電動鉆機信息服務系統設計

李慶福， 史金紅， 李娜， 袁方， 田德寶， 楊豐博， 馮帆， 秦弈涵， 邱立波

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞721000；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞721000）

0 引 言

目前電動鉆機各系統設備信號檢測傳感器較少并且鉆機數據沒有統一收集管理，導致鉆探公司管理單位無法及時掌握鉆機的實時運行情況，鉆機出現問題時無法提前預警并及時解決，影響鉆井效率。為使鉆探公司管理單位能夠及時掌握鉆機的實時運行情況及提高鉆井效率，必須對鉆機各系統設備數據進行采集并統一進行監測管理。

1 電動鉆機監控系統方案設計

電動鉆機信息服務系統以鉆機配套的轉盤、絞車、泥漿泵、頂驅、鉆機電控系統、鉆井儀表系統、柴油發電機組、管柱處理設備（主要包括動力貓道、鐵鉆工、鉆臺機械手、二層臺機械手等）等關鍵系統設備作為監控對象，采集各關鍵系統設備的數據信息，鉆機電控系統（包含轉盤、絞車、泥漿泵數據信息）、鉆井儀表系統、柴油發電機組、頂驅均通過TCP/IP工業以太網有線通信方式將數據傳輸至鉆機現場歸檔服務器，TCP/IP工業以太網通信方式可靠性高、數據傳輸速度快、實時性強、支持各種主流局域網絡協議[1]。管柱處理設備通過無線傳輸方式將數據傳輸至鉆機現場歸檔服務器。鉆機現場歸檔服務器將收集的鉆機數據信息通過無線方式傳輸至隊長辦公室后臺服務器，隊長辦公室后臺服務器以4G網絡通信方式將鉆機數據信息傳輸至隊長辦公室監測單元（實時在線監測單臺鉆機的運行情況）和鉆探公司監測單元（實時在線監測多臺鉆機的運行情況）。可實現實時數據監測、數據異常報警、維護保養提示、故障分析、音頻遠程支持、設備型號查詢等功能。現場信息的集成是鉆機發展的必然趨勢，高度集成的現場信息將極大增強鉆探公司對鉆機運行情況的掌握，通過傳感器進行現場信息的采集，通過計算機網絡系統統一監控，實現集中管理[2]。電動鉆機信息服務系統網絡圖如圖1所示，電動鉆機信息服務系統包括現場數據采集單元、遠程傳輸單元、在線監測單元等。

1.1 現場數據采集單元設計

主要由數據采集部分、網絡交換機、鉆機現場歸檔服務器等設備組成。網絡交換機和鉆機現場歸檔服務器安裝在鉆機電控房內，數據采集部分通過與網絡交換機的通信實現數據上傳至鉆機現場歸檔服務器，鉆機現場歸檔服務器對鉆機數據信息進行處理并進行歸檔，鉆機數據信息主要包括鉆機電控系統數據信息、轉盤數據信息、絞車數據信息、泥漿泵數據信息、管柱處理設備數據信息、鉆井儀表系統數據信息、柴油發電機組數據信息、頂驅數據信息等。

圖1 電動鉆機信息服務系統網絡圖

1）鉆機電控系統數據采集設計。鉆機電控系統主要由主電動機驅動器（SCR柜或變頻器）、MCC配電系統、鉆機電控系統PLC等組成，主電動機驅動器（SCR柜或變頻器）、MCC配電系統、鉆機電控系統PLC均安裝在鉆機電控房內，用于轉盤、絞車、泥漿泵主電動機的驅動控制以及鉆機井場設備供電等。控制系統以PLC為控制核心，PLC與主電動機驅動器及MCC配電系統之間通過通信的方式進行連接，并通過PLC對其進行控制。

a.主電動機驅動器（SCR柜或變頻器）數據采集設計。電動鉆機的轉盤、絞車、泥漿泵主電動機通過鉆機電控房內的SCR柜（用于驅動控制直流電動機）或變頻器（用于驅動控制交流變頻電動機）進行驅動控制，SCR柜或變頻器與鉆機電控系統PLC進行通信并由PLC對SCR柜或變頻器進行控制。SCR柜和變頻器通過自帶的檢測模塊檢測自身的電流、電壓、轉矩、速度、故障信息、狀態顯示等信號，并通過與PLC通信的方式將信息傳輸至鉆機電控系統PLC。鉆機電控系統PLC與現場數據采集單元的網絡交換機通過工業以太網通信方式將鉆機電控系統的數據信息傳輸給鉆機現場歸檔服務器。

