有設(shè)備互連，實現(xiàn)信息交互和數(shù)據(jù)實時共享。 采用分層控制的設(shè)計原則將集成控制系統(tǒng)分為3 層，實現(xiàn)設(shè)備的集中監(jiān)控、操作和管理，如圖1 所示。

圖1 鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖

集中管理層。 司鉆控制室屬于集中管理層，由兩套座椅組成，司鉆操作人員可以通過人機(jī)界面和物理手柄遠(yuǎn)程操作設(shè)備，且設(shè)備的運行狀態(tài)實時顯示； 通過數(shù)據(jù)庫記錄設(shè)備運行維護(hù)信息；通過OPC 技術(shù)實現(xiàn)報表的打印和故障歸檔；通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在線修改參數(shù)和進(jìn)行設(shè)備信息的交換；還可以通過無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與油田生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)連接，生產(chǎn)系統(tǒng)實時監(jiān)測鉆機(jī)運行狀態(tài)。

分散監(jiān)控層。 絞車、泥漿泵、鐵鉆工及貓道等設(shè)備各子系統(tǒng)功能相對獨立，將它們分別作為一個子系統(tǒng)進(jìn)行控制。 分散控制層設(shè)備采集各自對象的輸入信號和被控制信號，通過采集傳感器信號計算當(dāng)前狀態(tài)， 當(dāng)接收到集成系統(tǒng)相關(guān)命令，輸入計算后進(jìn)行動作輸出，并通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將各個子系統(tǒng)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。 集中管理層和分散監(jiān)控層之間用高速通信網(wǎng)連接。

現(xiàn)場控制層。 現(xiàn)場控制層由設(shè)備就地控制箱組成，具有現(xiàn)場手動操作功能，對于電驅(qū)設(shè)備具有非能量信號轉(zhuǎn)換功能， 電氣部分聯(lián)鎖保護(hù)功能；對于液壓驅(qū)動設(shè)備（如鐵鉆工、貓道等）通過本地操作閥手柄進(jìn)行控制， 適用于應(yīng)急操作，不具備聯(lián)鎖保護(hù)功能。 現(xiàn)場控制層分布大量傳感器和執(zhí)行元件， 可以通過現(xiàn)場總線形式 （如Profibus、Modbus 等）將信息傳輸至系統(tǒng)中。

2.2 硬件配置和功能

2.2.1 司鉆控制系統(tǒng)

司鉆控制房位于鉆臺面右后側(cè)，通過兩套座椅進(jìn)行主、副司鉆控制。 司鉆控制系統(tǒng)由高性能工控機(jī)、大屏幕顯示器、物理按鍵和手柄組成，如圖2 所示。

圖2 司鉆控制系統(tǒng)現(xiàn)場

司鉆控制系統(tǒng)主要功能如下：

a. 設(shè)備遠(yuǎn)程控制和狀態(tài)監(jiān)測；

b. 以模擬燈、曲線等方式實時記錄和顯示設(shè)備運行狀態(tài)；

c. 工藝流程圖實時顯示當(dāng)前工藝控制狀態(tài)；

d. 設(shè)備報警記錄、設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)提醒和故障維護(hù)記錄；

e. 在線修改和設(shè)置控制參數(shù)，軟手操控制。

2.2.2 鉆井工程師站

鉆井工程師站位于井場工程房內(nèi)，其主要功能是鉆井參數(shù)顯示和設(shè)備狀態(tài)報警提示。 其功能如下：

a. 以模擬燈、曲線等方式實時記錄和顯示設(shè)備運行狀態(tài)；

b. 分析后臺鉆井參數(shù)信息，對于不同的地層結(jié)構(gòu)指導(dǎo)司鉆進(jìn)行鉆井；

c. 遠(yuǎn)程視頻系統(tǒng)監(jiān)控；

d. 打印各種報表。

2.2.3 通信網(wǎng)絡(luò)

采用環(huán)形以太網(wǎng)冗余技術(shù)， 將設(shè)備控制站點、鉆井工程師站及司鉆房操作控制站等多個站點連接，以通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。 其性能指標(biāo)如下：

