馬清明，江正清，董懷榮

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng)257017）①

海洋鉆井平臺(tái)鉆柱自動(dòng)化處理防碰撞控制研究

馬清明，江正清，董懷榮

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng)257017）①

鉆柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)在海洋鉆井平臺(tái)上得到越來(lái)越多的應(yīng)用，提高了工作效率，減少了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。但在整個(gè)鉆柱自動(dòng)化處理過(guò)程中，很多大型機(jī)械設(shè)備在鉆臺(tái)有限的空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)，存在設(shè)備之間運(yùn)動(dòng)軌跡上的重疊，給安全生產(chǎn)帶來(lái)了隱患。設(shè)計(jì)了1套基于周界檢測(cè)和軌跡分析的防碰撞預(yù)測(cè)系統(tǒng)，解決了由于傳感器失靈或偶發(fā)人員、設(shè)備進(jìn)入運(yùn)行軌跡可能造成的安全事故，為安全生產(chǎn)提供了有力的保障。

鉆柱自動(dòng)化；防碰撞；周界檢測(cè)；軌跡分析

海洋鉆井平臺(tái)在生產(chǎn)過(guò)程中，需要不斷地將鉆井管柱由平臺(tái)甲板輸送到二層臺(tái)，并且在二層臺(tái)實(shí)現(xiàn)接立根、卸立根、立根排放等一系列操作，這些工作以前主要由工人完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，危險(xiǎn)性高。目前，采用鉆柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)已成為海上鉆井平臺(tái)的主流操作，標(biāo)準(zhǔn)配置的1套鉆柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)包含關(guān)節(jié)吊、自動(dòng)貓道機(jī)、自動(dòng)卡瓦、動(dòng)力鼠洞、輔助提升機(jī)、二層臺(tái)立根自動(dòng)排放裝置等［1-6］。這些大型的動(dòng)力機(jī)械設(shè)備在鉆臺(tái)上有限的空間內(nèi)，自動(dòng)將長(zhǎng)尺寸的鉆柱經(jīng)過(guò)姿態(tài)變化、位置變化、角度變化等一系列處理過(guò)程，存放在立根盒里或直接接到井口的鉆具上。這需要多臺(tái)設(shè)備之間良好的配合銜接，而且有的設(shè)備運(yùn)行軌跡存在重疊的區(qū)域，需要控制程序從邏輯上予以嚴(yán)格區(qū)分。這樣在生產(chǎn)過(guò)程中，一旦有傳感器或執(zhí)行器發(fā)生故障，設(shè)備不再按照預(yù)定的速度、軌跡運(yùn)行時(shí)，可能會(huì)造成很大的設(shè)備碰撞等生產(chǎn)事故［7］。另外，如果有人或設(shè)備進(jìn)入到某個(gè)設(shè)備的運(yùn)行軌跡，很可能造成人身傷害、設(shè)備損害。因此，設(shè)計(jì)1套能夠防止設(shè)備碰撞和人身意外傷害的保護(hù)控制系統(tǒng)具有很高的應(yīng)用價(jià)值。針對(duì)這種需求，本文設(shè)計(jì)了1套依據(jù)設(shè)備運(yùn)行軌跡分析和周界檢測(cè)的防碰撞控制系統(tǒng)，并通過(guò)虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 防碰撞控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

防碰撞控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與整個(gè)鉆柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)整體進(jìn)行，控制系統(tǒng)除能夠按照工藝要求完成鉆柱的自動(dòng)化處理控制流程，還具備故障診斷和防碰撞功能。設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足鉆柱正常生產(chǎn)需要的檢測(cè)部件、控制部件、執(zhí)行部件及監(jiān)控系統(tǒng)之外，還額外增加了設(shè)備運(yùn)行周界檢測(cè)的傳感器及對(duì)運(yùn)行設(shè)備安全保護(hù)進(jìn)行斷水、斷氣、斷油、斷電的執(zhí)行部件。

整個(gè)控制系統(tǒng)采用分布式控制，西門子S7400系列PLC作為控制主站，運(yùn)行工藝邏輯控制、防碰撞控制、故障分析等程序?？刂浦髡就ㄟ^(guò)Profibus-DP掛接遠(yuǎn)程I／O，分別連接各功能分站，功能分站主要完成設(shè)備的單機(jī)調(diào)試及整機(jī)連鎖自動(dòng)控制時(shí)的數(shù)據(jù)采集上傳及控制動(dòng)作執(zhí)行。上位機(jī)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與主控PLC通訊，采用Wincc軟件平臺(tái)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行及進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定記錄、報(bào)警分析記錄等工作。系統(tǒng)的操作由集成式司控操作臺(tái)完成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 周界傳感檢測(cè)及安全判別技術(shù)

