，，2，，，，，，

(1．寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002)

電驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)的安全控制技術(shù)研究

魏培靜1，于興軍1，2，常永鵬1，周海磊1，劉汪彤1，王永鵬1，李博洋1，袁方1

(1．寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002)

從硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)兩個(gè)方面分別闡述了石油鉆機(jī)安全控制系統(tǒng)應(yīng)遵循的設(shè)計(jì)原則。硬件設(shè)計(jì)方面包括：集成控制架構(gòu)設(shè)計(jì)、手動(dòng)急停電路設(shè)計(jì)、智能剎車系統(tǒng)設(shè)計(jì)、智能裝置自保護(hù)功能設(shè)計(jì)、關(guān)鍵電氣設(shè)備冗余化設(shè)計(jì)等。軟件開發(fā)包括：控制器的“軟急?！惫δ苣K開發(fā)、運(yùn)動(dòng)防碰安全管理系統(tǒng)開發(fā)、智能工藝過程模塊開發(fā)等。針對(duì)鉆機(jī)出廠安全功能試驗(yàn)驗(yàn)證、鉆機(jī)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)及專家故障診斷系統(tǒng)開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)化控制安全管理等方面提出相關(guān)工作建議。

鉆機(jī)；安全；控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

Abstract：In this paper，the design principle of drilling rig safety control in two aspects is expounded：one is the design of hardware circuit and the other is the development of software.The hardware aspects include the design of integration control framework，manual ESD circuit，intelligent brake system，self-protection function of intelligent device，redundancy design of key electrical equipment.The software aspects include the development of controller soft stop function module，Anti-collision safety Management system，intelligent process software module，etc.Meanwhile，the authors put forward some suggestions of the subsequent works，such as the safety function test of FAT，the development of remote on-line monitoring and Fault diagnosis system，networked control security management.

Keywords：drilling rig；safety；control system；design

石油鉆井行業(yè)在追求高鉆速、高利潤(rùn)的同時(shí)，一直伴隨著較高的安全風(fēng)險(xiǎn)。作為鉆井勘探開發(fā)作業(yè)的關(guān)鍵裝備——石油鉆機(jī)，它的安全性則成為重中之重。鉆機(jī)是一項(xiàng)集機(jī)械、電氣、液壓、氣控等多學(xué)科的綜合系統(tǒng)工程，結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度、液壓系統(tǒng)的可靠性、氣路邏輯的合理性等各方面都會(huì)直接關(guān)系到鉆機(jī)的總體安全性能，重要性不言而喻，相關(guān)方面也已做了大量研究工作[1-2]。控制系統(tǒng)作為鉆機(jī)的指揮核心，負(fù)責(zé)鉆機(jī)各個(gè)設(shè)備的工作控制和狀態(tài)監(jiān)視，系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的合理性、硬件電路的可靠性、軟件程序的完善性等都關(guān)乎著安全。本文將重點(diǎn)從上述方面探討石油鉆機(jī)安全控制機(jī)制的設(shè)計(jì)開發(fā)。

1 硬件系統(tǒng)安全控制設(shè)計(jì)

1.1集成化控制系統(tǒng)成為各單元設(shè)備安全操控的前提

司鉆作為鉆機(jī)操作的第一責(zé)任人，需要對(duì)鉆機(jī)所有關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行有效的遠(yuǎn)程操控和監(jiān)視，面對(duì)任何安全隱患以及出現(xiàn)的意外情況應(yīng)第一時(shí)間采取措施，確保設(shè)備和人員安全，對(duì)此必須實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)各個(gè)單元設(shè)備在司鉆房?jī)?nèi)的集成化控制。老式鉆機(jī)設(shè)備只能在就近本地操作，已經(jīng)無法適應(yīng)日益嚴(yán)格的HSE要求。