傳輸速度 100Mbit/s

通信方式 冗余環(huán)形以太網(wǎng)通信

通信介質(zhì) 超六類屏蔽網(wǎng)線

傳輸距離 100m

最大節(jié)點數(shù) 32 個

2.2.4 設(shè)備控制器

單元設(shè)備控制系統(tǒng)(如泥漿泵、絞車、轉(zhuǎn)盤及頂驅(qū)等設(shè)備)是集成的子控制系統(tǒng)。 它由PLC、I/O模塊及其外圍附件組成。 根據(jù)設(shè)備控制需求可以靈活選擇PLC、電源和中間繼電器。 其主要控制特點如下：

a. 控制類型。 控制器CPU 主要用于程序存儲和運行， 包含西門子1500 系列、 西門子1200系列及施耐德Quantum 系列等主流控制器。

b. I/O 模塊接口。 采集開關(guān)量和模擬量的輸入模塊接口，處理開關(guān)量驅(qū)動和模擬驅(qū)動的輸出模塊接口，其輸入輸出模塊可以并行處理數(shù)據(jù)。

c. 功能處理。 具有數(shù)據(jù)計算、邏輯控制和故障自診斷功能。

d. 網(wǎng)絡(luò)通信。通過網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)同時可以支持TCP/IP、Ethernet、Can、Profinet 及Modbus 等主流網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。

2.2.5 應(yīng)急操作箱

在遠(yuǎn)程設(shè)備故障時，可以通過本地應(yīng)急操作箱進(jìn)行設(shè)備應(yīng)急操作，主要由操作按鈕、指示燈、接觸器和弱電控制強電轉(zhuǎn)換裝置構(gòu)成。 其功能包括：設(shè)備傳感器電氣轉(zhuǎn)換接口，電氣就近信號匯聚控制箱，遠(yuǎn)程故障時本地應(yīng)急操作。

2.3 軟件配置和功能

該系統(tǒng)集成控制器采用西門子1500PLC，子站PLC 為不同廠家控制器， 例如QuantumPremium PLC，西門子1200 和300PLC。網(wǎng)絡(luò)類型兼容主流控制協(xié)議。 上位機(jī)采用WinCC、SQL2000 和管理系統(tǒng)客戶端，通過上位機(jī)界面顯示鉆井設(shè)備參數(shù)， 通過此界面設(shè)置參數(shù)和進(jìn)行相關(guān)操作，并實時顯示當(dāng)前報警和后臺歷史數(shù)據(jù)。 通過上位機(jī)管理以太網(wǎng)實現(xiàn)鉆井設(shè)備的集中控制。

2.4 集成信息化網(wǎng)絡(luò)

該系統(tǒng)采用雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，信息服務(wù)層和監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)為工業(yè)級以太網(wǎng)Profinet，設(shè)備現(xiàn)場層采用現(xiàn)場總線形式Profibus 控制網(wǎng)絡(luò)。 配置了工業(yè)交換機(jī)、 光纖交換機(jī)及網(wǎng)絡(luò)通信模塊等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，用于實現(xiàn)各個設(shè)備之間的信息交互。 系統(tǒng)采用Profinet 環(huán)形控制網(wǎng)絡(luò)， 司鉆控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r有效地訪問網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備，提高了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。 同時通過5G 網(wǎng)絡(luò)可以將鉆機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，在生產(chǎn)管理系統(tǒng)中實時查閱鉆機(jī)的使用狀態(tài)。 鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)如圖3 所示。

圖3 鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

3 結(jié)束語

隨著電子、計算機(jī)、信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以及近年來新興的5G 技術(shù)、大數(shù)據(jù)及云計算等落地應(yīng)用，石油鉆井裝備正向設(shè)備高度自動化、司鉆集成控制系統(tǒng)高度智能化等方向發(fā)展。 idriller?鉆機(jī)集成控制系統(tǒng)將計算機(jī)、PLC、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和電氣控制相結(jié)合，是具有實時監(jiān)控、操作簡單、遠(yuǎn)程管理、 智能控制和維護(hù)便利功能的鉆機(jī)控制系統(tǒng)。從率先實現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程集中控制，再到設(shè)備的遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)，以及隨著5G、大數(shù)據(jù)技術(shù)的深入應(yīng)用，鉆機(jī)的遠(yuǎn)程操作、智能控制及故障診斷等功能逐漸完善，未來的石油鉆機(jī)將實現(xiàn)無人化控制。