b.鉆機電控房MCC配電系統數據采集設計。MCC配電系統每個配電回路配置測量模塊（檢測電壓、電流等）、通信模塊，用于采集配電回路的數據信息，配電回路的通信模塊通過與鉆機電控系統PLC進行通信將數據傳輸至鉆機電控系統PLC。可對MCC配電系統中每個配電回路進行全面的管理、控制和保護，以減少設備端的故障停機時間，提高工作效率。鉆機電控系統PLC與現場數據采集單元的網絡交換機通過工業以太網通信方式將MCC配電系統的數據信息傳輸給鉆機現場歸檔服務器。

c.游車高度數據采集設計。在絞車滾筒軸安裝編碼器，由鉆機電控系統PLC采集編碼器信號,精確計算出當前游車的高度，鉆機電控系統PLC與現場數據采集單元的網絡交換機通過工業以太網通信方式將游車高度的數據信息傳輸給鉆機現場歸檔服務器。

2）轉盤、絞車、泥漿泵數據采集設計。通過配置轉盤、絞車及泥漿泵的主電動機繞組溫度傳感器、潤滑油壓傳感器、測速編碼器等檢測傳感器檢測相關信號并將信號連接至相應設備主電動機接線箱，通過鉆機電控系統與相應設備主電動機接線箱之間的多芯控制電纜備用線芯將上述信號接入鉆機電控系統PLC。各設備主電動機的電流、電壓、轉矩信號通過各自主電動機驅動器（SCR柜或變頻器）直接采集并有線通信傳輸給鉆機電控系統PLC。各設備的啟停、檔位反饋、運行反饋等信號均通過鉆機電控系統PLC進行直接采集。鉆機電控系統PLC與現場數據采集單元的網絡交換機通過工業以太網通信方式將轉盤、絞車及泥漿泵的數據信息傳輸給鉆機現場歸檔服務器。

3）管柱處理設備數據采集設計。管柱處理設備主要包括動力貓道、鐵鉆工、鉆臺機械手、二層臺機械手等子設備，用于完成鉆桿、鉆鋌或套管等管柱的輸送、連接和排放作業。每個子設備控制箱自帶PLC控制器對設備進行控制，各子設備通過配置相關傳感器檢測轉速、行程、管線壓力、電流、轉矩、狀態反饋等信號，并將檢測到的信號傳輸至各自PLC。考慮到各管柱處理子設備布局比較分散，與鉆機現場歸檔服務器有線通信連接不便的情況，在每個管柱處理子設備控制箱中配置1個無線發射模塊，無線發射模塊與各自PLC控制器進行有線通信連接，同時在鉆機現場歸檔服務器附近配置1個無線接收模塊用于接收各管柱處理子設備的數據信息，無線接收模塊與鉆機現場歸檔服務器采取有線通信連接，將接收到的數據信息存儲在鉆機現場歸檔服務器。

4）鉆井儀表系統數據采集設計。鉆井儀表系統通過配置懸重、立管壓力、吊鉗轉矩、泵沖、游車位置、游車速度、出口泥漿返回量、泥漿罐泥漿體積（液位）的檢測傳感器，直接檢測上述儀表參數信號。通過儀表系統計算間接檢測鉆壓、累計泵沖、泥漿泵排量、井深、鉆頭深度、噸公里，以及其它鉆井工程用衍生參數。

鉆井儀表系統的DAQ數據采集單元與檢測傳感器之間通過CAN總線方式進行通信并采集所有鉆井儀表參數，DAQ數據采集單元通過CAN總線通信方式將全部鉆井儀表參數傳輸至鉆井儀表系統OPC服務器，OPC服務器將儀表系統參數進行分類、設置、存檔。儀表系統OPC服務器（安裝在鉆機電控房內）與現場數據采集單元的網絡交換機通過工業以太網通信方式將鉆井儀表系統的數據信息傳輸給鉆機現場歸檔服務器。

5）柴油發電機組數據采集設計。每臺柴油發電機組自帶1個柴油發電機組數據采集單元，用于采集柴油發電機組中發動機及發電機的相關數據參數。柴油發電機組與鉆機電控房并列擺放，每臺柴油發電機組數據采集單元分別與現場數據采集單元的網絡交換機通過工業以太網通信方式將柴油發電機組的數據信息傳輸給鉆機現場歸檔服務器。