設(shè)備周界傳感檢測(cè)技術(shù)是防止偶發(fā)性的人員或設(shè)備進(jìn)入到其工作運(yùn)行軌跡的有效檢測(cè)方法。在鉆柱自動(dòng)化處理過(guò)程中，多個(gè)設(shè)備是順序協(xié)同工作的，這樣就有某些時(shí)段、某些設(shè)備并不動(dòng)作，若在此時(shí)有人員或裝備因?yàn)闄z修或其他原因進(jìn)入其軌跡，則一旦其開(kāi)始動(dòng)作，很容易發(fā)生人員傷害。因此，需要在每個(gè)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中時(shí)刻檢測(cè)其運(yùn)行軌跡內(nèi)是否有障礙物，當(dāng)障礙物離設(shè)備的距離小于安全間距時(shí)應(yīng)及時(shí)停車報(bào)警，防止事故的發(fā)生。為此，選用多個(gè)SIMATIC PXS系列超聲波傳感器安裝在運(yùn)動(dòng)設(shè)備的機(jī)械臂、梭車、伸縮軸、旋轉(zhuǎn)體等部件上，讓其跟隨設(shè)備運(yùn)行并檢測(cè)周圍障礙信息。

安全判別的實(shí)現(xiàn)主要是安全間距的確定，對(duì)任一傳感器而言，其安全間距都不是固定的某個(gè)數(shù)值，而是隨著空間軌跡的變化而變化。這主要是由于在設(shè)備運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，平臺(tái)上安裝的設(shè)備的間距也是變化的。例如：某個(gè)軌跡坐標(biāo)下超聲探測(cè)的距離不小于與固定安裝設(shè)備的數(shù)值，則認(rèn)為是安全的，即使這個(gè)距離比較??；若某個(gè)軌跡坐標(biāo)下超聲探測(cè)的距離小于與固定安裝設(shè)備的數(shù)值，則認(rèn)為是不安全的，即使這個(gè)距離比較大。為避免超聲探測(cè)器受環(huán)境因素影響產(chǎn)生的誤差影響判別，又引入了安全閾值，當(dāng)差值大于安全閾值時(shí)，報(bào)警停車。

安全判別的算法流程如圖2所示。其主要思路是：首先根據(jù)設(shè)備安裝時(shí)的位置坐標(biāo)信息及正常生產(chǎn)時(shí)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)軌跡，建立起一整套各個(gè)設(shè)備在不同軌跡時(shí)的安全模型，同時(shí)建立1套設(shè)備在不同軌跡時(shí)的安全閾值表。這樣在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，隨時(shí)根據(jù)運(yùn)動(dòng)的軌跡信息求算出安全的間距向量表。用該表格與實(shí)際周界檢測(cè)的結(jié)果作比較，取得差值，如果該差值超過(guò)該軌跡下的安全閾值表，則報(bào)警停車，否則認(rèn)為沒(méi)有碰撞可能，設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行。

3 運(yùn)行軌跡預(yù)測(cè)分析及故障判別系統(tǒng)

在鉆柱自動(dòng)化處理設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，需要隨時(shí)檢測(cè)設(shè)備的當(dāng)前位置、速度狀態(tài)等信息，同時(shí)在關(guān)鍵位置還安裝有到位檢測(cè)傳感器。在設(shè)備控制過(guò)程中，這些信息需要參與到設(shè)備的閉環(huán)控制中，用于控制設(shè)備執(zhí)行部件的啟停、運(yùn)行速度、閥門開(kāi)度等。但是在實(shí)際應(yīng)用中，鉆井設(shè)備所處的環(huán)境多是比較惡劣的露天環(huán)境，傳感器容易受到風(fēng)沙、海洋潮氣、雨雪、雷電等的影響，長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)零點(diǎn)漂移、傳感器失效甚至損壞等情況。這樣可能會(huì)造成該停的設(shè)備不停、已經(jīng)到位的設(shè)備繼續(xù)運(yùn)動(dòng)等異常情況，造成碰撞等生產(chǎn)安全事故。

為避免此情況，在控制程序內(nèi)設(shè)計(jì)了1套運(yùn)行軌跡預(yù)測(cè)分析及故障判別系統(tǒng)，根據(jù)前一時(shí)刻設(shè)備運(yùn)行的位置、速度等信息，通過(guò)1個(gè)預(yù)測(cè)模型來(lái)預(yù)測(cè)設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行位置、速度等信息［8］。若預(yù)測(cè)信息與傳感器實(shí)際檢測(cè)信息的差異超過(guò)安全閾值，則認(rèn)為可能出現(xiàn)傳感器失效或損壞的情況，根據(jù)傳感器在控制中的重要性，進(jìn)行報(bào)警提示或直接停車檢修。預(yù)測(cè)模型建立的依據(jù)是由設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)、工作原理及驅(qū)動(dòng)部件工作原理構(gòu)建而成，并在設(shè)備各部件完好的情況下進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證修訂，最終確立而成。在實(shí)際使用過(guò)程中，考慮到設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后的動(dòng)態(tài)特性等會(huì)發(fā)生變化，需要隔一段時(shí)間進(jìn)行驗(yàn)證修訂。

