井控實物仿真培訓系統的設計與實現

張方舟， 顧雪峰

(東北石油大學 計算機與信息技術學院， 大慶 163318)

井控實物仿真培訓系統的設計與實現

張方舟， 顧雪峰

(東北石油大學 計算機與信息技術學院， 大慶 163318)

針對井控培訓中存在實踐教學的缺失與不足、考核過程不嚴格等問題，設計了井控實物仿真培訓系統。井控實物仿真培訓系統是在井控實物設備上進行改造，以PLC為控制基礎，以紫金橋組態軟件為開發工具，實現了教練結合及科學考核等功能，較好地彌補了傳統培訓中的不足，有效地提高了井控培訓的質量。

井控培訓； 硬件仿真； PLC

0 引言

采油生產中最大的安全隱患來自于井控安全，井控安全隱患的最突出因素是不規范操作。采油生產具有采油方式多樣、現場操作管理人員來源渠道不一等特點，這就導致現場操作人員和管理人員技能水平參差不齊，操作標準化程度不高[1]。常規的井控培訓一般都是以講師為中心，以書本、課件和錄像等形式進行教學，不能給員工提供動手操練的機會，而且存在教學手段單一、考核形式簡單、培訓效果有限、工學矛盾突出等弊端，如何提高培訓質量是當前井控培訓面臨的主要問題[2]。井控實物仿真培訓系統在井控實物設備上進行改造，用PLC實現對各終端設備數據的采集、傳輸與控制，以紫金橋組態軟件編寫的程序為檢測和控制程序，實現了仿真訓練、科學考核、數據保存、畫面教學、成績查詢等功能，彌補了常規培訓“紙上談兵”的缺陷。系統的實現，規范了井控工作的流程和學員考核方式，不僅可以給學員提供一個崗前訓練的平臺，使學員得到充分訓練，可以勝任井控工作，而且為井控培訓工作和培訓管理工作提供了重要的輔助，簡化了講師的工作任務，省去了單項資料和臺帳的記錄方式，操作數據能自動及時保存到后臺數據庫，方便進行管理和審查，并且能保證考核的公平、可靠與嚴格。此外，系統將視頻、三維動畫、聲音等多種教學途徑有機地融合，提高了井控培訓的仿真程度，對提高教學效率、促進學員能力轉移等方面具有重要意義。

1 系統硬件結構及硬件改造

1.1 硬件結構

實物仿真培訓系統對原有井控設備實物進行改造，并在現有功能基礎上增加了培訓系統、機械隨動、音效仿真系統、以及影像投放系統等功能，實現在實際設備上的仿真培訓功能。系統采用FKQ6406系列遠程臺、閘板防噴器、司控臺等現場常用井控設備實物為原型，西門子S7-300PLC，MH系列位移傳感器、GP2Y0A02YK0F系列紅外傳感器等設備，并設計機械隨動與影像采集傳輸及投放

單元，控制臺計算機DELL T630，共同構成本仿真培訓系統的硬件基礎，系統的硬件結構，如圖1所示。

1.2 硬件的改造

為適應高頻次的培訓需要，并減少設備帶壓狀態下的操作磨損，并且方便系統對各環節操作進行精確讀取和控制，系統將井控設備上原本由液壓控制的環節全部改成電壓控制，因此必須對一些設備進行改造，方便PLC對設備進行信息采集、輸出和控制。比如將壓力信號儀表改為電信號儀表，系統通過檢測學員操作動作進行分析和計算，輸出電信號控制電壓表顯示數值，模擬氣壓、油壓等變化過程；將原本由液壓驅動的閘板防噴器采用電傳動機械隨動技術對閘板防噴器進行改造，在閘板防噴器中安裝步進電機和步進電機驅動器實現對閘板防噴器的鎖緊桿進出、液動平板閥開關的控制。

圖1 仿真培訓系統硬件構成

通過這些硬件的改造，控制計算機能夠根據學員在實際的操作過程中的動作進行人機交互，完成訓練任務。部分硬件的改造和傳感器的安裝，如表1所示。

表1 仿真培訓系統硬件改造和傳感器的安裝

2 培訓系統的設計

2.1 系統開發平臺

在工業控制領域中，PLC和上位機組態軟件在電力系統、給水系統、石油、化工等諸多領域多有應用。PLC具有運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度快等特性[3]。系統采用西門子S7-300系列PLC，用STEP7編程軟件進行底層開發，能夠可靠、準確地完成控制操作,實時監測和記錄井控過程。組態軟件采用基于C/S結構的紫金橋組態軟件，Real DB實時數據庫是紫金橋的核心基礎，Real DB是一個性能好、容量大、可靠性高、安全性強的分布式實時數據庫平臺，它運行在Windows操作環境下，可以實現數據高性能實時存儲、歷史查詢；數據及趨勢顯示，事件的記錄；管理控制不同區域的值，可在線及遠程管理；事故追憶及班組考核、質量管理等功能；生成統計報表及打印等；提供統一的數據；提供了如查詢工具、趨勢統計分析等工具[4]。紫金橋軟件與西門子PLC之間采用OPC進行通訊，并且紫金橋組態軟件為西門子系列PLC提供了強大的信息接口，能實現完美兼容[5]。

