全套管柱自動化集成控制系統開發與應用

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

鉆井技術四大開發階段分別是經驗鉆井、科學鉆井、自動化鉆井以及智能化鉆井。目前我國鉆井技術正處于自動、智能鉆井技術同步開發的初級階段[1]。石油工業近年來發展迅速，迫切需要高度自動化的管柱處理系統，以降低鉆井成本，提高鉆井質量，減低事故率，縮短鉆井周期。

傳統的陸地鉆機管柱處理依靠地面、鉆臺、二層臺的工人純手工操作，管柱從料場移送到正對鉆臺斜坡的位置，之后沿斜坡拉拽到鉆臺上，進行接立根操作和立根排放。在整個過程中，需要工人進行搬運鉆桿、提卡瓦、拉立根等強度很大的工作，尤其是高空操作者，需要在距離地面三十多米的二層臺進行手工操作，效率低，勞動強度高，更易發生安全事故[2]。在整個鉆井流程中，有30%以上的時間花費在起下鉆等管柱處理作業上，特別是深井鉆機在工作過程中需要頻繁的起下鉆所花費時間更多[3]。

要解決該問題，必須改變管柱處理作業的方式，即把自動控制技術運用到鉆井裝備上，通過傳感器、控制器及執行機構控制和完成管柱處理工作，一方面減輕工人勞動強度，另一方面降低由于惡劣環境和疲勞大意等造成的危險事故的發生概率，進而保障人員安全。全面實現管柱處理自動化是實現鉆機智能高效工作的必由之路，與之相匹配的自動化、智能化管柱處理系統就顯得尤為關鍵。

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

在相關研究的基礎上，本文研制了全套管柱自動化集成控制系統，采用區域化管理和雙機雙控方式實現整個通信系統的運行，并采用多重互鎖技術和AI監控確保設備的平穩運行及操作安全。與傳統集成控制系統相比，該系統自動化及智能化程度更高，具有鉆機鉆進過程安全、高效、少人化的特點。

1 集成控制系統原理

1.1 總體介紹

集成控制系統主要通過鉆機配套的管柱自動化處理裝置進行集成控制；通過對絞車、泥漿泵、轉盤、頂驅、電控系統等直接驅動和控制實現鉆進；通過控制二層臺排管裝置、吊卡、鉆臺機械手、泥漿防濺盒、螺栓緊固油噴涂設備、鐵鉆工、動力卡瓦、液壓動力集成系統設備實現起下鉆；通過控制動力貓道、液壓動力集成系統、緩沖機械手裝置實現下套管等過程中管柱傳送和搬運的智能化，同時實現地面區、鉆臺區和二層臺區所有裝置的區域化指揮、統籌管理，在系統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]。該系統通過旋鈕、按鈕和手柄等向各機具發送控制命令，并采集各機具的實時數據和狀態進行分析處理，完成井區到地面料區整個鉆井流程的一體化作業，人員只需承擔部分輔助作業，減少了工人的數量和勞動強度，實現了全套管柱自動化“一鍵式操作”，同時采用離散式網絡集成控制各機具，實現對系統內單一裝置進行局部操控。

1.2 網絡拓撲

網絡拓撲結構是指用傳輸電纜、無線等傳輸介質互聯的全套管柱自動化設備物理布局。本系統采用星形網絡拓撲的方式，以運動控制器為中央節點，其他節點都與中央節點直接相連，構建了分類、分層級的多源數據設備點至點的鏈路連接方式，如圖1所示。其中，手柄1和手柄2 以及按鍵面板通過CAN 總線通信技術與運動控制器之間進行數據互通，緩沖臂通過電控液，鐵架工、扶桿臂、液壓站通過交換機1 和運動控制器進行數據交換；視頻監控系統和運動控制器之間采用RS485總線進行數據交換。兩臺工業計算機與運動控制器之間使用交互式以太網技術通過交換機2進行數據交換。鐵鉆工、動力貓道等管柱處理設備使用以太網技術，通過PLC進行互動并通過交換機2實現與兩臺工業計算機之間的信號傳輸，最終實現采用雙機雙控的方式實時顯示和控制的目的。

圖1 設備通信方式

控制層打破了以往對各系統獨立進行數據采集與控制的傳統方法，采取標準化、通用化、高集成化的控制單元模塊對全套管柱自動化集成控制系統實施數據采集、通信與控制的網絡拓撲架構。

為應對井場風暴、風沙侵蝕等惡劣工況對本系統的影響，保障系統正常運行，集成控制系統采用獨立備用通信系統模式，兩套相互獨立的通信系統相互兼容、相互切換、互為備用。在系統中各組成部分之間，采取多源、多渠道、多維的數據采集、信號傳遞技術方法，信號通信、數據傳輸均采取雙回路、雙備份等技術手段，確保控制系統的可靠性。