司鉆集成控制必須解決的問題是將原獨(dú)立的單元設(shè)備通過合理的網(wǎng)絡(luò)化通訊架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)控制指令以及狀態(tài)數(shù)據(jù)的上下傳輸功能，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、集成化控制。目前，智能司鉆與各單元設(shè)備之間宜采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要有星形架構(gòu)、環(huán)形架構(gòu)、星形+環(huán)形結(jié)合架構(gòu)方式，根據(jù)鉆機(jī)各設(shè)備的布置情況，可采取相應(yīng)架構(gòu)。

1) 星形架構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸方式適用于各單元設(shè)備控制站物理位置相對(duì)集中的鉆機(jī)。

2) 環(huán)形架構(gòu)適用于各單元設(shè)備控制站物理位置相對(duì)分散的鉆機(jī)。

3) 星形+環(huán)形結(jié)合架構(gòu)適用于部分設(shè)備單元控制站物理位置相對(duì)分散，另外一部分相對(duì)集中的鉆機(jī)。

圖1為環(huán)形通訊結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖。

圖1 鉆機(jī)環(huán)形通訊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意

該通訊架構(gòu)通過現(xiàn)場(chǎng)級(jí)、中間級(jí)、上位級(jí)各層的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)信息以及控制指令的網(wǎng)絡(luò)化傳遞[3]，從而有效確保了司鉆對(duì)鉆機(jī)的集成化操控。

1.2多級(jí)急停硬件電路是鉆機(jī)安全操控的最后保障

急停機(jī)制是針對(duì)作業(yè)過程出現(xiàn)的突發(fā)狀況對(duì)設(shè)備進(jìn)行緊急管理的一項(xiàng)措施，通過該措施可實(shí)現(xiàn)設(shè)備立即保持在當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行停止待命。為了確保鉆機(jī)各設(shè)備受控，基于控制系統(tǒng)硬件電路搭建的急停管理系統(tǒng)是安全的基本保障[4]。按照鉆機(jī)配備單元設(shè)備數(shù)量的多少及工作性質(zhì)，硬件急停電路宜至少按照3級(jí)機(jī)制進(jìn)行設(shè)計(jì)，即：?jiǎn)卧O(shè)備本體急停、設(shè)備動(dòng)作總急停、鉆機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力急停。這3級(jí)急停的安全控制級(jí)別依次由低到高，其中動(dòng)力急停為最高。

1) 單元設(shè)備本體急停。各個(gè)單元設(shè)備有各自的急停觸發(fā)裝置，此裝置只急停對(duì)應(yīng)的設(shè)備而不影響其他設(shè)備正常運(yùn)行，此類急停觸發(fā)時(shí)可以停止該設(shè)備動(dòng)作，相應(yīng)各操作均無效。

2) 設(shè)備動(dòng)作總急停?？刂萍煽刂葡到y(tǒng)下所有各設(shè)備，當(dāng)此急停觸發(fā)時(shí)，所有設(shè)備停止動(dòng)作并保持當(dāng)前狀態(tài)，此時(shí)司鉆集成座椅上所有操作以及本地操作均無效。

3) 鉆機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力急停。實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)整個(gè)動(dòng)力管理，包括柴油發(fā)電機(jī)組、液壓站等。當(dāng)此急停激活時(shí)，所有液壓源、電力等動(dòng)力全部關(guān)閉，屬最緊急情況。

通過3級(jí)急停電路的“與”、“或”、“非”邏輯搭配實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)各個(gè)設(shè)備的急停管理，即，“非”：低級(jí)別的急停觸發(fā)不會(huì)導(dǎo)致高級(jí)別急停以及其他設(shè)備同級(jí)別急停動(dòng)作觸發(fā)；“與”：高級(jí)別急停可觸發(fā)低級(jí)別急停動(dòng)作；“或”：不同位置的同級(jí)別的急停觸發(fā)信號(hào)急停效用一致。