軌跡預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)算法流程如圖3所示。

圖3 軌跡預(yù)測(cè)分析判別算法流程

主要思路是：在程序中存儲(chǔ)設(shè)備前1個(gè)控制周期的位置、速度等信息，代入到提前設(shè)計(jì)好的設(shè)備運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型中，求算出理論上該設(shè)備在當(dāng)前時(shí)刻應(yīng)該具有的位置、速度等信息；將該信息與實(shí)際上傳感器檢測(cè)到的信息進(jìn)行比較，如果差值超過(guò)了安全閾值，則認(rèn)為傳感器可能失效或損壞，此時(shí)提示報(bào)警。如果是重要的控制節(jié)點(diǎn)，則應(yīng)該立即停車檢查。設(shè)定安全閾值的目的主要是防止設(shè)備運(yùn)動(dòng)模型時(shí)變、干擾等因素造成的誤判。

4 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的三維仿真試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)構(gòu)建

出于安全性考慮，無(wú)法在真實(shí)設(shè)備上模擬產(chǎn)生故障及人員設(shè)備闖入，為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的防碰撞程序的可靠性、有效性，構(gòu)建了1套基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維仿真平臺(tái)來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的三維仿真試驗(yàn)系統(tǒng)包括三維虛擬設(shè)備及運(yùn)動(dòng)模型、PLC主控系統(tǒng)、演示屏幕及上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)等4部分。其中三維虛擬設(shè)備及運(yùn)動(dòng)模型是利用3DMAX構(gòu)建設(shè)備模型，然后由Virtool開(kāi)發(fā)三維仿真程序，模擬設(shè)備運(yùn)動(dòng)模型，在Virtool中利用內(nèi)嵌二次開(kāi)發(fā)軟件開(kāi)發(fā)OPC客戶端軟件與主控制器PLC通訊，完成數(shù)據(jù)交互。主控PLC運(yùn)行設(shè)備邏輯、工藝控制及防碰撞程序。此時(shí)主控制PLC中的檢測(cè)數(shù)據(jù)不再來(lái)自于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，而是由Virtool仿真平臺(tái)虛擬運(yùn)行時(shí)，將結(jié)果通過(guò)OPC技術(shù)寫入到PLC中完成。PLC的控制指令也通過(guò)OPC傳送到Virtool平臺(tái)，控制設(shè)備的運(yùn)行。運(yùn)行結(jié)果通過(guò)投影投放到顯示屏上，監(jiān)控計(jì)算機(jī)與實(shí)際中應(yīng)用的完全一致，通過(guò)以太網(wǎng)訪問(wèn)PLC，監(jiān)控生產(chǎn)數(shù)據(jù)并設(shè)定、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)及報(bào)警指示等。仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4。

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，在Virtool中模擬傳感器失效或在場(chǎng)景中加入障礙物時(shí)，PLC均能有效發(fā)出報(bào)警停車信息，說(shuō)明該防碰撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)是有效的。

圖4 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語(yǔ)

在鉆井平臺(tái)鉆柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了1套防碰撞控制系統(tǒng)，能夠有效解決在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，由于人員或設(shè)備偶發(fā)性進(jìn)入生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)或者傳感器、執(zhí)行器等失效、損壞等情況可能造成的人身傷害、設(shè)備碰撞等生產(chǎn)事故，并通過(guò)虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，可有效保證鉆柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)的可靠高效運(yùn)行，具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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Research on Anti-collision of Drill Strings Automatic Treatment System for Offshore Drilling Platform

MA Qing-ming，JIANG Zheng-qing，DONG Huai-rong
（Shengli Drilling Technology Research Institute of Sinopec，Dongying 257017，China）

The drill strings automatic treatment system was extensively used for offshore drilling platform in recent years，the labor intensity was lessened and the productivity was raised.In the system，the large-scale mechanization running in confined space of the drilling floor exist reduplication of the movement track and the potential safety hazard.An anti-collision early warning system based on perimeter detection and trajectory analysis was designed.The safety accident happened when the sensor failure or personnel and equipment access the movement track was resolved very well.The guarantee of realizing the safety in production was provided.

drill string automation；anti-collision；perimeter detection；trajectory analysis

TE928

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.07.001

1001-3482（2014）07-0001-04

2014-02-21

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）“深水鉆機(jī)與鉆柱自動(dòng)化處理關(guān)鍵技術(shù)研究”（2012AA09A203）

馬清明（1966-），男，山東臨朐人，教授級(jí)高工，博士，主要從事鉆井機(jī)械研發(fā)、科研管理等工作。