海洋模塊鉆機鉆井儀表和電控系統集成優化技術研究

張 謐，張鳳紅，張 輝，李小瑞，劉立佳

1.中國石油集團海洋工程有限公司海洋工程設計院，北京 100028

2.中石油煤層氣有限責任公司忻州采氣管理區，山西忻州 036600

海洋模塊鉆機的自動化裝備主要包括絞車、轉盤、泥漿泵、頂驅、貓道及一些輔助工具和現場儀表。集成化司鉆控制系統集電、氣、液控制于一體，實現司鉆對鉆機的整體監測與控制，鉆機的各個系統均來自于不同的配套商，各系統分別配有各自的控制盤，而不同設備的操作、顯示終端風格均不一致，導致司鉆房的設計不夠精簡，司鉆操作繁瑣，并且在作業過程中容易存在安全隱患。因此，開展自動化設備的集成控制技術研究，將鉆機的各子系統由原各自獨立的設備配套商系統集成為統一的指令協調系統是海洋模塊鉆機發展的必然趨勢。

1 海洋模塊鉆機控制技術現狀

1.1 鉆井儀表系統

鉆井儀表系統主要包含三個組成部分：數據采集單元（DAQ）、鉆臺顯示單元、傳感器單元。數據采集是指從傳感器或其他待檢測設備中自動采集電量信號或非電量信號，將其送到上位機中進行分析和處理，采集的數據大多是瞬時值，也可以是某段時間內的一個特征值。鉆臺顯示單元可以實時以參數和曲線的方式記錄鉆井過程中各鉆井參數的變化，并能存儲和打印。傳感器單元采集的儀表信號主要包括：大鉤載荷、游車高度、轉盤轉速扭矩、大鉗扭矩、泥漿泵泵沖/總沖數、泥漿泵壓力、立管壓力、泥漿池液位、泥漿返回流量等[1]。鉆井儀表系統框架如圖1所示。

圖1 鉆井儀表系統框架

1.2 泥漿泵電控系統

泥漿泵通常采用變頻器（VFD）驅動，配置泥漿泵電控可編輯控制器（PLC）系統，通過設置在泥漿泵房的現場控制盤和司鉆房的司鉆控制臺（DDC）進行控制。泥漿泵控制系統現場儀表的數據包括電機繞組溫度、噴淋壓力、噴淋溫度、潤滑油壓力、潤滑油溫度、風機壓力、泵沖值等。對于泥漿泵系統的輔助電機，如灌注泵、噴淋泵等，通過泥漿泵電控PLC的遠程I/O進行信號傳輸。所有設備共同完成泥漿泵的速度控制、啟?？刂?、報警顯示及記錄等。海洋平臺模塊鉆機泥漿泵電控系統框架如圖2所示。

圖2 泥漿泵電控系統框架

1.3 絞車電控系統

絞車是海上鉆、采、修一體化平臺中鉆機部分最重要的裝備之一。主要用來起下鉆具、下套管，鉆進時控制鉆壓及送鉆，利用貓頭上、卸鉆具絲扣等工作。傳統絞車控制將絞車控制手柄、剎車、鉆井儀表均集成在司鉆房的司鉆控制臺上，獨立于其他系統[2]。海上平臺絞車電控系統框架如圖3所示。

圖3 絞車電控系統框架

1.4 頂驅電控系統

頂驅電控系統設置在海洋平臺模塊鉆機鉆井支持模塊DSM 的配電間，包括獨立的PLC 控制系統以及變頻器控制單元，主要由驅動柜、PLC控制柜、司鉆操作臺、輔助控制盒、本體站、液壓站等幾部分組成[3]，可完成鉆柱的旋轉鉆進、循環鉆井液、接單根、上卸扣和倒劃眼等多種鉆井操作。PLC 系統與各控制子站和驅動系統通過Profibus DP現場總線相連[4]。頂驅電控系統框架如圖4所示。

圖4 頂驅電控系統框架

2 集成化控制系統方案

2.1 系統組成

為滿足鉆井工藝及鉆井機械控制要求，故此對各設備的控制系統進一步集成，形成一體化電控系統網絡，并對一體化電控系統網絡的功能進行設計研究。

一體化電控系統采用設置于DSM開關間的1套可編程控制器（PLC）進行集中控制，DSM 開關間設置一體化電控系統人機接口，同時也可通過遠程I/O 和司鉆房內司鉆臺的人機接口進行控制。通過工控機（IPC）和人機界面（HMI）進行現場和遠程監控，以及司鉆參數和狀態監控，并進行數據存儲。司鉆控制系統可接受并處理現場儀表及傳感器傳輸的所有參數。

PLC包括CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊（包含繼電器模塊）、通訊模塊，所有連接至CPU 的通訊應采用PROFIBUS-DP 或光纖。系統輸出模塊可帶繼電器采用硬線控制現場設備，輸入模塊采用硬線接收現場設備信號。

一體化電控系統PLC接收來自司鉆臺的控制信號，以及來自VFD 和MCC 的狀態信號，經處理后對VFD、MCC及現場設備進行控制。

一體化電控系統是基于機械設備和儀表控制的整體性操作，通常分為3層結構。

1）運行層。支持遠程控制和監視功能，有系統管理、數據存儲、數據處理和HMI等功能。

2）控制層?？刂葡到y的核心，完成司鉆控制系統所有的控制和監視任務。

3）現場層。數據采集和命令執行，通過現場傳輸信號控制現場傳感器，從控制層接收控制信號，并完成現場控制任務。

一體化電控系統網絡設置為冗余光纖網絡，主控制器位于DSM 開關間。整個系統采用熱冗余配置，基于安全功能的組件及功能模塊采用1:1 冗余配置，包括：處理器、通信模塊、電源模塊、I/O模塊、數據通信網絡等。在DSM 和DES 開關間司鉆房設置遠程I/O，其余現場就地控制盤（泥漿泵、絞車、頂驅等）通過總線接口就近接入相應的I/O柜，進而接入光纖通信網絡，滿足鉆機的一體化控制需求。一體化電控系統框架如圖5所示。