該急停電路必須采用專用安全繼電器通過硬線連接方式的實(shí)現(xiàn)，可避免由于PLC控制器出現(xiàn)故障而導(dǎo)致純依賴程序軟急停導(dǎo)致設(shè)備無法停機(jī)的狀況發(fā)生，大幅提高了系統(tǒng)的可靠性。圖2為某鉆機(jī)急停電路原理，詳見文獻(xiàn)[5]。

圖2 鉆機(jī)多級(jí)急停控制電路原理

1.3多因素融合的智能剎車系統(tǒng)是鉆機(jī)安全操控的關(guān)鍵

剎車系統(tǒng)是針對(duì)鉆機(jī)最主要的游動(dòng)提升設(shè)備進(jìn)行位置控制的關(guān)鍵裝置。根據(jù)鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)型式不同有盤剎+能耗制動(dòng)方式或者盤剎+電磁渦流剎車等輔助剎車裝置等方案[6]。

剎車系統(tǒng)靈敏性是其最為關(guān)鍵的安全指標(biāo)，過于敏感的剎車系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致井架等支撐結(jié)構(gòu)的晃動(dòng)，以及絞車滾筒的亂繩等事故發(fā)生，過于遲鈍的剎車系統(tǒng)則易導(dǎo)致“上碰下砸”等事故發(fā)生。多因素融合的智能剎車系統(tǒng)已成為鉆機(jī)安全操控的必備利器，應(yīng)具備以下性能：

1) 剎車系統(tǒng)必須與游車位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)，在游動(dòng)系統(tǒng)的上、下報(bào)警點(diǎn)和停車點(diǎn)位置處必須可自動(dòng)減速和強(qiáng)制剎車，避免依賴于人工操作造成的失誤。

2) 對(duì)于無法保障鉆機(jī)安全作業(yè)的其他影響因素發(fā)生時(shí)(例如PLC控制器故障等)，剎車系統(tǒng)必須自動(dòng)投入工作，強(qiáng)制該提升系統(tǒng)進(jìn)行停機(jī)待命。表1為某型鉆機(jī)典型的自動(dòng)剎車邏輯表。

3) 基于自適應(yīng)變量控制模式的柔性自動(dòng)剎車系統(tǒng)，有助于改善鉆機(jī)操作安全性和舒適性。常規(guī)盤剎裝置，需依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工操作實(shí)現(xiàn)剎車力矩的調(diào)整，屬于“手動(dòng)擋”級(jí)別。近年來，隨著自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司已經(jīng)開發(fā)出了基于自適應(yīng)智能算法的自動(dòng)剎車系統(tǒng)，即根據(jù)游動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)前位置、實(shí)時(shí)速度、輔助系統(tǒng)制動(dòng)能力、絞車機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等綜合信息，實(shí)現(xiàn)剎車力矩的自動(dòng)變量給定，避免了人工干預(yù)，真正實(shí)現(xiàn)了“自動(dòng)擋”功能。該技術(shù)已在寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司為NDC國(guó)家鉆井公司等高端用戶訂購(gòu)的鉆機(jī)進(jìn)行了批量化應(yīng)用，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證效果良好。