6）頂驅數據采集設計。頂驅自帶電控房，頂驅電控房內主要配置有變頻器、PLC控制器等，用于頂驅的驅動控制，頂驅變頻器與頂驅PLC之間采用有線通信連接并由PLC對變頻器進行控制。頂驅的電流、電壓、轉矩、故障信息等信號由頂驅PLC直接在頂驅變頻器上通過有線通信方式進行采集。通過配置頂驅測速編碼器、頂驅吊環傾斜檢測傳感器、背鉗狀態檢測傳感器、IBOP閥狀態檢測傳感器等檢測元器件檢測頂驅轉速、狀態反饋等信號，并將信號接入頂驅PLC。頂驅PLC與現場數據采集單元的網絡交換機通過工業以太網通信方式將頂驅的數據信息傳輸給鉆機現場歸檔服務器。

1.2 遠程傳輸單元設計

主要由無線網橋組成，在鉆機現場和隊長辦公室分別配置一套無線網橋，鉆機現場歸檔服務器與鉆機現場無線網橋之間、隊長辦公室無線網橋與隊長辦公室后臺服務器之間均采用工業以太網通信方式進行連接，通過無線網橋以無線傳輸方式將鉆機現場歸檔服務器內的所有數據信息傳輸至隊長辦公室后臺服務器。無線通信中的信息傳輸是以電磁波為傳輸載體，信息數據通過電磁波的傳輸，到達指定接收的網絡計算機中，不受任何電路的范圍限制，方便快捷[3]。

1.3 在線監測單元設計

在線監測單元包括隊長辦公室后臺服務器、隊長辦公室監測單元、鉆探公司監測單元。隊長辦公室后臺服務器以4G網絡通信方式將鉆機數據信息傳輸至隊長辦公室監測單元和鉆探公司監測單元。

隊長辦公室后臺服務器用于存儲鉆機數據信息并進行歸檔。隊長辦公室監測單元主要由監測工作站、授權的網絡賬號等組成。隊長辦公室監測單元通過4G網絡接收來自隊長辦公室后臺服務器的數據信息，監測工作站設計轉盤、絞車、泥漿泵、頂驅、鉆機電控系統、柴油發電機組、管柱處理設備等關鍵設備參數的監測頁面用于各設備運行狀態監控。對系統用戶進行驗證和權限管理，為不同對象提供不同的訪問權限[4]，隊長辦公室人員通過登錄授權的訪問網址和登錄帳號，即可實現被監測鉆機參數實時顯示、參數異常報警、故障分析、維護保養提示、設備型號查詢等功能。可根據需要查看被監測鉆機轉盤、絞車、泥漿泵、頂驅、鉆機電控系統、柴油發電機組、管柱處理設備等關鍵設備參數的監測頁面，并對監測的數據進行歷史數據查詢。

鉆探公司監測單元主要由電腦、4G網絡、授權的網絡賬號等組成。鉆探公司監測單元通過4G網絡接收來自隊長辦公室后臺服務器的數據信息，對系統用戶進行驗證和權限管理，為不同對象提供不同的訪問權限，鉆探公司相關人員通過登錄授權的訪問網址和登錄帳號，即可實現被監測鉆機參數實時顯示、參數異常報警、故障分析、音頻遠程技術支持、維護保養提示、設備型號查詢等功能。可根據需要查看具體鉆機轉盤、絞車、泥漿泵、頂驅、鉆機電控系統、柴油發電機組、管柱處理設備等關鍵設備參數的監測頁面，并對監測的數據進行歷史數據查詢。可實時在線監測其所管理的多臺配備該系統的鉆機實際運行情況，通過故障診斷流程圖編寫故障診斷程序、收集故障診斷工程案例、整理現場故障診斷經驗等多種方式建立專家故障診斷數據庫[5]，為鉆探公司管理單位遠程集中管理和決策提供信息支持。

2 結 語

通過配置鉆機信息服務系統，鉆探公司管理單位可實現被監測鉆機參數實時顯示、參數異常報警、故障分析、音頻遠程技術支持、維護保養提示、設備型號查詢等功能。可根據需要查看具體鉆機轉盤、絞車、泥漿泵、頂驅、鉆機電控系統、柴油發電機組、管柱處理設備等關鍵設備參數的監測頁面，并對監測的數據進行歷史數據查詢。可實時在線監測其所管理的多臺配備該系統的鉆機實際運行情況，為鉆探公司管理單位遠程集中管理和決策提供信息支持。有利于迅速解決鉆機現場出現的問題，提高鉆井效率，保證鉆機安全可靠運行。