一種基于PROFINET的鉆井平臺(tái)排管機(jī)中央控制系統(tǒng)*

王鴻儒

(太原重工 技術(shù)中心，山西 太原 030024)

1 設(shè)備功能和組成

海洋鉆井平臺(tái)是一種大型海上石油鉆井設(shè)備，在鉆井工藝過(guò)程中以排管過(guò)程最為復(fù)雜，需協(xié)調(diào)控制多臺(tái)設(shè)備完成鉆桿的排放工作[1]。排管機(jī)是鉆桿排放系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其主要用在貓道機(jī)、動(dòng)力鼠洞、指梁盒以及井口之間往返抓取與排放鉆桿。傳統(tǒng)的鉆桿操作方法需要操作人員手動(dòng)操作多臺(tái)設(shè)備并配合鉆臺(tái)人工輔助，有較大的安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)且生產(chǎn)節(jié)奏較慢，常常無(wú)法滿足海上惡劣環(huán)境的生產(chǎn)要求。因此，加快生產(chǎn)節(jié)奏、提高生產(chǎn)過(guò)程安全性是排管過(guò)程中所需要達(dá)到的目標(biāo)。通過(guò)PROFINET網(wǎng)絡(luò)將鉆井平臺(tái)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，全面提高鉆井平臺(tái)設(shè)備的自動(dòng)化程度，可以有效地減少人與鉆桿的直接接觸，提高鉆井平臺(tái)的整體安全性，為實(shí)際生產(chǎn)帶來(lái)顯著效益。

2 工藝流程

排管過(guò)程主要由以下4個(gè)工藝流程組成，分別是接立根、拆立根、起鉆和下鉆。接立根是指將單根鉆桿接成立根(3根鉆桿連接后的名稱)并送入指梁盒的工藝流程。拆立根是指將立根從指梁盒取出并拆成3根鉆桿的工藝流程。起鉆是從井口取出立根并送至指梁盒的工藝流程。下鉆是從指梁盒取出立根并送至井口的工藝流程。以雙鼠洞排管機(jī)接立根過(guò)程為例，該流程包含貓道機(jī)送鉆桿、排管機(jī)接鉆桿、排管機(jī)送鉆桿至鼠洞和鐵鉆工上扣等具體步驟，如圖1所示。

圖1 接立根工藝流程

拆立根工藝過(guò)程可以理解為接立根流程的逆過(guò)程，如圖2所示。

圖2 拆立根工藝流程圖

起鉆、下鉆工藝流程分別如圖3、圖4所示。

圖3 起鉆工藝流程 圖4 下鉆工藝流程

工藝流程中，每一步都需要相應(yīng)設(shè)備執(zhí)行多個(gè)動(dòng)作。以排管機(jī)接鉆桿為例，此步驟包含排管機(jī)行走至井口、旋轉(zhuǎn)至接鉆桿位、上臂伸出至接鉆桿位、下臂收回至避讓位、上臂絞車下降至接鉆桿位、吊卡旋轉(zhuǎn)至接鉆桿位并翻轉(zhuǎn)、吊卡伸出并將兩個(gè)卡鉗松開(kāi)。其他步驟亦是如此。故若同時(shí)手動(dòng)操作排管機(jī)、鐵鉆工、貓道機(jī)等多個(gè)設(shè)備，操作人員工作量極大、效率很低且易于出錯(cuò)。

3 PROFINET網(wǎng)絡(luò)

PROFINET 網(wǎng)絡(luò)是創(chuàng)新的開(kāi)放式工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，適用于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)，融合了PROFIBUS總線技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，具有開(kāi)放性、靈活性、高效率和高性能四大優(yōu)勢(shì)，對(duì)于提高生產(chǎn)效率有著極大意義[2]。PROFINET網(wǎng)絡(luò)支持大型項(xiàng)目的工程應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，真正實(shí)現(xiàn)了從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到管理層的全面數(shù)據(jù)交互。PROFINET 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為工業(yè)自動(dòng)化項(xiàng)目提供了更加靈活高效的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，在PROFINET網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一架構(gòu)下用戶可以在所有平臺(tái)上進(jìn)行快速安全的數(shù)據(jù)交換，使得所有分散的機(jī)械設(shè)備、資源信息、管理方案等網(wǎng)絡(luò)連接方式實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一。

