海洋鉆井絞車智能剎車控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化改造

王 倫，周宏宇，孫龍林，劉建新

（中石化海洋石油工程有限公司 上海鉆井分公司，上海 201208）

鉆井絞車剎車是海洋鉆井平臺(tái)最為核心的設(shè)備[1]，某海洋鉆井平臺(tái)配置2 套剎車，1 套為帶式剎車（下文簡(jiǎn)稱帶剎），用剎把操作，操作者需有豐富的操作經(jīng)驗(yàn)和較大體力[2]，另配置1 套渦磁剎車作為輔助剎車，用于減速[3]。隨著鉆機(jī)自動(dòng)化水平的不斷提高，為增強(qiáng)設(shè)備安全性、可靠性并降低操控者勞動(dòng)強(qiáng)度[4]，本世紀(jì)初，某海洋鉆井平臺(tái)在保留剎把的基礎(chǔ)上，加裝了智能剎車。其執(zhí)行器與剎把共用轉(zhuǎn)動(dòng)軸，通過(guò)操作手柄（俗稱小剎把）控制液壓，從而控制液壓油缸的伸出量而控制剎帶的松緊，并集成游車防碰功能，操作簡(jiǎn)單、省力，對(duì)操作經(jīng)驗(yàn)要求較低。該控制系統(tǒng)下位機(jī)為可編程邏輯控制器（PLC），上位機(jī)為按鍵式控制屏，由歐洲某公司集成設(shè)計(jì)。隨著電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代，原控制屏已停產(chǎn)，無(wú)法采購(gòu)備件，只能升級(jí)為新一代產(chǎn)品。但原控制系統(tǒng)采用當(dāng)時(shí)較為流行的DP通訊（一種總線通訊方式），PLC作為DP主站，控制屏為從站，因此，更換控制屏型號(hào)時(shí)，需更改PLC的相關(guān)設(shè)置、加載新控制屏的GSD（DP通訊設(shè)備的驅(qū)動(dòng)文件）[5]，并升級(jí)PLC 程序。由于受知識(shí)產(chǎn)權(quán)與專利保護(hù)，廠家對(duì)原程序嚴(yán)格保密，升級(jí)時(shí)需派遣外籍工程師至現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)，服務(wù)費(fèi)用居高不下。因此，國(guó)產(chǎn)化改造為解決這些問(wèn)題的有效措施[6]，但該系統(tǒng)直接關(guān)乎生產(chǎn)安全與生產(chǎn)效率、風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與控制、不同年代設(shè)備之間兼容、控制屏編程等，并不簡(jiǎn)單[7]，本文以某海洋鉆井平臺(tái)智能剎車控制系統(tǒng)為例，介紹其改造方法。

1 工藝原理、控制設(shè)備組成與功能

海洋鉆井絞車（下文簡(jiǎn)稱鉆井絞車）剎車系統(tǒng)的改造風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與控制是進(jìn)行項(xiàng)目改造的基礎(chǔ)。掌握智能剎車的工藝原理與控制系統(tǒng)組成，了解被改造部分在系統(tǒng)中的功能、與其它設(shè)備的聯(lián)系，是識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)的前提。

1.1 工藝原理

智能剎車液壓工藝原理示意圖及傳動(dòng)示意圖分別如圖1、圖2 所示（與控制無(wú)關(guān)的元器件未畫出），圖1 中紅線為氣管線、藍(lán)線為油管線。智能剎車主要包括剎車執(zhí)行器、剎車操作箱、液壓泵站和鉆井絞車反饋電機(jī)與閥組、絞車離合器控制閥組、編碼器。剎車執(zhí)行器外形及其動(dòng)作狀態(tài)如圖3 所示，包括伺服油缸和彈簧油缸2 種驅(qū)動(dòng)方式，主要有4種狀態(tài)。

圖1 智能剎車液壓工藝原理示意圖

圖2 智能剎車傳動(dòng)示意圖

圖3 剎車執(zhí)行器外形及其動(dòng)作狀態(tài)

