基于PLC的海洋鉆井參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)

劉 佳

（廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510900）

1 引言

目前中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司的“十四五”布局中已開始碳達(dá)峰和碳中和規(guī)劃，在維持石油產(chǎn)量增進(jìn)的同期，依托國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目將大幅度提升天然氣資源的供給能力、以加快推進(jìn)綠色低碳轉(zhuǎn)型，將清潔低碳能源的比例提高到百分之六十以上。近年來(lái)深層油氣資源勘探開發(fā)作為海洋油氣高質(zhì)量發(fā)展的主力軍，對(duì)鉆井勘探作業(yè)的安全性提出了更高要求，迫切需要通過(guò)技術(shù)攻關(guān)逐步提高配套設(shè)備的智能化水平，從而朝著集成化、智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展[1]。

海洋模塊鉆機(jī)配套的鉆井參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)代表廠家為國(guó)外馬丁代克（Martin-Decker）公司，國(guó)內(nèi)的有上海神開石油化工裝備股份有限公司、重慶圣特石油科技開發(fā)有限責(zé)任公司等廠家，生產(chǎn)運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)維護(hù)周期長(zhǎng)，參數(shù)擴(kuò)展難等問(wèn)題[2]。選用單片機(jī)為控制器設(shè)計(jì)的海洋鉆井參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)存在模塊化、可擴(kuò)展性及靈活性不足的短板，影響了海洋油氣勘探開發(fā)的正常生產(chǎn)作業(yè)[3]。因此研發(fā)適用海洋條件、擴(kuò)展性強(qiáng)、兼容鉆機(jī)模塊設(shè)備的鉆井參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)是非常必要的。

2 方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作溫度范圍：-30～70℃，相對(duì)濕度范圍：40%～100%，交流供電電源范圍：85～264 V，電源頻率范圍：47～63 Hz。遵循石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，暴露在戶外的鉆井監(jiān)控系統(tǒng)防爆等級(jí)要求大于或等于Exd Ⅱ BT4，防護(hù)等級(jí)按照IEC標(biāo)準(zhǔn)不低于IP56[4-5]。

鉆井參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)技術(shù)指標(biāo)如表1所示，設(shè)計(jì)以下功能：①系統(tǒng)硬件采用模塊化PLC，以便進(jìn)行參數(shù)擴(kuò)充；②可以及時(shí)準(zhǔn)確對(duì)大鉤懸重、游車高度、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、泵沖、立管壓力、泥漿罐體積等信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控；③人機(jī)交互監(jiān)控界面人性化設(shè)計(jì)，可根據(jù)用戶習(xí)慣自行采取儀表表盤/數(shù)字顯示、故障診斷、曲線顯示等人機(jī)交互；④遠(yuǎn)程無(wú)線收發(fā)。

表1 參數(shù)技術(shù)指標(biāo)

按照海洋模塊鉆機(jī)設(shè)備架構(gòu)，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，主要包括：鉆井參數(shù)傳感器模塊、鉆井參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和司鉆房HMI觸摸顯示模塊等。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

3 硬件選型

海洋平臺(tái)模塊鉆機(jī)鉆井監(jiān)控系統(tǒng)的硬件選型為S7-1200PLC控制器、現(xiàn)場(chǎng)傳感器模塊、SM1232模塊和SM1231模塊等。

3.1 傳感器模塊

傳感器模塊主要有壓力信號(hào)（如泥漿泵壓力）、接近開關(guān)信號(hào)（如轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速）、編碼器信號(hào)（如游車高度）、超聲波傳感器信號(hào)（如泥漿罐體積）等。