表1 鉆機(jī)典型剎車邏輯控制表

表1中的代號(hào)含義說明：

Y6—?jiǎng)x車執(zhí)行動(dòng)作(Y6=0剎車)；X5—防碰釋放(X5=1觸發(fā))；X14—系統(tǒng)急停按鈕狀態(tài)(X14=0觸發(fā))；X15—盤剎急停按鈕狀態(tài)(X15=0觸發(fā))；X16—自動(dòng)送鉆電機(jī)狀態(tài)(X16=1啟用)；X17—絞車主電機(jī)狀態(tài)(X17=1啟用)；X18—自動(dòng)送鉆離合狀態(tài)(X18=1，掛合)；Y8—自動(dòng)送鉆系統(tǒng)狀態(tài)(Y8=1，投入使用)；X19—絞車過卷防碰信號(hào)(X19=1觸發(fā))；X20—井架防碰信號(hào)(X20=1觸發(fā))；X21—數(shù)顯防碰信號(hào)(X21=1觸發(fā))；X23—絞車左減速箱Ⅰ擋反饋信號(hào)(X23=1，已掛合Ⅰ擋)；X24—絞車左減速箱Ⅱ擋反饋信號(hào)(X24=1，已掛合Ⅱ擋)；X26—絞車右減速箱Ⅰ擋反饋信號(hào)(X26=1，已掛合Ⅰ擋)；X27—絞車右減速箱Ⅱ擋反饋信號(hào)(X27=1，已掛合Ⅱ擋)；X28—絞車主電機(jī)故障信號(hào)(X28=0 故障)；X29—自動(dòng)送鉆電機(jī)故障信號(hào)(X29=0 故障)；X36—發(fā)電機(jī)急停按鈕狀態(tài)(X36=0觸發(fā))；X37—VFD/SCR驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)急停按鈕狀態(tài)(X37=0觸發(fā))。

1.4智能裝置自保護(hù)功能輔助提升鉆機(jī)安全性能

隨著電力電子技術(shù)飛速發(fā)展，越來越多的智能電氣裝置被應(yīng)用于石油鉆機(jī)控制領(lǐng)域[7-8]。SCR/VFD動(dòng)力傳動(dòng)模塊、MCC智能配電裝置、軟啟動(dòng)器、數(shù)字化發(fā)電機(jī)控制模塊等在不同方面實(shí)現(xiàn)著各自基本功能的同時(shí)，還承擔(dān)了輔助的系統(tǒng)保護(hù)功能，包括：發(fā)電機(jī)欠壓/過壓保護(hù)、發(fā)電機(jī)逆功及負(fù)載均衡分配保護(hù)、發(fā)電機(jī)欠頻/過頻保護(hù)、主電機(jī)堵轉(zhuǎn)及過流保護(hù)、短路保護(hù)、接地故障及電流不平衡保護(hù)、電機(jī)啟動(dòng)電力沖擊限流保護(hù)等。

上述智能裝置的應(yīng)用，從硬件方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉆機(jī)電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電氣保護(hù)，有效解決了由于設(shè)備過載等外部因素導(dǎo)致電氣輔助系統(tǒng)停機(jī)而影響鉆井作業(yè)安全的問題。

1.5核心控制器件冗余化實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)操控應(yīng)急備份保護(hù)

隨著用戶對(duì)鉆機(jī)自動(dòng)化性能、安全性能要求的提高，以PLC及工控機(jī)等為核心控制器并裝備有智能軟件程序的數(shù)字控制系統(tǒng)已經(jīng)成為鉆機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

目前鉆機(jī)主流的后臺(tái)控制是采用1套西門子S7-300 PLC或S7-1500控制器，為了提高安全可靠性，結(jié)合成本因素可采用以下幾種方式：

1) 單PLC控制器+硬件BYPASS旁路系統(tǒng)。

當(dāng)PLC控制器出現(xiàn)故障時(shí)，切換到完全由硬件電路搭建的BYPASS旁路系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的基本操作功能，缺點(diǎn)是缺少原有軟件程序具有的自動(dòng)化和高級(jí)安全保護(hù)功能。

2) 兩套PLC(一用一備)“冷備份”方式。

當(dāng)在用控制器出現(xiàn)故障，可手動(dòng)卻換到第2套PLC工作模式。該切換過程需要人為操作，啟動(dòng)過程會(huì)需要設(shè)備短暫停機(jī)；但切換完成后系統(tǒng)軟件所具有各項(xiàng)保護(hù)功能不受影響。

3) 基于雙CPU同時(shí)在線運(yùn)行的PLC“熱冗余”方式。

S7 400H PLC具有兩套核心處理器，可同時(shí)在線運(yùn)行[9]，當(dāng)1套故障時(shí)第2套自動(dòng)投入，不會(huì)影響設(shè)備工作，實(shí)現(xiàn)了PLC故障后的自動(dòng)切換，但系統(tǒng)成本以及維護(hù)復(fù)雜性會(huì)有所增加。