1）狀態(tài)1：伺服油缸剎車狀態(tài)。當(dāng)電動(dòng)液壓泵開(kāi)啟、液壓輸送至執(zhí)行器的彈簧油缸，將彈簧完全縮回后，帶剎的松緊由伺服油缸的伸縮量控制，當(dāng)操作手柄置于剎車位時(shí)，伺服油缸活塞桿完全伸出，活塞桿驅(qū)動(dòng)帶剎從而剎車。

2）狀態(tài)2：手動(dòng)剎車狀態(tài)。液壓泵站停機(jī)后，系統(tǒng)無(wú)液壓，用手動(dòng)液壓泵打壓，并將執(zhí)行器彈簧完全縮回后，帶剎的松緊或剎車由剎把控制。

3）狀態(tài)3：剎車松開(kāi)狀態(tài)。同狀態(tài)1，彈簧縮回，當(dāng)操作手柄置于中位時(shí)，伺服油缸活塞左右側(cè)壓力相同，活塞桿收回，剎車松開(kāi)。

4）狀態(tài)4：彈簧剎車狀態(tài)。正常情況下，同狀態(tài)1，當(dāng)彈簧油缸失去液壓時(shí)，彈簧立即彈開(kāi)，推動(dòng)帶剎從而剎車。

智能剎車控制系統(tǒng)主要通過(guò)控制6 個(gè)電磁閥實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。

1）1#電磁閥，用于緊急剎車。正常情況下，該電磁閥關(guān)閉。當(dāng)發(fā)生電源失電、按下急停按鈕、液壓泵站停機(jī)、游車超速、觸碰止點(diǎn)等異常情況時(shí)，PLC 控制該電磁閥打開(kāi)，釋放彈簧油缸內(nèi)的液壓油，彈簧立即彈開(kāi)從而剎車。

2）2#電磁閥，用于剎車復(fù)位。鉆井絞車大繩過(guò)卷導(dǎo)致過(guò)卷閥動(dòng)作，或者手動(dòng)剎車控制閥打開(kāi)后，壓縮空氣控制2#氣動(dòng)繼動(dòng)器脫開(kāi)離合器，同時(shí)，壓力開(kāi)關(guān)PS1 和PS2 動(dòng)作，壓力信號(hào)經(jīng)PLC 處理后，輸出剎車信號(hào)。當(dāng)過(guò)卷閥或手動(dòng)剎車控制閥復(fù)位后，相關(guān)控制管路內(nèi)仍有空氣，需通過(guò)該電磁閥釋放殘留空氣從而復(fù)位。

3）3#電磁閥，用于控制脫開(kāi)離合器。該電磁閥控制3#氣動(dòng)繼動(dòng)器關(guān)閉，高、低速離合器均失去氣源后脫開(kāi)。

4）4#電磁閥，用于自動(dòng)潤(rùn)滑。PLC 程序自動(dòng)間歇性打開(kāi)4#氣動(dòng)繼動(dòng)器，液壓油經(jīng)減壓閥減壓后，分別給反饋電機(jī)、鏈條、緊鏈器自動(dòng)潤(rùn)滑。

5）5#電磁閥，用于打開(kāi)自動(dòng)送鉆模式。當(dāng)操作手柄置于剎車位、打開(kāi)該電磁閥時(shí)，5#氣動(dòng)繼動(dòng)器隨之打開(kāi)，電動(dòng)液壓泵至操作手柄的液壓泄壓；同時(shí)，1#氣動(dòng)繼動(dòng)器打開(kāi)，液壓經(jīng)減壓閥、反饋電機(jī)輸送至智能剎車執(zhí)行器伺服油缸，從而控制剎車的松緊，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)送鉆模式。

6）6#電磁閥，用于關(guān)閉自動(dòng)送鉆模式。該電磁閥打開(kāi)后，伺服油缸經(jīng)6#氣動(dòng)繼動(dòng)器泄壓，自動(dòng)送鉆模式停止。