2.2 系統的架構

系統主要分為軟件平臺、硬件平臺和實時數據庫三部分，如圖2所示。

圖2 系統架構

軟件平臺采用紫金橋組態軟件，硬件部分為PLC和井控設備及數據采集設備，實時數據庫為Access數據庫。紫金橋組態軟件能提供豐富的插件功能，其內部的數據庫Real DB能與外部Access數據庫完美銜接，保障數據傳輸通暢。

Access數據庫中的數據來源于PLC采集的操作者動作信息，并將其同步傳輸給Real DB數據庫進行處理與運算，執行后的結果信息又保存到Access數據庫中，同時傳遞給PLC，以數據或動作方式表現在井控設備上，系統不斷循環這個過程，從而完成對學員的訓練任。

2.3 系統的工作原理

本系統以FKQ6406鉆井井控設備為基礎，進行整個仿真操作系統的研發。其工作原理是：在培訓或考查過程中，操作者按照培訓項目要求進行操作，完成如壓力油制備、軟關井、閥門開度調節、管匯控制、閘板防噴器操作等過程，并在進行上述操作的同時觀察壓力表變化情況與工作狀態。在操作者進行操作的過程中，司鉆控制臺、防噴器控制臺、遙控節流箱及管匯中的剎把、手柄、閥和開關按鈕上的相應傳感器檢測操作者動作和視角情況產生模擬操作信號，PLC將采集到的信號傳輸給PC，由組態軟件進行數據計算和處理，將運行結果傳給PLC進行輸出控制，系統工作原理，如圖3所示。

圖3 仿真培訓系統工作原理圖

3 系統功能設計

規范操作流程，實行嚴格上崗考核，是提高井控安全的主要辦法，為此系統主要設計如下功能：

3.1 訓練功能

為了確保每位學員都能獲得很好的培訓效果，本系統設計了四個培訓環節：教學、學習、訓練和考試。在教學模式下，教師親自演示操作流程進行示范教學，并在過程中與學員進行交流、討論，此模式下教師還可以結合操作進行理論講授，但只是講的少、講的精而已；在學習模式下，系統在學員操作前給出語音提示，學員參照提示進行操作練習，若連續操作錯誤5次，系統則自動退出訓練程序；在訓練模式下，只有在學員操作出現錯誤時系統才給出語音提示，學員再更正自己的操作；在考試模式下，學員進行無任何提示的操作(除學員出現關鍵錯誤以致于直接被判不及格，系統提示考試結束)，學員的操作錯誤會被系統記錄并作為評分依據，直至考試結束。

3.2 考核功能

系統可以對操作人員的操作過程進行全程跟蹤記錄，將操作過程和結果與規程與知識的組態結果進行雙向逐步推理，評定操作過程和操作質量的合理性、準確度，從而得出操作成績。每一個訓練項目的評分都包括：操作步驟評分和操作質量評分，其中操作步驟的評分分為兩種：①并行操作步驟，并行操作步驟之間沒有固定順利的限制，在規定時間完成則得分，失敗則不得分。②串行操作步驟，實際井控中大部分工況必須按照規定流程進行操作，串行操作步驟操作不當很可能發生井控事故，對人身財產安全造成損害，所以串行操作步驟為考核關鍵步驟。若學員在規定時間內操作串行步驟成功，則合格，得一分。若學員未按順序操作，則僅按已操作正確的步驟給分，若操作失敗，則后續的相關串行操作步驟均不得分。操作質量則指對操作頻次、操作幅度進行評判，評價操作者的操作合理性與準確度，給出操作者的操作水平評價指標，并記錄在操作者信息數據庫中。

4 功能實現

4.1 學員信息管理

學員可進行注冊、個人信息的查找與修改、成績的查詢與打印等，如圖4所示。

圖4 學員信息

個人信息和成績的查詢可按姓名、學號、班級、單位進行單項查詢或者多項查詢，其核心代碼如下

for nRow =1 to nCnt+1 step 1

#List.SetImage(1,nRow,If(#All.Val(4,nRow)>0,"Women.ico","Men.ico"));//男女頭像

#List.SetTxt(2，nRow, #All.Txt(2,nRow));//學號

#List.SetTxt(3，nRow, #All.Txt(3,nRow));//姓名

#List.SetVal(4，nRow, #All.Val(4,nRow)); //姓別

#List.SetTxt(5，nRow, #All.Txt(5,nRow)); //班級

#List.SetTxt(6，nRow, #All.Txt(6,nRow)); //單位

#List.SetTxt(7，nRow, #All.Txt(7,nRow));//聯系電話

#List.SetTxt(8，nRow, #All.Txt(8,nRow));//備注

#List.SetTxt(8，nRow, #All.Txt(8,nRow));