本系統(tǒng)中，通過(guò)PROFINET網(wǎng)絡(luò)星形連接中央控制PLC、貓道機(jī)PLC、排管機(jī)PLC、液壓站PLC、鐵鉆工PLC、防碰撞PLC和頂驅(qū)鉆井系統(tǒng)PLC等各控制單元，與此同時(shí)處于下一層級(jí)的各設(shè)備操作元件、執(zhí)行元件和檢測(cè)元件采用PROFINET網(wǎng)絡(luò)串行連接。排管系統(tǒng)PROFINET網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。

圖5 排管系統(tǒng)PROFINET網(wǎng)絡(luò)

4 中央控制系統(tǒng)

排管機(jī)中央控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)排管機(jī)及相關(guān)設(shè)備的操作和控制功能，以改變傳統(tǒng)手動(dòng)操作繁瑣過(guò)程，使操作人員從繁雜的操作過(guò)程中解放出來(lái)，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。根據(jù)排管工藝流程，在中央控制系統(tǒng)中進(jìn)行工藝過(guò)程實(shí)現(xiàn)，充分考慮多設(shè)備協(xié)調(diào)動(dòng)作時(shí)可能涉及的各類安全問(wèn)題，保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

中央控制系統(tǒng)主要分為兩類權(quán)限：第一類是操作人員(司鉆)，具有操作設(shè)備的權(quán)限；第二類是維護(hù)人員，主要對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修和維護(hù)。操作人員可以根據(jù)設(shè)備的實(shí)際狀況，選擇全自動(dòng)運(yùn)行或者半自動(dòng)運(yùn)行模式。在設(shè)備狀態(tài)正常時(shí)，通常以全自動(dòng)模式運(yùn)行排管過(guò)程。操作人員只需預(yù)先選擇要執(zhí)行的工藝過(guò)程(即接立根、拆立根、起鉆和下鉆)，之后啟動(dòng)相應(yīng)自動(dòng)過(guò)程即可。在設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中，操作人員可以暫停自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程，對(duì)設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)微調(diào)，以解決生產(chǎn)過(guò)程中偶然遇到的問(wèn)題，之后返回自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程繼續(xù)執(zhí)行自動(dòng)流程。半自動(dòng)運(yùn)行主要在部分特殊情況下進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)使用，此模式主要將生產(chǎn)工藝過(guò)程拆解為幾個(gè)關(guān)鍵步驟，通過(guò)依次點(diǎn)擊關(guān)鍵步驟按鈕，即可實(shí)現(xiàn)排管機(jī)及其他設(shè)備的聯(lián)動(dòng)，完成整個(gè)工藝過(guò)程。以接立根流程為例，中央控制系統(tǒng)功能如圖6所示。

用戶權(quán)限管理司鉆登錄維護(hù)人員登錄預(yù)設(shè)值信息確認(rèn)檢測(cè)元件標(biāo)定半自動(dòng)運(yùn)行模式全自動(dòng)運(yùn)行模式檢修模式一鍵接鉆桿一鍵送管至鼠洞1一鍵送管至鼠洞2一鍵接雙鉆桿一鍵接三鉆桿一鍵放指梁一鍵執(zhí)行接管全流程手動(dòng)操作各執(zhí)行元件進(jìn)行測(cè)試綜合故障報(bào)警與運(yùn)行狀態(tài)記錄

圖6中央控制系統(tǒng)功能

與此同時(shí)，中央控制系統(tǒng)還擁有強(qiáng)大的故障報(bào)警和記錄功能。系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將各設(shè)備故障報(bào)警進(jìn)行匯總記錄，使得維護(hù)人員無(wú)需從各設(shè)備處查詢故障記錄，減輕了維護(hù)工作量。與此同時(shí)，系統(tǒng)還可以對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)記錄，對(duì)于故障發(fā)生時(shí)各設(shè)備所處狀態(tài)進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，為故障的分析和處理提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語(yǔ)

海洋石油鉆井平臺(tái)工作環(huán)境惡劣，生產(chǎn)過(guò)程危險(xiǎn)性較高。鉆井排管機(jī)系統(tǒng)的控制方式對(duì)提高海洋石油鉆井作業(yè)安全性及降低作業(yè)成本具有重要作用。本文設(shè)計(jì)的排管機(jī)控制系統(tǒng)可以同時(shí)控制鉆臺(tái)上所有排管設(shè)備，兼具全自動(dòng)及半自動(dòng)靈活操作模式，具有運(yùn)行穩(wěn)定、操作便捷等優(yōu)勢(shì)。在不遠(yuǎn)的未來(lái)，結(jié)合視覺(jué)識(shí)別、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，可以將中央控制系統(tǒng)進(jìn)一步升級(jí)至遠(yuǎn)程鉆井或無(wú)人鉆井等智能控制方式，開(kāi)拓智能鉆井的新方向。