1.2 控制設(shè)備組成與功能

智能剎車控制系統(tǒng)主要包括主控制箱、操作箱、控制屏、防爆接線盒、傳感器、電磁閥及其編碼器，并與可控硅控制柜、渦磁剎車、補(bǔ)償器有連鎖或聯(lián)動(dòng)信號(hào)，涉及改造的包括主控制箱和控制屏，主要設(shè)備功能如下。

1）主控制箱。所有信號(hào)均接至主控制箱，由PLC處理，包括液壓泵站啟停、游車位置及其防碰保護(hù)、液壓泵站高油溫與低油位保護(hù)等功能，并實(shí)現(xiàn)剎車時(shí)，自動(dòng)脫開(kāi)離合、切斷鉆井絞車的可控硅系統(tǒng)動(dòng)力和打開(kāi)渦磁剎車。

2）操作箱。液壓操作手柄安裝在操作箱上，用于帶剎松緊控制，并集成液壓泵的啟停按鈕及運(yùn)行指示燈，液壓泵站的報(bào)警消音按鈕、急停按鈕以及伺服液壓指示表。

3）控制屏。原采用斯塔爾（STAHL）黑白按鍵式控制屏，較為小眾且價(jià)格昂貴，現(xiàn)已停產(chǎn)，其包括游車速度及位置顯示、越控操作、防碰點(diǎn)和超速保護(hù)值設(shè)置等功能。

綜上所述，控制系統(tǒng)僅在異常情況下剎車，而不能在剎車情況下松開(kāi)剎把，剎車、脫開(kāi)離合以及投入渦磁剎車等連鎖動(dòng)作，均由PLC自動(dòng)完成以避免司鉆誤操作造成設(shè)備損壞[8]，故不存在控制屏引起游車掉落或設(shè)備損壞等重大風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)控制的關(guān)鍵在于控制屏修改PLC程序參數(shù)調(diào)用的變量是否準(zhǔn)確，避免無(wú)故剎車。

2 智能剎車控制系統(tǒng)改造要求

結(jié)合操作者要求和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，該智能剎車控制系統(tǒng)改造應(yīng)滿足如下要求。

1）不應(yīng)增加風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

2）新控制屏應(yīng)滿足司鉆室防爆要求，且在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)備件充足、價(jià)格合理，尺寸應(yīng)與原控制屏基本一致，以兼顧安裝空間和顯示界面清晰，常用按鍵應(yīng)符合現(xiàn)場(chǎng)使用習(xí)慣，使用實(shí)體按鍵。

3）新控制屏界面設(shè)計(jì)應(yīng)與原控制屏基本一致，以符合使用者的操作習(xí)慣。

4）主控制箱應(yīng)能容納新增的設(shè)備。

5）具備賬戶管理功能。應(yīng)輸入密碼才能更改相應(yīng)參數(shù)，并可隨時(shí)注銷。

6）系統(tǒng)設(shè)置功能。系統(tǒng)密碼、IP 地址、屏幕保護(hù)時(shí)間等可更改。

7）具備報(bào)警及其回讀功能。

8）控制屏上使用頻繁的按鈕需有備用，保證損壞時(shí)仍可正常操作。

3 智能剎車控制系統(tǒng)改造

3.1 設(shè)備選型

根據(jù)改造要求，控制屏選用彩色精智觸摸屏KTP400 COMFORT，該屏可用于防爆環(huán)境且尺寸合適，在國(guó)內(nèi)備件充足、價(jià)格合理，但只支持三菱Q系列PLC 以太網(wǎng)通訊，故需改造PLC。PLC 基板上剛好有備用插槽，增加通訊卡QJ71E71。

3.2 通訊方式改造

原控制屏與PLC采用DP通訊，經(jīng)RS422通訊協(xié)議與總線隔離中繼器相連，原控制屏與PLC通訊原理示意圖見(jiàn)圖4，改為以太網(wǎng)通訊后的新控制屏與PLC通訊原理示意圖見(jiàn)圖5，鉆井絞車編碼器與PLC的總線通訊卡直連，新控制屏與以太網(wǎng)通訊卡直連。

