全套管柱自動(dòng)化集成控制系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

吳枝國，稅理中，盛 益，薛 程

（中石化華東石油工程有限公司，南京 225000）

0 引言

鉆井技術(shù)四大開發(fā)階段分別是經(jīng)驗(yàn)鉆井、科學(xué)鉆井、自動(dòng)化鉆井以及智能化鉆井。目前我國鉆井技術(shù)正處于自動(dòng)、智能鉆井技術(shù)同步開發(fā)的初級(jí)階段[1]。石油工業(yè)近年來發(fā)展迅速，迫切需要高度自動(dòng)化的管柱處理系統(tǒng)，以降低鉆井成本，提高鉆井質(zhì)量，減低事故率，縮短鉆井周期。

傳統(tǒng)的陸地鉆機(jī)管柱處理依靠地面、鉆臺(tái)、二層臺(tái)的工人純手工操作，管柱從料場(chǎng)移送到正對(duì)鉆臺(tái)斜坡的位置，之后沿斜坡拉拽到鉆臺(tái)上，進(jìn)行接立根操作和立根排放。在整個(gè)過程中，需要工人進(jìn)行搬運(yùn)鉆桿、提卡瓦、拉立根等強(qiáng)度很大的工作，尤其是高空操作者，需要在距離地面三十多米的二層臺(tái)進(jìn)行手工操作，效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度高，更易發(fā)生安全事故[2]。在整個(gè)鉆井流程中，有30%以上的時(shí)間花費(fèi)在起下鉆等管柱處理作業(yè)上，特別是深井鉆機(jī)在工作過程中需要頻繁的起下鉆所花費(fèi)時(shí)間更多[3]。

要解決該問題，必須改變管柱處理作業(yè)的方式，即把自動(dòng)控制技術(shù)運(yùn)用到鉆井裝備上，通過傳感器、控制器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制和完成管柱處理工作，一方面減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，另一方面降低由于惡劣環(huán)境和疲勞大意等造成的危險(xiǎn)事故的發(fā)生概率，進(jìn)而保障人員安全。全面實(shí)現(xiàn)管柱處理自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)智能高效工作的必由之路，與之相匹配的自動(dòng)化、智能化管柱處理系統(tǒng)就顯得尤為關(guān)鍵。

管柱處理自動(dòng)化的核心是集成控制系統(tǒng)。目前國外集成控制系統(tǒng)主要有NOV 公司的Cyberbase 系統(tǒng)和AMPHION 系統(tǒng)、AXON 公司的RigScope 操作系統(tǒng)及BENTEC 公司的infoDRILL 操作系統(tǒng)等[4]，國內(nèi)主要有四川宏華的鉆機(jī)集成司鉆控制系統(tǒng)、青島天時(shí)的鉆井控制系統(tǒng)[5-6]，以及江漢四機(jī)、南陽二機(jī)、天津瑞靈、東方先科等企業(yè)推出的司鉆集成控制系統(tǒng)[7]。但與國外同類產(chǎn)品比較，在使用和功能上還有很大不足，集成控制系統(tǒng)自動(dòng)化智能化程度不高，還存在一定差距。

在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，本文研制了全套管柱自動(dòng)化集成控制系統(tǒng)，采用區(qū)域化管理和雙機(jī)雙控方式實(shí)現(xiàn)整個(gè)通信系統(tǒng)的運(yùn)行，并采用多重互鎖技術(shù)和AI監(jiān)控確保設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行及操作安全。與傳統(tǒng)集成控制系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)自動(dòng)化及智能化程度更高，具有鉆機(jī)鉆進(jìn)過程安全、高效、少人化的特點(diǎn)。

1 集成控制系統(tǒng)原理

1.1 總體介紹

集成控制系統(tǒng)主要通過鉆機(jī)配套的管柱自動(dòng)化處理裝置進(jìn)行集成控制；通過對(duì)絞車、泥漿泵、轉(zhuǎn)盤、頂驅(qū)、電控系統(tǒng)等直接驅(qū)動(dòng)和控制實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)；通過控制二層臺(tái)排管裝置、吊卡、鉆臺(tái)機(jī)械手、泥漿防濺盒、螺栓緊固油噴涂設(shè)備、鐵鉆工、動(dòng)力卡瓦、液壓動(dòng)力集成系統(tǒng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)起下鉆；通過控制動(dòng)力貓道、液壓動(dòng)力集成系統(tǒng)、緩沖機(jī)械手裝置實(shí)現(xiàn)下套管等過程中管柱傳送和搬運(yùn)的智能化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)地面區(qū)、鉆臺(tái)區(qū)和二層臺(tái)區(qū)所有裝置的區(qū)域化指揮、統(tǒng)籌管理，在系統(tǒng)互不干擾的情況下最大限度地完成并行操作，提升工作效能[8]。該系統(tǒng)通過旋鈕、按鈕和手柄等向各機(jī)具發(fā)送控制命令，并采集各機(jī)具的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和狀態(tài)進(jìn)行分析處理，完成井區(qū)到地面料區(qū)整個(gè)鉆井流程的一體化作業(yè)，人員只需承擔(dān)部分輔助作業(yè)，減少了工人的數(shù)量和勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了全套管柱自動(dòng)化“一鍵式操作”，同時(shí)采用離散式網(wǎng)絡(luò)集成控制各機(jī)具，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)單一裝置進(jìn)行局部操控。