死繩錨的死繩拉力經(jīng)傳感器膜片上的液壓信號(hào)傳遞連接的大鉤懸重壓力變送器。1～2#高壓泥漿立管管匯壓力通過(guò)液壓傳感器中的膠杯作用在液壓油上，由耐水基和耐油基泥漿的壓力變送器經(jīng)壓電轉(zhuǎn)換為4～20 mA電流信號(hào)。當(dāng)鉆具上卸扣時(shí)吊鉗尾繩上產(chǎn)生與上卸扣扭矩成正比例的張力，由液壓傳感器中的活塞經(jīng)4～20 mA壓力變送器測(cè)量。當(dāng)轉(zhuǎn)盤對(duì)鉆具施加扭矩時(shí)，轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)鏈條緊邊對(duì)傳感器的惰輪形成與轉(zhuǎn)盤扭矩成正比例的作用力。1～3#泵沖或轉(zhuǎn)速傳感器采用非接觸式接近開關(guān)檢測(cè)，輸出脈沖信號(hào)。當(dāng)絞車的滾筒旋轉(zhuǎn)時(shí)，安裝在滾筒軸上的增量式光電編碼器轉(zhuǎn)換成兩組相位差為90°的電脈沖信號(hào)。泥漿罐體積傳感器發(fā)射脈沖聲波，將泥漿液面高度轉(zhuǎn)換為發(fā)送和接收的時(shí)間差。泥漿回流采用槳板式工作原理，相對(duì)流量（0～100%）與槳板動(dòng)作的間隔成正比。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊電路原理方框圖如圖2所示。以西門子PLC1200為核心控制器，主要由主CPU模塊、隔離式安全柵、SM12318x模擬量輸入模塊、SM12324x模擬量輸出模塊、無(wú)線路由等組成。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊電路原理框圖

鉆臺(tái)面的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、下層甲板的1～3#泥漿泵泵沖NAMUR接近開關(guān)等本質(zhì)安全信號(hào)，通過(guò)脈沖型隔離式安全柵隔離輸出后將信號(hào)傳輸?shù)街鰿PU模塊，經(jīng)信號(hào)處理后轉(zhuǎn)換為實(shí)際泵沖速。鉆臺(tái)面的絞車滾筒編碼器信號(hào)經(jīng)頻率型隔離式安全柵使危險(xiǎn)區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)回路與數(shù)據(jù)采集模塊安全區(qū)的控制系統(tǒng)有效地隔離[6]。編碼器信號(hào)經(jīng)換向判斷后通過(guò)主CPU模塊轉(zhuǎn)換為游車高度的工程值。司鉆房觸摸顯示模塊選用SIMATICHMI精智面板TP1900，與數(shù)據(jù)采集單元采用Profinet工業(yè)以太網(wǎng)通信。數(shù)據(jù)采集單元通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)通信與第三方設(shè)備數(shù)據(jù)共享從而實(shí)現(xiàn)鉆井現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的互聯(lián)互通。

鉆臺(tái)面的1～2#高壓立管管匯壓力、死繩錨膜片壓力、轉(zhuǎn)盤扭矩、頂驅(qū)扭矩，下層甲板的1～3#高壓泥漿泵壓、泥漿罐體積，中層甲板的泥漿回流、計(jì)量罐體積等來(lái)自危險(xiǎn)區(qū)的電信號(hào)，通過(guò)1～11#模擬量隔離式安全柵實(shí)現(xiàn)電源和信號(hào)輸入輸出隔離，加強(qiáng)監(jiān)控系統(tǒng)的抗干擾能力。SM1232模擬量輸出模塊輸出驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速表或轉(zhuǎn)盤扭矩表。

4 軟件設(shè)計(jì)

鉆井參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)軟件框圖如圖3所示。運(yùn)用模塊化思路以提高軟件可移植和組合性，數(shù)據(jù)采集模塊PLC主程序主要由系統(tǒng)初始化子程序、傳感器采集處理子程序、報(bào)警控制、信息處理等子程序組成[7]；傳感器4～20mA電流信號(hào)通過(guò)SM1231模塊轉(zhuǎn)換為0～27648的數(shù)字量信號(hào)，主CPU模塊通過(guò)信號(hào)濾波、數(shù)據(jù)處理后保存在PLC數(shù)據(jù)寄存器中，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)通信將鉆井參數(shù)工程值映射到司鉆房的HMI觸摸顯示模塊。司鉆房觸摸人機(jī)交互、隊(duì)長(zhǎng)辦公室遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計(jì)主要包括表盤/數(shù)字顯示界面、起下鉆界面、參數(shù)刻度、報(bào)警設(shè)置、故障診斷、曲線顯示、用戶登錄等操作界面。