圖4 原控制屏與PLC通訊原理示意圖

4 控制程序研究與新控制屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)

4.1 控制程序研究

由于控制屏與PLC 通訊從DP 改為以太網(wǎng)，新舊控制屏相關(guān)變量格式不一致，理解PLC程序成為正確調(diào)用相應(yīng)變量、降低改造風(fēng)險(xiǎn)的最佳方式。

該P(yáng)LC 程序采用三菱GX Works2軟件編程，達(dá)5 000 余步，主要功能包括大繩長(zhǎng)度計(jì)算及分層點(diǎn)設(shè)置、止點(diǎn)設(shè)置、游車位置及速度計(jì)算、傳感器信號(hào)處理與安保參數(shù)設(shè)置、游車位置校正等。各程序段之間相互調(diào)用，該項(xiàng)目的關(guān)鍵在于控制屏修改PLC程序參數(shù)調(diào)用的變量是否正確，因此，下面主要介紹與控制屏按鈕及I/O 域相關(guān)的PLC 程序段，常規(guī)邏輯控制、信號(hào)處理與顯示程序不再詳述。

1）大繩長(zhǎng)度計(jì)算及分層點(diǎn)設(shè)置程序。鉆井絞車大繩長(zhǎng)度計(jì)算是游車位置及速度計(jì)算的基礎(chǔ)，程序運(yùn)行后，先判斷各層的大繩總長(zhǎng)度是否已計(jì)算，每層大繩總長(zhǎng)計(jì)算完成后，程序根據(jù)控制屏的分層起始指令確認(rèn)分層點(diǎn)（如第1～2層的分層變量被控制屏置為1，程序?qū)?～2 分層點(diǎn)作為起始，其它同理）。大繩總長(zhǎng)計(jì)算如公式（1）所示：

式中，L為纏繞在絞車滾筒上的大繩長(zhǎng)度；n為絞車滾筒上纏繞大繩的層號(hào)，本項(xiàng)目中最大值為4；N1、Nn為絞車滾筒第1 層和第n層纏繞的大繩數(shù)量，纏滿為40，即最大值為40；π 為圓周率，取3.142；Dpc為絞車滾筒上第1 層大繩環(huán)繞所形成圓柱的直徑，即絞車滾筒的直徑加上2 根大繩的半徑，為952 mm；d為大繩的直徑，為38 mm。

鉆井絞車大繩纏繞示意圖如圖6 所示。由于大繩在滾筒呈“品”字形排列，因此，除第1 層外，大繩每增加1層，大繩環(huán)繞所形成圓柱的直徑增加2dsin60°，鉆井絞車旋轉(zhuǎn)的總?cè)?shù)Ntc計(jì)算如公式（2）所示：

圖6 鉆井絞車大繩纏繞示意圖

式中，Ptp為編碼器計(jì)量的脈沖總數(shù)；Ppc為鉆井絞車旋轉(zhuǎn)1周對(duì)應(yīng)編碼器的脈沖數(shù)，本項(xiàng)目為3 072。

2） 止點(diǎn)設(shè)置、游車位置及速度計(jì)算程序。

（1）止點(diǎn)設(shè)置程序。先判斷是否需要更改止點(diǎn)，當(dāng)需更改時(shí)，將當(dāng)前大繩相對(duì)長(zhǎng)度折算成游車高度，存儲(chǔ)在相應(yīng)寄存器，控制屏只需調(diào)用其變量即可對(duì)其進(jìn)行顯示，大繩長(zhǎng)度轉(zhuǎn)換為游車垂直高度H的計(jì)算如公式（3）所示：

式中，Nst為游車或天車大繩股數(shù)，本項(xiàng)目為12。

（2）游車位置計(jì)算程序。止點(diǎn)設(shè)置完成后，自動(dòng)調(diào)用游車位置計(jì)算子程序，將當(dāng)時(shí)實(shí)時(shí)大繩長(zhǎng)度與相對(duì)零點(diǎn)長(zhǎng)度之差寄存在寄存器。

