楊義

（中石化四機石油機械有限公司，湖北 荊州 434024）

1 研究意義

研究自動化設(shè)備的集成控制技術(shù)將鉆機各子系統(tǒng)由原來相互獨立的子系統(tǒng)形成完整統(tǒng)一的指令協(xié)調(diào)系統(tǒng)。研究具有故障診斷和維護功能的、指導(dǎo)鉆井操作的診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)裝備的數(shù)據(jù)采集、分析處理和設(shè)備的預(yù)維護，減少停鉆時間，一種適應(yīng)要求的鉆機集成控制系統(tǒng)是鉆井裝備發(fā)展的必然趨勢。

2 研究目標(biāo)

隨著鐵鉆工、自動排管機械手、動力貓道，液壓吊卡，氣動卡瓦等自動化工具在油田鉆機配套使用的日益廣泛，研究各自動化工具的作業(yè)特性，將其串行的作業(yè)中能夠并行作業(yè)流程梳理，提高作業(yè)效率，形成自動化設(shè)備的高效集中控制；由于各自動化工具與提升系統(tǒng)的運行軌跡有許多重疊的區(qū)間，同時各工具與提升系統(tǒng)在管柱安全交接，都存在著一定的安全風(fēng)險，因此有必要對此風(fēng)險進行評估，并通過控制軟件來實現(xiàn)安全互鎖保護；提高自動化作業(yè)的安全可靠性；作為設(shè)備控制核心的主副司鉆集成控制系統(tǒng)是有效的解決手段。鉆井裝備診斷系統(tǒng)，收集設(shè)備的使用維護信息，解決設(shè)備故障診斷與排查難度大，預(yù)維護功能缺失等問題。

（1）自動化設(shè)備的集中控制技術(shù)：集成化電子司鉆系統(tǒng)集鉆機電、氣、液控制于一體,實現(xiàn)司鉆對鉆機的整體監(jiān)測與控制。鉆機各子系統(tǒng)來自不同配套商[2]（例如：儀表、視頻監(jiān)控、主機電控、頂驅(qū)、主剎、自動貓道，鐵鉆工，自動井架工等等），各系統(tǒng)分別配有各自的操作臺（箱）在司鉆房，不同配套商間的產(chǎn)品操作、顯示終端風(fēng)格不一致，導(dǎo)致了司鉆房布置人性化不足，司鉆操作繁鎖。自動化設(shè)備的集中控制技術(shù)將鉆機各子系統(tǒng)由原來相互獨立的子系統(tǒng)形成完整統(tǒng)一的指令協(xié)調(diào)系統(tǒng)。集中控制功能圖如圖1。

圖1 集中控制功能圖

（2）集成控制系統(tǒng)安全可靠技術(shù)：控制系統(tǒng)作為鉆機的指揮核心，負責(zé)鉆機各個設(shè)備的工作控制和狀態(tài)監(jiān)視，系統(tǒng)設(shè)計理念的合理性、硬件電路的可靠性、軟件程序的完善性等都關(guān)乎著安全。區(qū)域安全聯(lián)鎖圖如圖2。

圖2 區(qū)域安全聯(lián)鎖圖

3 研究方法

研究各作業(yè)工況下的鉆機自動化工具的自動操控工藝流程和安全保護措施，結(jié)合各自動化工具空間狀態(tài)分析和動作分解，形成各工況下鉆井作業(yè)的全自動控制流程；進行司鉆操控系統(tǒng)人性化布局設(shè)計，研究自動化鉆機司鉆協(xié)同作業(yè)模式；以雙PLC冗余控制器為核心，建立執(zhí)行層、控制層、監(jiān)控層三級總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，進行集成控制系統(tǒng)硬件冗余設(shè)計，實現(xiàn)雙冗余司鉆協(xié)同操作；依托高性能IPC，進行鉆井儀表、電子防碰、設(shè)備操作、流程顯示、狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷為一體的集成人機界面軟件開發(fā)，從而構(gòu)建集成控制系統(tǒng)，實現(xiàn)自動化鉆井裝備高效、安全、可靠運行。

通過研究鉆井裝備多參數(shù)、多變量、多耦合條件下故障智能診斷的理論和方法，建立包含模糊邏輯規(guī)則、系統(tǒng)分析預(yù)測有機結(jié)合構(gòu)成的系統(tǒng)知識庫，形成具備在線故障診斷功能的軟件模塊；結(jié)合裝備運行時間及關(guān)鍵零部件使用壽命及維保需要，探索鉆井裝備預(yù)維護規(guī)則，形成預(yù)維護軟件模塊。

4 擬解決的關(guān)鍵問題

（1）研究鉆機各工況下的自動化工具的工藝流程形成各工況下鉆井作業(yè)的全自動控制流程是解決鉆井作業(yè)勞動強度大、操作人員多、危險性高的問題，實現(xiàn)危險區(qū)域的無人作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)問題。

（2）如何協(xié)調(diào)鉆機子系統(tǒng)，由原來相互獨立的子系統(tǒng)形成完整統(tǒng)一的指令協(xié)調(diào)集成控制中心是解決司鉆高度集中，作業(yè)強度大的關(guān)鍵技術(shù)問題。

（3）研究鉆井裝備信息有效利用技術(shù)，如何實現(xiàn)鉆井裝備全生命周期管理，解決設(shè)備預(yù)維護的關(guān)鍵技術(shù)問題。

（4）如何建立模糊邏輯規(guī)則、系統(tǒng)分析預(yù)測相結(jié)合的設(shè)備數(shù)據(jù)及故障診斷知識庫，防止鉆機出現(xiàn)故障給企業(yè)帶來不必要的損失，是鉆機設(shè)備故障診斷關(guān)鍵技術(shù)問題。

5 結(jié)語

司鉆集成控制系統(tǒng)是整個鉆機的控制中心，應(yīng)用PROFINET現(xiàn)場總線技術(shù)，把司鉆控制系統(tǒng)中的設(shè)備有機地連接在一起。通過司鉆控制臺和觸摸屏，司鉆可以進行各項鉆井操作，還可以監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)。實現(xiàn)司鉆控制系統(tǒng)的自動化操作功能，以及鉆井參數(shù)的顯示、存儲、打印、遠程監(jiān)控和管理。將司鉆從繁重的體力勞動中解放出來，降低了司鉆的勞動強度，使司鉆更專注于鉆井工藝，從而有效地保證了鉆井安全和鉆井質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率。