2 軟件系統(tǒng)安全控制開發(fā)

基于硬件電路設(shè)計(jì)的安全保護(hù)機(jī)制是鉆機(jī)安全控制的基本保障。然而，隨著鉆井作業(yè)的復(fù)雜性日益增加，僅僅依賴硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全控制，已無法滿足鉆機(jī)操作需求，基于具有運(yùn)算能力控制器的軟件系統(tǒng)安全控制開發(fā)是非常必要的，下面進(jìn)行分述。

2.1“軟急?！惫δ苣K實(shí)現(xiàn)硬件急停機(jī)制的完善保護(hù)

司鉆房?jī)?nèi)設(shè)置了多個(gè)不同級(jí)別的急停按鈕，該急停按鈕在作為硬件急停電路組成部分的同時(shí)還應(yīng)提供一路輔助觸點(diǎn)信號(hào)輸入給PLC控制器，該控制器檢測(cè)到該級(jí)別急停觸發(fā)信號(hào)時(shí)，應(yīng)立即在程序上進(jìn)行相應(yīng)的“軟急?！碧幚恚杭磳⑦m用于該級(jí)別急停被控對(duì)象的PLC所有輸出指令全部清零，實(shí)現(xiàn)對(duì)其驅(qū)動(dòng)器、變頻器等控制信號(hào)的清零，從而使設(shè)備停止保持在當(dāng)前位置，除非PLC控制器檢測(cè)到該急停信號(hào)清除，軟件程序重新按照給定指令執(zhí)行后續(xù)動(dòng)作。該“軟急停”的控制器輸出“清零”保持機(jī)制是硬件急停保護(hù)的完善保護(hù)。

2.2運(yùn)動(dòng)防碰管理系統(tǒng)有效避免設(shè)備間碰撞隱患發(fā)生

為了提升作業(yè)效率，越來越多的單元設(shè)備都在司鉆房遠(yuǎn)程操作的基礎(chǔ)上進(jìn)行著并行作業(yè)，尤其是在井口設(shè)備較為集中的區(qū)域，存在著“碰撞”的隱患，主要有2個(gè)方面，即：

1) 動(dòng)態(tài)設(shè)備之間的碰撞。例如：鐵鉆工與頂驅(qū)之間，頂驅(qū)與二層臺(tái)排管機(jī)之間等。

2) 動(dòng)態(tài)設(shè)備和靜態(tài)結(jié)構(gòu)之間的碰撞。例如：二層臺(tái)排管機(jī)與井架之間等。

為了解決該問題，必須開發(fā)一套基于空間位置解算的運(yùn)動(dòng)防碰安全管理系統(tǒng)。針對(duì)鉆機(jī)井架及鉆臺(tái)內(nèi)部的所有運(yùn)動(dòng)設(shè)備在工作過程中相互間存在碰撞可能的情況進(jìn)行梳理，以井口中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，結(jié)合相關(guān)位置傳感器信號(hào)，經(jīng)過軟件編程實(shí)時(shí)計(jì)算各設(shè)備可能存在的碰撞關(guān)鍵輪廓點(diǎn)坐標(biāo)，通過比較關(guān)鍵點(diǎn)的距離判斷是否處于防碰臨界狀態(tài)，然后通過軟件程序進(jìn)行提示并自動(dòng)制動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了即將碰撞設(shè)備的自動(dòng)停車，以避免碰撞事故發(fā)生。圖3為某鉆機(jī)司鉆操作界面防碰區(qū)域管理表。

