一種基于PROFINET的鉆井平臺排管機中央控制系統*

王鴻儒

(太原重工 技術中心，山西 太原 030024)

1 設備功能和組成

海洋鉆井平臺是一種大型海上石油鉆井設備，在鉆井工藝過程中以排管過程最為復雜，需協調控制多臺設備完成鉆桿的排放工作[1]。排管機是鉆桿排放系統的關鍵設備，其主要用在貓道機、動力鼠洞、指梁盒以及井口之間往返抓取與排放鉆桿。傳統的鉆桿操作方法需要操作人員手動操作多臺設備并配合鉆臺人工輔助，有較大的安全生產風險且生產節奏較慢，常常無法滿足海上惡劣環境的生產要求。因此，加快生產節奏、提高生產過程安全性是排管過程中所需要達到的目標。通過PROFINET網絡將鉆井平臺設備進行聯網，全面提高鉆井平臺設備的自動化程度，可以有效地減少人與鉆桿的直接接觸，提高鉆井平臺的整體安全性，為實際生產帶來顯著效益。

2 工藝流程

排管過程主要由以下4個工藝流程組成，分別是接立根、拆立根、起鉆和下鉆。接立根是指將單根鉆桿接成立根(3根鉆桿連接后的名稱)并送入指梁盒的工藝流程。拆立根是指將立根從指梁盒取出并拆成3根鉆桿的工藝流程。起鉆是從井口取出立根并送至指梁盒的工藝流程。下鉆是從指梁盒取出立根并送至井口的工藝流程。以雙鼠洞排管機接立根過程為例，該流程包含貓道機送鉆桿、排管機接鉆桿、排管機送鉆桿至鼠洞和鐵鉆工上扣等具體步驟，如圖1所示。

圖1 接立根工藝流程

拆立根工藝過程可以理解為接立根流程的逆過程，如圖2所示。

圖2 拆立根工藝流程圖

起鉆、下鉆工藝流程分別如圖3、圖4所示。

圖3 起鉆工藝流程 圖4 下鉆工藝流程

工藝流程中，每一步都需要相應設備執行多個動作。以排管機接鉆桿為例，此步驟包含排管機行走至井口、旋轉至接鉆桿位、上臂伸出至接鉆桿位、下臂收回至避讓位、上臂絞車下降至接鉆桿位、吊卡旋轉至接鉆桿位并翻轉、吊卡伸出并將兩個卡鉗松開。其他步驟亦是如此。故若同時手動操作排管機、鐵鉆工、貓道機等多個設備，操作人員工作量極大、效率很低且易于出錯。

3 PROFINET網絡

PROFINET 網絡是創新的開放式工業以太網標準，適用于工業自動化系統，融合了PROFIBUS總線技術和工業以太網技術的優點，具有開放性、靈活性、高效率和高性能四大優勢，對于提高生產效率有著極大意義[2]。PROFINET網絡支持大型項目的工程應用和網絡組態，真正實現了從現場設備層到管理層的全面數據交互。PROFINET 網絡技術為工業自動化項目提供了更加靈活高效的網絡基礎，在PROFINET網絡的統一架構下用戶可以在所有平臺上進行快速安全的數據交換，使得所有分散的機械設備、資源信息、管理方案等網絡連接方式實現統一。

本系統中，通過PROFINET網絡星形連接中央控制PLC、貓道機PLC、排管機PLC、液壓站PLC、鐵鉆工PLC、防碰撞PLC和頂驅鉆井系統PLC等各控制單元，與此同時處于下一層級的各設備操作元件、執行元件和檢測元件采用PROFINET網絡串行連接。排管系統PROFINET網絡如圖5所示。

圖5 排管系統PROFINET網絡

4 中央控制系統

排管機中央控制系統主要實現排管機及相關設備的操作和控制功能，以改變傳統手動操作繁瑣過程，使操作人員從繁雜的操作過程中解放出來，降低勞動強度。根據排管工藝流程，在中央控制系統中進行工藝過程實現，充分考慮多設備協調動作時可能涉及的各類安全問題，保證設備穩定運行。

中央控制系統主要分為兩類權限：第一類是操作人員(司鉆)，具有操作設備的權限；第二類是維護人員，主要對設備進行檢修和維護。操作人員可以根據設備的實際狀況，選擇全自動運行或者半自動運行模式。在設備狀態正常時，通常以全自動模式運行排管過程。操作人員只需預先選擇要執行的工藝過程(即接立根、拆立根、起鉆和下鉆)，之后啟動相應自動過程即可。在設備自動運行過程中，操作人員可以暫停自動運行過程，對設備進行手動微調，以解決生產過程中偶然遇到的問題，之后返回自動運行過程繼續執行自動流程。半自動運行主要在部分特殊情況下進行生產時使用，此模式主要將生產工藝過程拆解為幾個關鍵步驟，通過依次點擊關鍵步驟按鈕，即可實現排管機及其他設備的聯動，完成整個工藝過程。以接立根流程為例，中央控制系統功能如圖6所示。

用戶權限管理司鉆登錄維護人員登錄預設值信息確認檢測元件標定半自動運行模式全自動運行模式檢修模式一鍵接鉆桿一鍵送管至鼠洞1一鍵送管至鼠洞2一鍵接雙鉆桿一鍵接三鉆桿一鍵放指梁一鍵執行接管全流程手動操作各執行元件進行測試綜合故障報警與運行狀態記錄

圖6中央控制系統功能

與此同時，中央控制系統還擁有強大的故障報警和記錄功能。系統通過網絡將各設備故障報警進行匯總記錄，使得維護人員無需從各設備處查詢故障記錄，減輕了維護工作量。與此同時，系統還可以對設備運行狀態進行詳細記錄，對于故障發生時各設備所處狀態進行復現，為故障的分析和處理提供了數據基礎。

5 結束語

海洋石油鉆井平臺工作環境惡劣，生產過程危險性較高。鉆井排管機系統的控制方式對提高海洋石油鉆井作業安全性及降低作業成本具有重要作用。本文設計的排管機控制系統可以同時控制鉆臺上所有排管設備，兼具全自動及半自動靈活操作模式，具有運行穩定、操作便捷等優勢。在不遠的未來，結合視覺識別、人工智能等先進技術，可以將中央控制系統進一步升級至遠程鉆井或無人鉆井等智能控制方式，開拓智能鉆井的新方向。