模塊鉆機集成控制系統研究

楊義

（中石化四機石油機械有限公司，湖北 荊州 434024）

1 研究意義

研究自動化設備的集成控制技術將鉆機各子系統由原來相互獨立的子系統形成完整統一的指令協調系統。研究具有故障診斷和維護功能的、指導鉆井操作的診斷系統，實現裝備的數據采集、分析處理和設備的預維護，減少停鉆時間，一種適應要求的鉆機集成控制系統是鉆井裝備發展的必然趨勢。

2 研究目標

隨著鐵鉆工、自動排管機械手、動力貓道，液壓吊卡，氣動卡瓦等自動化工具在油田鉆機配套使用的日益廣泛，研究各自動化工具的作業特性，將其串行的作業中能夠并行作業流程梳理，提高作業效率，形成自動化設備的高效集中控制；由于各自動化工具與提升系統的運行軌跡有許多重疊的區間，同時各工具與提升系統在管柱安全交接，都存在著一定的安全風險，因此有必要對此風險進行評估，并通過控制軟件來實現安全互鎖保護；提高自動化作業的安全可靠性；作為設備控制核心的主副司鉆集成控制系統是有效的解決手段。鉆井裝備診斷系統，收集設備的使用維護信息，解決設備故障診斷與排查難度大，預維護功能缺失等問題。

（1）自動化設備的集中控制技術：集成化電子司鉆系統集鉆機電、氣、液控制于一體,實現司鉆對鉆機的整體監測與控制。鉆機各子系統來自不同配套商[2]（例如：儀表、視頻監控、主機電控、頂驅、主剎、自動貓道，鐵鉆工，自動井架工等等），各系統分別配有各自的操作臺（箱）在司鉆房，不同配套商間的產品操作、顯示終端風格不一致，導致了司鉆房布置人性化不足，司鉆操作繁鎖。自動化設備的集中控制技術將鉆機各子系統由原來相互獨立的子系統形成完整統一的指令協調系統。集中控制功能圖如圖1。

圖1 集中控制功能圖

（2）集成控制系統安全可靠技術：控制系統作為鉆機的指揮核心，負責鉆機各個設備的工作控制和狀態監視，系統設計理念的合理性、硬件電路的可靠性、軟件程序的完善性等都關乎著安全。區域安全聯鎖圖如圖2。

圖2 區域安全聯鎖圖

3 研究方法

研究各作業工況下的鉆機自動化工具的自動操控工藝流程和安全保護措施，結合各自動化工具空間狀態分析和動作分解，形成各工況下鉆井作業的全自動控制流程；進行司鉆操控系統人性化布局設計，研究自動化鉆機司鉆協同作業模式；以雙PLC冗余控制器為核心，建立執行層、控制層、監控層三級總線網絡架構，進行集成控制系統硬件冗余設計，實現雙冗余司鉆協同操作；依托高性能IPC，進行鉆井儀表、電子防碰、設備操作、流程顯示、狀態監控、故障診斷為一體的集成人機界面軟件開發，從而構建集成控制系統，實現自動化鉆井裝備高效、安全、可靠運行。

通過研究鉆井裝備多參數、多變量、多耦合條件下故障智能診斷的理論和方法，建立包含模糊邏輯規則、系統分析預測有機結合構成的系統知識庫，形成具備在線故障診斷功能的軟件模塊；結合裝備運行時間及關鍵零部件使用壽命及維保需要，探索鉆井裝備預維護規則，形成預維護軟件模塊。

4 擬解決的關鍵問題

（1）研究鉆機各工況下的自動化工具的工藝流程形成各工況下鉆井作業的全自動控制流程是解決鉆井作業勞動強度大、操作人員多、危險性高的問題，實現危險區域的無人作業的關鍵技術問題。

（2）如何協調鉆機子系統，由原來相互獨立的子系統形成完整統一的指令協調集成控制中心是解決司鉆高度集中，作業強度大的關鍵技術問題。

（3）研究鉆井裝備信息有效利用技術，如何實現鉆井裝備全生命周期管理，解決設備預維護的關鍵技術問題。

（4）如何建立模糊邏輯規則、系統分析預測相結合的設備數據及故障診斷知識庫，防止鉆機出現故障給企業帶來不必要的損失，是鉆機設備故障診斷關鍵技術問題。

5 結語

司鉆集成控制系統是整個鉆機的控制中心，應用PROFINET現場總線技術，把司鉆控制系統中的設備有機地連接在一起。通過司鉆控制臺和觸摸屏，司鉆可以進行各項鉆井操作，還可以監控設備的運行狀態。實現司鉆控制系統的自動化操作功能，以及鉆井參數的顯示、存儲、打印、遠程監控和管理。將司鉆從繁重的體力勞動中解放出來，降低了司鉆的勞動強度，使司鉆更專注于鉆井工藝，從而有效地保證了鉆井安全和鉆井質量，提高了生產效率。