注：“○”表示存在碰撞工況的設(shè)備組合，當(dāng)該軟件模塊作用導(dǎo)致某設(shè)備停止時(shí)，相應(yīng)指示燈則變色提示。

圖3 鉆機(jī)運(yùn)動(dòng)設(shè)備防碰區(qū)域管理表

2.3基于工藝過程的專用智能模塊提升控制系統(tǒng)安全性

結(jié)合鉆井工藝和鉆機(jī)設(shè)備配置情況開發(fā)的專用智能模塊程序，一方面可減少人員操作干預(yù)，降低勞動(dòng)強(qiáng)度；另一方面可提升系統(tǒng)安全性，避免誤操作造成設(shè)備損壞，包括以下方面：

1) 通信故障自保護(hù)、掉電自保護(hù)、檢測(cè)元件故障自保護(hù)等智能模塊程序?qū)崿F(xiàn)了對(duì)于意外發(fā)生的可識(shí)別性故障而由程序自動(dòng)采取的處理措施，通過“看門狗”信號(hào)“握手”定期掃描等機(jī)制實(shí)現(xiàn)了故障回路的智能診斷以及自動(dòng)處理，最終達(dá)到故障狀態(tài)下設(shè)備的安全自動(dòng)停機(jī)和輔助信息提示功能。圖4為某鉆機(jī)司鉆人機(jī)界面程序通訊故障的診斷界面。

注：黃色線路標(biāo)識(shí)存在通訊故障。圖4 鉆機(jī)司鉆通訊故障的診斷界面

2) 自動(dòng)送鉆、軟泵控制、軟轉(zhuǎn)矩控制等程序功能模塊分別實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)相關(guān)關(guān)鍵單元設(shè)備的智能自動(dòng)作業(yè)，以及鉆井作業(yè)工藝過程中的相關(guān)速度、轉(zhuǎn)矩、壓力、液位、流量等參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警。

3) 基于多種模式的智能剎車軟件模塊程序開發(fā)。

在常規(guī)剎車功能的基礎(chǔ)上，分別結(jié)合絞車主電機(jī)及自動(dòng)送鉆電機(jī)提升工控開發(fā)智能剎車軟件模塊，輔助提升剎車系統(tǒng)安全功能。圖5所示為寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司為國(guó)外某鉆機(jī)開發(fā)的專用剎車功能模塊程序邏輯表，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證有效提升剎車系統(tǒng)安全性能。

圖5 基于多種模式的智能剎車軟件模塊程序流程

3 后續(xù)工作建議

結(jié)合前面分析的石油鉆機(jī)安全控制硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序開發(fā)技術(shù)，提出以下幾點(diǎn)建議：

3.1充分進(jìn)行出廠試驗(yàn)以確保各項(xiàng)安全功能得到有效驗(yàn)證

為了確保各項(xiàng)安全設(shè)計(jì)機(jī)制在鉆機(jī)生產(chǎn)制造過程中能得到有效落實(shí)，必須在廠內(nèi)進(jìn)行安全功能專項(xiàng)測(cè)試，必要時(shí)在安全保障措施充足的情況下進(jìn)行人為故障模擬，以達(dá)到有效驗(yàn)證的目的。試驗(yàn)內(nèi)容至少應(yīng)包含以下方面：各級(jí)急停功能測(cè)試、系統(tǒng)掉電自保護(hù)功能測(cè)試、系統(tǒng)通訊中斷自保護(hù)功能測(cè)試、集成司鉆操作及顯示功能測(cè)試、系統(tǒng)安全防碰功能測(cè)試試驗(yàn)、系統(tǒng)自動(dòng)流程互鎖測(cè)試、主副雙司鉆互換功能測(cè)試等方面。

3.2大力發(fā)展遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)及專家故障診斷技術(shù)以提升鉆機(jī)可維護(hù)性