4.2 畫面顯示

程序可顯示操作流程，能清晰地展示操作的環節。還可對學員的操作過程進行視頻同步投放，學員穿戴安裝無線攝像頭的安全帽，講師在控制臺控制畫面的接收并投放到熒幕上，并且在錯誤環節還可以分屏播放三維動畫。學員打開展板防噴器時，系統自動播放鎖緊軸運動視頻，如圖5所示。

圖5 流程顯示圖

4.3 數據保存和趨勢分析

控制臺除完成工藝流程的畫面監視外，還可對數據進行保存，生成相應格式的報表，并可對歷史和實時數據進行其趨勢的實時觀察，工程師法壓井中套壓的走勢圖，如圖6所示。

圖6 壓力走勢圖

可對套壓值進行實時宏觀的觀察，并可對曲線進行設置，設定曲線的顏色、線型、背景顏色等，并對X、Y軸的刻度值進行設定及分割點數目。

4.4 評分功能

學員在某一考核項目下進行操作，當考試結束后，點擊考試結束按鈕，進入評分界面。在評分界面中點擊成績評分按鈕，評分界面顯示本次考核學員的基本信息、考核操作記錄以及考核成績。點擊保存按鈕，本次考核學員的所有考核信息將全部存入數據庫。點擊打印按鈕，可打印學員成績單，方便教師進一步評價學員成績，如圖7所示。

圖7 考核評價表

//扣分項

for i = 1 to nRowCount + 1 step 1

if #FreeReport2.Val(7,i) > 0 then

#FreeReport3.InsertRow(#FreeReport3.RowCount()-2,1);

#FreeReport3.SetTxt(1,#FreeReport3.RowCount()-2,#FreeReport2.Txt(1,i));

#FreeReport3.SetTxt(2,#FreeReport3.RowCount()-2,#FreeReport2.Txt(4,i));

#FreeReport3.SetTxt(4,#FreeReport3.RowCount()-2,#FreeReport2.Txt(7,i));

nFlag = nFlag + 1;

endif

next

//得分

for i = 1 to nRowCount + 1 step 1

nGetPiont = nGetPiont + #FreeReport2.Val(6,i);

nJianPiont = nJianPiont + #FreeReport2.Val(7,i);

next

#FreeReport3.SetVal(2,#FreeReport3.RowCount(),nGetPiont-nJianPiont);

4.5 通信狀態監視及異常報警

在控制臺和PLC機柜能夠監測各設備間的通信是處于正常狀態，可根據程序自檢或PLC發光二極管亮滅確定故障位置。控制臺還可以設置異常報警顯示，當溫度、壓力超出系統設定界限時，在操作畫面上彈出報警信息。

5 總結

井控實物仿真培訓系統的研發為井控培訓增添了新的教學途徑、教學訓練項目和設備，是有效提高員工實踐能力的重要途徑。該系統的使用，不僅可以提高學員學習的積極性，加深學員對井控理論知識的理解和掌握，還可以進行與井控現場相似的模擬操作，提升學員井控工藝的基本技能，達到井控培訓的目的，避免了因誤操作等不安定因素導致的風險，為學員今后快速適應井控工作打下了堅實的基礎。

[1] 李玉軍.遼河油田井控安全管理研究[D].大連：大連理工大學,2013.

[2] 崔數清,劉順良.著力提高井控技術培訓質量從源頭杜絕井噴失控事故[J].石油教育,2011.6:12-13.

[3] 劉力.組態軟件在PLC實驗系統中的應用[J].實驗室研究與探索,2014(4):127-129.

[4] 張勇,侯立剛,肖炎良,周翔.工控組態軟件實時數據庫系統的開發與設計[J].自動化儀表,2011(12):28-30.

[5] 石靈丹,華斌,朱歆州,吳明,基于OPC技術的PC與西門子PLC的實時通訊[J].船電技術,2011(1):9-12.

Design and Implementation of Well Control for Simulation Training System

Zhang Fangzhou， Gu Xuefeng

(College of Computer and Information Technology, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

Well control simulation training system is designed for solving the problems that practice teaching lecks and the the assessment process is not strict and so on. Well control simulation training system is reformed in real well control equipment, using PLC as the control basis, and Purple Bridge configuration software as the development tool. The system realizes the function of the combination of the coach and the scientific assessment, can make up for the deficiency of the traditional training, and effectively improve the quality of well control training.

Well control training; Hardware simulation; PLC

中國石油天然氣集團公司重大專項(2013E-38-09)

張方舟(1973-)，男，河南商丘，東北石油大學，教授，博士，研究方向：為計算機網絡安全 顧雪峰(1990-)，男，黑龍江綏化，東北石油大學，碩士，研究方向：數字媒體

1007-757X(2017)03-0035-03

G40-057

A

2016.09.11)