1.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指用傳輸電纜、無線等傳輸介質(zhì)互聯(lián)的全套管柱自動(dòng)化設(shè)備物理布局。本系統(tǒng)采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞姆绞?，以運(yùn)動(dòng)控制器為中央節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)都與中央節(jié)點(diǎn)直接相連，構(gòu)建了分類、分層級(jí)的多源數(shù)據(jù)設(shè)備點(diǎn)至點(diǎn)的鏈路連接方式，如圖1所示。其中，手柄1和手柄2 以及按鍵面板通過CAN 總線通信技術(shù)與運(yùn)動(dòng)控制器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)互通，緩沖臂通過電控液，鐵架工、扶桿臂、液壓站通過交換機(jī)1 和運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；視頻監(jiān)控系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制器之間采用RS485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。兩臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制器之間使用交互式以太網(wǎng)技術(shù)通過交換機(jī)2進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。鐵鉆工、動(dòng)力貓道等管柱處理設(shè)備使用以太網(wǎng)技術(shù)，通過PLC進(jìn)行互動(dòng)并通過交換機(jī)2實(shí)現(xiàn)與兩臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)之間的信號(hào)傳輸，最終實(shí)現(xiàn)采用雙機(jī)雙控的方式實(shí)時(shí)顯示和控制的目的。

圖1 設(shè)備通信方式

控制層打破了以往對(duì)各系統(tǒng)獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與控制的傳統(tǒng)方法，采取標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、高集成化的控制單元模塊對(duì)全套管柱自動(dòng)化集成控制系統(tǒng)實(shí)施數(shù)據(jù)采集、通信與控制的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)。

為應(yīng)對(duì)井場(chǎng)風(fēng)暴、風(fēng)沙侵蝕等惡劣工況對(duì)本系統(tǒng)的影響，保障系統(tǒng)正常運(yùn)行，集成控制系統(tǒng)采用獨(dú)立備用通信系統(tǒng)模式，兩套相互獨(dú)立的通信系統(tǒng)相互兼容、相互切換、互為備用。在系統(tǒng)中各組成部分之間，采取多源、多渠道、多維的數(shù)據(jù)采集、信號(hào)傳遞技術(shù)方法，信號(hào)通信、數(shù)據(jù)傳輸均采取雙回路、雙備份等技術(shù)手段，確?？刂葡到y(tǒng)的可靠性。

2 重點(diǎn)組成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

全套管柱自動(dòng)化集成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要從3個(gè)方面著手：視頻監(jiān)控設(shè)計(jì)、安全互鎖設(shè)計(jì)、鉆臺(tái)面AI智能監(jiān)控。

2.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《安全防范工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)施。監(jiān)控系統(tǒng)主要由前端高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭、傳感器及監(jiān)控軟件組成，是整個(gè)司鉆集成的“感知”系統(tǒng)，能為司鉆操作者提供不同區(qū)域的監(jiān)控畫面，以及控制各設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

2.2 鉆臺(tái)面AI智能監(jiān)控

鉆臺(tái)面AI智能監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)控終端（攝像頭）、視頻AI 大腦、監(jiān)控管理平臺(tái)、IOT 云組成，框架如圖2所示。該系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)集成到已有的安防監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控設(shè)備智能化升級(jí)，實(shí)現(xiàn)24 h 監(jiān)測(cè)和視頻數(shù)據(jù)采集。針對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行視頻AI 算法調(diào)優(yōu)，最大化地將井場(chǎng)現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得精準(zhǔn)數(shù)據(jù)用于管理決策。對(duì)井場(chǎng)環(huán)境、人員、物品、行為軌跡進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，主動(dòng)識(shí)別不安全因素，及時(shí)為井場(chǎng)人員提供報(bào)警、提醒服務(wù)，節(jié)約人力成本的同時(shí)真正做到了全天候?yàn)槊總€(gè)井隊(duì)保駕護(hù)航。

圖2 鉆臺(tái)面AI智能監(jiān)控系統(tǒng)框架

3 安全互鎖

安全互鎖設(shè)計(jì)主要由設(shè)備控制器和中央控制器對(duì)設(shè)備間互鎖、自鎖發(fā)布指令實(shí)施。設(shè)備運(yùn)行前，設(shè)備控制器通過標(biāo)定的方式，把設(shè)備在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中的空間位置與運(yùn)動(dòng)編碼器建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，設(shè)備控制器不斷收集設(shè)備運(yùn)動(dòng)位置信息，當(dāng)有其他設(shè)備進(jìn)入設(shè)備重合運(yùn)行區(qū)域時(shí)，設(shè)備控制器向中央控制器程序發(fā)出排他指令，禁止其他設(shè)備進(jìn)入此區(qū)域，從而達(dá)到防止設(shè)備碰撞的目的。設(shè)備開合狀態(tài)通過設(shè)備控制器發(fā)給中央控制器，中央控制器根據(jù)各設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)和互鎖清單判定此設(shè)備是否允許開關(guān)，互鎖清單如圖3所示。