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”理念在各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用，鉆機(jī)可以通過現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集終端將各設(shè)備參數(shù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸方式反饋給鉆機(jī)制造廠和鉆探公司管理部門，借助專家診斷系統(tǒng)為即將到達(dá)生命周期設(shè)備或存在故障隱患設(shè)備進(jìn)行判別分析，以給出維護(hù)保養(yǎng)建議或進(jìn)行預(yù)維修準(zhǔn)備工作等。大力發(fā)展鉆機(jī)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)及專家故障診斷系統(tǒng)，一方面便于設(shè)備生產(chǎn)商提前進(jìn)行備件生產(chǎn)，做到及時(shí)響應(yīng)；另一方面可提高鉆機(jī)故障征兆分析能力，用戶可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況提前做好更換或維修保養(yǎng)預(yù)案[10-11]。

3.3做好網(wǎng)絡(luò)化控制安全管理以保障鉆機(jī)遠(yuǎn)程控制安全

隨著通訊技術(shù)快速發(fā)展，鉆機(jī)最終也將向遠(yuǎn)程無人化控制發(fā)展，即，借助于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在鉆探公司機(jī)關(guān)等后臺(tái)基地實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉆井作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備的遠(yuǎn)程化、無人化操作。技術(shù)的發(fā)展同時(shí)也給鉆機(jī)工業(yè)控制系統(tǒng)提出了更為嚴(yán)格的安全考驗(yàn)，必須做好網(wǎng)絡(luò)安全管理機(jī)制。例如：2015-12-23，烏克蘭發(fā)生的電力部門工業(yè)控制系統(tǒng)遭受惡意代碼攻擊造成大面積斷電的事故。今后鉆機(jī)設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)遠(yuǎn)程操控工況需要，宜通過工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)邊界防護(hù)設(shè)備對(duì)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)之間的邊界進(jìn)行安全防護(hù)，禁止沒有防護(hù)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)連接。為此，國(guó)家工業(yè)和信息化部在2016-10-17專門下發(fā)了《工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全防護(hù)指南》作為指導(dǎo)文件，該文件中相關(guān)要求應(yīng)落實(shí)到鉆機(jī)安全控制機(jī)制設(shè)計(jì)中。

4 結(jié)語

本文從硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序開發(fā)2個(gè)方面分析了鉆機(jī)安全控制的關(guān)鍵技術(shù)，并闡述了后續(xù)技術(shù)發(fā)展思路。提出了以硬件電路為基礎(chǔ)，采取“軟、硬”相結(jié)合的方式確保鉆機(jī)安全的控制機(jī)制。石油鉆機(jī)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，隨著鉆井作業(yè)工藝的不斷復(fù)雜化和信息技術(shù)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化、遠(yuǎn)程化發(fā)展，鉆機(jī)在作業(yè)過程中仍有可能會(huì)暴露安全缺陷。只有通過不斷規(guī)范化已有成熟設(shè)計(jì)和充分驗(yàn)證措施，并結(jié)合對(duì)新控制技術(shù)的不斷探索完善，才能從本質(zhì)上保障鉆機(jī)的安全操控。

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ResearchonSecurityControlMechanismofElectricDriveDrillingRig

WEI Peijing1，YU Xingjun1,2，CHANG Yongpeng1，ZHOU Hailei1，LIU Wangtong1，WANG Yongpeng1，LI Boyang1，YUAN Fang1

(1.BaojiOilfieldMachineryCo.，Ltd.，Baoji721002，China；2.NationalOil&GasDrillingEquipmentResearchCenter，Baoji721002，China)

TE922

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.05.013

1001-3482(2017)05-0061-06

2017-03-15

國(guó)家“十三五”科技重大專項(xiàng)“深井超深井自動(dòng)化鉆井技術(shù)及裝備研究”課題項(xiàng)目(2016ZX05020-001)；國(guó)家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”之子課題“張力腿平臺(tái)模塊鉆機(jī)關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)用研究”(2016ZX05057010)

魏培靜(1980-)，女，陜西寶雞人，工程師，現(xiàn)從事石油機(jī)械設(shè)計(jì)及技術(shù)開發(fā)工作，E-mail：weipj123456@163.com。