（3）速度計(jì)算程序。程序?qū)⒕幋a器脈沖變化量折算成大繩長(zhǎng)度變化量后，除以時(shí)間即為速度，保存在寄存器中，當(dāng)其小于零時(shí)，自動(dòng)取正。

3）剎車執(zhí)行程序。當(dāng)發(fā)生游車超速、碰觸止點(diǎn)、過(guò)圈閥動(dòng)作、液壓泵站故障、觸發(fā)急停等時(shí)，程序控制剎車執(zhí)行器彈簧油缸泄壓、剎車。其中，當(dāng)止點(diǎn)觸發(fā)時(shí)，在主界面（PLC 通過(guò)控制屏區(qū)域指針畫面號(hào)D33=1時(shí)，判斷控制屏當(dāng)前顯示主界面），按下越控按鈕，控制屏控制止點(diǎn)程序斷開(kāi)、剎車手柄置于剎車位時(shí)，再按下復(fù)位按鈕，即可實(shí)現(xiàn)越控。當(dāng)按下越控關(guān)閉按鈕、游車速度大于設(shè)置值、超過(guò)觸碰天車或鉆臺(tái)安全距離時(shí)，越控即關(guān)閉。

4.2 控制屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)

智能剎車控制屏人機(jī)界面操作流程見(jiàn)圖7，采用西門子博圖V16編程，游車位置校正等涉及參數(shù)更改的指令均設(shè)置有彈出確認(rèn)窗口。其中，切割滑移大繩或發(fā)生編碼器跳齒等故障后，大繩分層點(diǎn)需重新設(shè)置，然后設(shè)置止點(diǎn)，平時(shí)修改止點(diǎn)可直接從主界面進(jìn)入，因此，止點(diǎn)設(shè)置界面有2個(gè)上一界面，設(shè)計(jì)返回到上一界面為主界面，其它界面只有一個(gè)上一界面，均原路返回（按F1或ESC）。

圖7 智能剎車控制屏人機(jī)界面操作流程

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品更新?lián)Q代快，進(jìn)口控制系統(tǒng)的備件停產(chǎn)是不可避免的，為解決不同年代的電子產(chǎn)品之間的兼容問(wèn)題，不單涉及新產(chǎn)品自身的編程與設(shè)置，相關(guān)產(chǎn)品也需升級(jí)改造。本項(xiàng)目充分考慮到系統(tǒng)的特殊性，將風(fēng)險(xiǎn)控制作為首要目標(biāo)，并理清控制屏在整個(gè)系統(tǒng)中所處的位置，采用精智觸摸屏，用最新版編程軟件進(jìn)行編程，設(shè)備及編程軟件均為當(dāng)今國(guó)內(nèi)市場(chǎng)流行配制，國(guó)外先進(jìn)技術(shù)完全轉(zhuǎn)化為國(guó)內(nèi)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)替代，打破關(guān)鍵控制系統(tǒng)軟硬件備件必須進(jìn)口的思路，縮短了備件采購(gòu)周期，降低了備件采購(gòu)費(fèi)用和設(shè)備維護(hù)成本，解決了原系統(tǒng)備件停產(chǎn)和小眾產(chǎn)品備件采購(gòu)困難等問(wèn)題，避免了原系統(tǒng)因備件停產(chǎn)而導(dǎo)致的整體報(bào)廢，帶來(lái)了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。該項(xiàng)目緊密聯(lián)系實(shí)際，使用頻繁的按鈕均設(shè)計(jì)有虛擬備用按鈕，提高了控制屏的可靠性，并充分發(fā)揮當(dāng)代控制屏色彩、功能豐富等優(yōu)點(diǎn)。該項(xiàng)目及相關(guān)技術(shù)的成功應(yīng)用，對(duì)進(jìn)口大型設(shè)備類似技術(shù)瓶頸與智能控制問(wèn)題的解決提供了思路，具有推廣意義。