2 重點組成結構設計

全套管柱自動化集成控制系統設計主要從3個方面著手：視頻監控設計、安全互鎖設計、鉆臺面AI智能監控。

2.1 視頻監控系統

視頻監控系統以行業標準《安全防范工程技術標準》為依據進行設計和實施。監控系統主要由前端高清網絡攝像頭、傳感器及監控軟件組成，是整個司鉆集成的“感知”系統，能為司鉆操作者提供不同區域的監控畫面，以及控制各設備的關鍵技術參數。

2.2 鉆臺面AI智能監控

鉆臺面AI智能監控系統主要由監控終端（攝像頭）、視頻AI 大腦、監控管理平臺、IOT 云組成，框架如圖2所示。該系統將物聯網、大數據、人工智能等新技術集成到已有的安防監控系統，實現監控設備智能化升級，實現24 h 監測和視頻數據采集。針對應用場景進行視頻AI 算法調優，最大化地將井場現有數據進行分析，獲得精準數據用于管理決策。對井場環境、人員、物品、行為軌跡進行安全風險識別，主動識別不安全因素，及時為井場人員提供報警、提醒服務，節約人力成本的同時真正做到了全天候為每個井隊保駕護航。

圖2 鉆臺面AI智能監控系統框架

3 安全互鎖

安全互鎖設計主要由設備控制器和中央控制器對設備間互鎖、自鎖發布指令實施。設備運行前，設備控制器通過標定的方式，把設備在實際運動中的空間位置與運動編碼器建立對應關系。設備運行時，設備控制器不斷收集設備運動位置信息，當有其他設備進入設備重合運行區域時，設備控制器向中央控制器程序發出排他指令，禁止其他設備進入此區域，從而達到防止設備碰撞的目的。設備開合狀態通過設備控制器發給中央控制器，中央控制器根據各設備的當前狀態和互鎖清單判定此設備是否允許開關，互鎖清單如圖3所示。

圖3 設備互鎖清單

4 應用效果分析

目前全套管柱自動化集成控制系統已經在某石油工程公司8 000 m鉆機現場應用，現場未出現硬件故障，硬件系統運行穩定，軟件程序運行良好，各類安全保護機制運行穩定可靠。其中，集成控制系統應用視頻監控系統和鉆臺面AI 智能監控已經實現對井隊現場的火苗煙霧、安全帽、吸煙、人臉及跟蹤等20多項功能進行實時監測，以及對鉆臺面各管柱自動化處理設備的待機狀態和運動情況進行實時監測，如圖4所示。

圖4 鉆臺面AI智能監控系統全套應用

在該石油工程公司的現場應用，充分體現了全套管柱自動化集成控制的優勢：（1）安全：通過冗余雙司鉆系統控制、多重互鎖技術、AI 視頻監控等方式，優化空間余量管理，減小系統對正常操作的影響，并對人員進入安全紅區進行預警識別，全方位保障作業安全；（2）高效： 通過單機多軸聯動、人機交互聯動、多機協作聯動，在某些設備交接處通過設備并行運動的方式，節省整體運行使用時間；（3）少人化/減少勞動強度：起下鉆過程司鉆值守，工藝流程化操作替代單一設備操作，自動化程度高，保障操作工安全的同時，又降低勞動強度。

但是該系統目前在非成套設備上的控制還有一定的技術屏障，無法有效集成非成套設備，后續將對此技術進行更進一步的研發與測試。

5 結束語

本文研制的全套管柱自動化集成控制系統具有以下特點。

（1）全套管柱自動化集成控制系統采用星形網絡拓撲的方式，以運動控制器為中央節點，其他節點都與中央節點直接相連，構建了分類、分層級的多源數據設備點至點的鏈路連接方式，實現兩臺工業計算機之間信號傳輸。最終實現采用雙機雙控的方式實時顯示和控制的目的，有效提高了整體聯動的順暢性和同步性。

（2）集成控制系統采用獨立備用通信系統模式，應對井場風暴、風沙侵蝕等惡劣工況對本系統的影響，保障系統正常運行。兩套相互獨立的通信系統相互兼容、相互切換、互為備用，確保控制系統的可靠性。

（3）具備視頻監控系統、安全互鎖系統和鉆臺面AI智能監控。為司鉆操作者提供不同區域的監控畫面，以及控制各設備的關鍵技術參數。可有效防止設備碰撞和對人員進入安全紅區進行預警識別，全方位保障作業安全。

與傳統管柱處理系統相比，本文研制的全套管柱自動化集成控制系統自動化智能化更高，單部件多軸聯動、人機交互聯動及多機協同聯動，配合司鉆房一鍵式操作，同時采用離散式網絡集成控制各機具，對系統內單一裝置進行局部操控，實現了全套管柱自動化的高效運行，降低工人勞動強度。

全套管柱自動化集成控制系統的應用使起下鉆速率實現了質的飛躍，在極大提高效率的同時也大大提高了安全性。后續將進一步簡化司鉆操作流程，使自動化程序更加簡潔，實現一鍵操作，同時發展管柱上卸扣算法優化工作，以期解決管柱自動化處理系統所存在的問題。