圖3 軟件框圖

司鉆房觸摸人機(jī)交互選取TIA Portal V15中的WinCC軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)工具箱中的圖形、文本、表盤、功能控件等可容易實(shí)現(xiàn)HMI人機(jī)交互的開發(fā)。Portal Step7的變量地址與Portal WinCC平臺(tái)中設(shè)置的變量逐一對(duì)照，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。操作人員可根據(jù)用戶習(xí)慣自行采取儀表表盤/數(shù)字顯示、故障診斷、曲線顯示等人機(jī)交互。監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖4所示。實(shí)時(shí)監(jiān)控鉆井作業(yè)過(guò)程中1～3#泥漿泵泵沖、泵壓、泥漿的增益和漏失情況、泥漿回流、大鉤速度、懸重、游車高度、大鉗扭矩、泥漿回流報(bào)警、立管壓力、轉(zhuǎn)盤/頂驅(qū)的轉(zhuǎn)速、噸公里設(shè)定/指示等參數(shù)[8-9]。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)表盤界面

隊(duì)長(zhǎng)辦公室遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊與數(shù)據(jù)采集模塊無(wú)線長(zhǎng)距離通信，可選擇按照作業(yè)時(shí)間或鉆井深度通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程瀏覽鉆井參數(shù)。技術(shù)人員可隨時(shí)查詢鉆井參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)故障代碼信息，便于維護(hù)人員第一時(shí)間響應(yīng)進(jìn)行故障診斷[10]。

5 調(diào)試及分析

調(diào)試中設(shè)備或裝置：手壓泵、數(shù)字萬(wàn)用表、活塞壓力計(jì)、多參數(shù)標(biāo)定裝置、兆歐表等。

5.1 電源檢查

先將兆歐表的“E”端接系統(tǒng)外殼，兆歐表的“L”端分別接系統(tǒng)供電端，搖動(dòng)兆歐表測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)外殼電阻不低于20MΩ；然后將兆歐表的“E”端和“L”端分別與系統(tǒng)供電端相連，測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)供電端絕緣電阻應(yīng)不低于1MΩ。系統(tǒng)通電后，采用數(shù)字萬(wàn)用表依次測(cè)量數(shù)據(jù)采集模塊中的AC/DC電源輸出、PLC模塊供電端、傳感器供電回路是否輸出穩(wěn)定，觀察監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)指示燈應(yīng)正常顯示。

5.2 參數(shù)指標(biāo)調(diào)試

將各參數(shù)傳感器固定在標(biāo)定裝置上，傳感器輸出信號(hào)一路與系統(tǒng)采集顯示模塊相連，一路與標(biāo)定裝置相連，選定量程的30%、50%、80%為調(diào)試點(diǎn)，調(diào)試次數(shù)不少于3次，讀數(shù)穩(wěn)定后根據(jù)公式（1）計(jì)算各調(diào)試點(diǎn)最大誤差。

其中UCi為各參數(shù)調(diào)試點(diǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的顯示值，ULi為各參數(shù)調(diào)試點(diǎn)標(biāo)定裝置的理論值，UFS為各參數(shù)調(diào)試的滿量程，δmax為各參數(shù)調(diào)試中的最大誤差，記錄數(shù)據(jù)到表2中。各參數(shù)顯示誤差均在表1中的設(shè)計(jì)誤差范圍內(nèi)，參數(shù)指標(biāo)切合設(shè)計(jì)要求。

表2 參數(shù)指標(biāo)調(diào)試

5.3 立壓防護(hù)調(diào)試

在觸摸屏報(bào)警設(shè)置界面中，輸入立壓報(bào)警值和立壓防護(hù)值，圖5立壓防護(hù)設(shè)置界面中將顯示相應(yīng)數(shù)值。若立壓到達(dá)事先設(shè)置的報(bào)警值時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生聲光報(bào)警，若立壓到達(dá)事先設(shè)置的保護(hù)值時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)泄壓閥開自動(dòng)停泵泄壓。

圖5 移動(dòng)護(hù)理的業(yè)務(wù)工作流程

操作人員根據(jù)鉆井工藝需要，按下啟動(dòng)泄壓按鈕從而進(jìn)入大泵補(bǔ)漿流程。

6 結(jié)語(yǔ)

基于PLC的多傳感器海洋鉆井參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)在中海油某模塊鉆機(jī)已實(shí)現(xiàn)多口井實(shí)時(shí)監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案合理，具備操作方便快捷，擴(kuò)展性強(qiáng)、兼容井場(chǎng)設(shè)備、可靠性高等特點(diǎn)。監(jiān)控系統(tǒng)中還可以增補(bǔ)多傳感器信息融合，從而實(shí)現(xiàn)鉆前預(yù)測(cè)，確保鉆井作業(yè)安全高效。