圖5 一體化電控系統框架

一體化電控系統可與控制網絡中的各個鉆井設備控制器進行通信，如果通信中斷6 s 以上，可能是通信故障或者設備控制器故障，此時需提醒工作人員進行停機檢修。

一體化電控系統是一個獨立的集成控制系統，用于分布式監測和控制實時和存儲的鉆井數據。一體化電控系統的功能主要是收集各類現場數據，并通過一體化電控系統進行參數設置及數據顯示，包括模擬值、報警、趨勢、條形圖和儀表顯示等，具體內容如下：

1）各類鉆井設備的人機界面、運行和鉆井等圖片顯示；

2）鉆井趨勢圖；

3）包含多個設備的鉆井圖片；

4）鉆孔工藝流程；

5）報警概述；

6）網絡的通信狀態。

2.2 網絡結構

設置集成一體化電控系統滿足模塊鉆機的集成控制要求。電控系統應設置獨立的控制網絡，該網絡包括所有必要的網絡服務（DNS、DHCP、IP 地址等）。該控制網絡應包含標準的網絡組件、標準的網絡接口協議（因特網或者Profibus 網絡）。為滿足高效數據處理需求，電控系統控制網絡應劃分為現場層、控制層和管理層等不同的層級?，F場層由設備控制器到現場設備和遠程I/O，所有遠程I/O 均接入相應PLC；控制層包括用于各類設備控制的PLC控制器；管理層包括服務器以及數據處理控制器，用于管理員登陸的軟件，管理層應包括：主服務器、數據服務器、遠程診斷、操作站、打印機、網絡組件（如交換機、路由器和防火墻）、管理軟件/管理工具、便攜維護電腦。

所有網絡操作站應為一體化電控系統的子系統?？刂凭W絡選用Profibus DP 和FDL，或者為Ethernet?？刂凭W絡應為冗余設置，包括網絡拓撲結構、單臺設備失效影響的最小化等。

2.3 硬件系統

2.3.1 司鉆操作臺

一體化司鉆操作控制中心設置在司鉆房，采用觸摸屏+控制臺方式，司鉆操作臺在傳統的組合式操作臺面的基礎上進行優化，將需要操作的手柄、按鈕等集成在司鉆座椅上，滿足鉆井作業司鉆的操作控制需求。司鉆操作臺可與整個控制網絡中的各個節點通信，允許節點的增加與減少。為司鉆操作椅配備觸摸操作屏，操作屏可顯示各設備的動態操作菜單，滿足實時操作需求。另配一面數字顯示屏幕，可采用鼠標進行操作[5]。

2.3.2 主服務器

設置主服務器、數據服務器，配電控系統軟件，集成所有現場設備系統的人機接口，包括管子處理、泥漿泵運行狀態顯示等各鉆井系統狀態。該人機接口也能用于鉆井操作，從鉆井各設備控制器讀出設備報警信號并進行顯示。電子記錄軟件用于跟蹤進入V形門的所有物品。

2.3.3 數據服務器

配置數據服務器，該服務器包含用于網絡管理的域管理軟件，可配置自動鉆井系統軟件、數據庫軟件和時鐘同步軟件。數據庫軟件具有14 d的數據存儲能力。

2.3.4 遠程診斷

一體化電控系統應能支持遠程診斷計算機連接至一體化電控系統網絡。通過遠程診斷計算機，可以從臨近平臺或者陸地設備控制器、一體化電控系統服務器、數據庫服務器進行遠程診斷，以便發現故障和糾正錯誤。

2.3.5 一體化電控系統客戶端

一體化電控系統客戶端可顯示所有設備控制器和一體化電控系統主服務器的鉆井人機接口界面。該客戶端除設置在司鉆房以外，也可設置在鉆井經理辦公室、平臺中控室及陸地控制室等區域，并安裝一體化電控系統顯示軟件及時鐘同步軟件。

3 優化分析

針對當前海洋模塊鉆機鉆井儀表及電控系統進行研究，在原電控PLC 系統的基礎上進行集成，將原有的鉆井儀表系統采集的傳感器信號接入電控PLC 系統，取消鉆井儀表數據采集器DAQ，根據現場信號采集位置，就近進入DSM 主配電間的主PLC 或者DES 開關間或司鉆房的遠程I/O 模塊。該方案在優化鉆井儀表系統的基礎上節省了電纜，消除了因電纜敷設距離過遠所帶來的信號不穩定問題。

另外，對于第三方設備由集成后的電控系統統一進行管理，解決了多系統分散控制的缺陷，使各區域功能設備集中化監控[6]。一體化電控系統擴展能力大幅增強，集成各鉆井設備廠家的操作，減少了傳統的多系統界面帶來的誤操作風險，可以將司鉆從應對各類設備操作的繁重工作中解放出來，有助于生產效率的提高。

4 結束語

隨著現代工業控制系統的發展，系統趨于集成化、統一化、便于人機融合操作，本文從鉆井工藝要求及海洋模塊鉆機鉆井設備控制現狀出發，進行整體方案設計和研究，將鉆井儀表系統、電控系統及模塊鉆機第三方自動化裝備控制系統集成為一體化電控系統，為模塊鉆機的一體化監控設計提供了思路。