圖3 設(shè)備互鎖清單

4 應(yīng)用效果分析

目前全套管柱自動(dòng)化集成控制系統(tǒng)已經(jīng)在某石油工程公司8 000 m鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)未出現(xiàn)硬件故障，硬件系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，軟件程序運(yùn)行良好，各類安全保護(hù)機(jī)制運(yùn)行穩(wěn)定可靠。其中，集成控制系統(tǒng)應(yīng)用視頻監(jiān)控系統(tǒng)和鉆臺(tái)面AI 智能監(jiān)控已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)井隊(duì)現(xiàn)場(chǎng)的火苗煙霧、安全帽、吸煙、人臉及跟蹤等20多項(xiàng)功能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以及對(duì)鉆臺(tái)面各管柱自動(dòng)化處理設(shè)備的待機(jī)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如圖4所示。

圖4 鉆臺(tái)面AI智能監(jiān)控系統(tǒng)全套應(yīng)用

在該石油工程公司的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，充分體現(xiàn)了全套管柱自動(dòng)化集成控制的優(yōu)勢(shì)：（1）安全：通過冗余雙司鉆系統(tǒng)控制、多重互鎖技術(shù)、AI 視頻監(jiān)控等方式，優(yōu)化空間余量管理，減小系統(tǒng)對(duì)正常操作的影響，并對(duì)人員進(jìn)入安全紅區(qū)進(jìn)行預(yù)警識(shí)別，全方位保障作業(yè)安全；（2）高效： 通過單機(jī)多軸聯(lián)動(dòng)、人機(jī)交互聯(lián)動(dòng)、多機(jī)協(xié)作聯(lián)動(dòng)，在某些設(shè)備交接處通過設(shè)備并行運(yùn)動(dòng)的方式，節(jié)省整體運(yùn)行使用時(shí)間；（3）少人化/減少勞動(dòng)強(qiáng)度：起下鉆過程司鉆值守，工藝流程化操作替代單一設(shè)備操作，自動(dòng)化程度高，保障操作工安全的同時(shí)，又降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

但是該系統(tǒng)目前在非成套設(shè)備上的控制還有一定的技術(shù)屏障，無法有效集成非成套設(shè)備，后續(xù)將對(duì)此技術(shù)進(jìn)行更進(jìn)一步的研發(fā)與測(cè)試。

5 結(jié)束語

本文研制的全套管柱自動(dòng)化集成控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。

（1）全套管柱自動(dòng)化集成控制系統(tǒng)采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞姆绞?，以運(yùn)動(dòng)控制器為中央節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)都與中央節(jié)點(diǎn)直接相連，構(gòu)建了分類、分層級(jí)的多源數(shù)據(jù)設(shè)備點(diǎn)至點(diǎn)的鏈路連接方式，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)之間信號(hào)傳輸。最終實(shí)現(xiàn)采用雙機(jī)雙控的方式實(shí)時(shí)顯示和控制的目的，有效提高了整體聯(lián)動(dòng)的順暢性和同步性。

（2）集成控制系統(tǒng)采用獨(dú)立備用通信系統(tǒng)模式，應(yīng)對(duì)井場(chǎng)風(fēng)暴、風(fēng)沙侵蝕等惡劣工況對(duì)本系統(tǒng)的影響，保障系統(tǒng)正常運(yùn)行。兩套相互獨(dú)立的通信系統(tǒng)相互兼容、相互切換、互為備用，確?？刂葡到y(tǒng)的可靠性。

（3）具備視頻監(jiān)控系統(tǒng)、安全互鎖系統(tǒng)和鉆臺(tái)面AI智能監(jiān)控。為司鉆操作者提供不同區(qū)域的監(jiān)控畫面，以及控制各設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)?？捎行Х乐乖O(shè)備碰撞和對(duì)人員進(jìn)入安全紅區(qū)進(jìn)行預(yù)警識(shí)別，全方位保障作業(yè)安全。

與傳統(tǒng)管柱處理系統(tǒng)相比，本文研制的全套管柱自動(dòng)化集成控制系統(tǒng)自動(dòng)化智能化更高，單部件多軸聯(lián)動(dòng)、人機(jī)交互聯(lián)動(dòng)及多機(jī)協(xié)同聯(lián)動(dòng)，配合司鉆房一鍵式操作，同時(shí)采用離散式網(wǎng)絡(luò)集成控制各機(jī)具，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)單一裝置進(jìn)行局部操控，實(shí)現(xiàn)了全套管柱自動(dòng)化的高效運(yùn)行，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

全套管柱自動(dòng)化集成控制系統(tǒng)的應(yīng)用使起下鉆速率實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，在極大提高效率的同時(shí)也大大提高了安全性。后續(xù)將進(jìn)一步簡化司鉆操作流程，使自動(dòng)化程序更加簡潔，實(shí)現(xiàn)一鍵操作，同時(shí)發(fā)展管柱上卸扣算法優(yōu)化工作，以期解決管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)所存在的問題。