孫軍盈，宋志亮，臧臣坤，黃江濤，薛善忠，孫衛(wèi)娜，余天歌

(1.中國地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司，北京 100016；2.中地裝(北京)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100120)

0 引言

隨著人類對地球深部未知區(qū)域的探索需求和國家對深部資源的戰(zhàn)略勘查鉆探需求，深孔鉆探工程逐步增加。深孔鉆探意味著需要使用的鉆井設(shè)備功率加大，功能更加復(fù)雜，輔助設(shè)備的種類和鉆具的配置更加繁多，所占用井場的面積也更大，對司鉆人員來說，操作控制龐大復(fù)雜的系統(tǒng)也是一種極大的挑戰(zhàn)。對于傳統(tǒng)中淺孔鉆機(jī)，無論是立軸鉆機(jī)、液壓動力頭鉆機(jī)，還是便攜式鉆機(jī)或散裝模塊化鉆機(jī)，司鉆人員操控機(jī)械手柄、液壓手柄旋鈕以及司鉆房電氣輔助操縱，司鉆一人基本可以對鉆機(jī)進(jìn)行全方位操控，完成正常鉆進(jìn)和起下鉆，甚至可以不使用監(jiān)控輔助，目視之處可及全場。深孔鉆機(jī)需要操控的設(shè)備和需要協(xié)同使用的設(shè)備增多，需要多人操作設(shè)備協(xié)同作業(yè)的工作場景也增多，因此必須對設(shè)備集中控制，將操控人員集中起來[1-6]。

5000 m智能地質(zhì)巖心鉆機(jī)控制系統(tǒng)使用分布式布置，集中式操控，統(tǒng)一控制系統(tǒng)平臺，統(tǒng)一人機(jī)接口。司鉆控制使用一體化司鉆座椅，人機(jī)接口簡約，姿態(tài)多維度可調(diào)，降低司鉆疲勞；主副司鉆統(tǒng)籌協(xié)作，減少輔助作業(yè)時間，提高作業(yè)效率。

1 控制系統(tǒng)概述

5000 m智能地質(zhì)巖心鉆機(jī)以電氣傳動為主要能量傳輸形式，液壓和氣動為輔助傳動形式；控制層面，以電控為主，電控氣和電控液為輔；通訊方式以工業(yè)以太網(wǎng)為主，其他方式為輔。其控制內(nèi)容主要包括鉆機(jī)主體、井口自動化工具、液壓動力站控制等幾大部分，具體控制內(nèi)容見圖1。

圖1 5000 m智能地質(zhì)巖心鉆機(jī)控制內(nèi)容框圖

1.1 鉆機(jī)主體

旋轉(zhuǎn)鉆井工藝的提升、回轉(zhuǎn)、泥漿循環(huán)三大系統(tǒng)都通過VFD房的控制器進(jìn)行邏輯控制，這是鉆機(jī)的核心部分。主要控制內(nèi)容包括絞車盤剎控制、主絞車控制、繩索取心絞車控制、自動送鉆控制、轉(zhuǎn)盤控制以及頂驅(qū)控制。

VFD房的控制器通過工業(yè)以太網(wǎng)西門子S7協(xié)議、RJ45接口和屏蔽雙絞線電纜形式與司鉆房的主交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

1.2 井口自動化工具

井口自動化工具包含自動井架工、動力貓道和鐵鉆工。這部分設(shè)備的控制設(shè)計為獨立控制單元，每個單元都自帶控制器，自成系統(tǒng)，在僅提供電源的情況下，可以通過自帶的遠(yuǎn)程遙控器進(jìn)行便攜式操作和本地液壓手柄操作，以樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將它們和主交換機(jī)連接起來進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這樣既做到獨立控制、集中操控，又將其和主系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)隔離。

1.3 液壓動力控制

5000 m智能地質(zhì)巖心鉆機(jī)包含綜合液壓動力站和貓道液壓動力站兩套液壓動力站。綜合液壓站放置于鉆臺面以便為頂驅(qū)、鐵鉆工和井架工提供動力源，每臺設(shè)備的液壓泵單獨啟停。為了減少從貓道機(jī)本體到貓道液壓站液壓管線長度，將貓道液壓站放置在動力貓道機(jī)附近。

由于頂驅(qū)、貓道機(jī)和井架工均為間歇工作方式，需要在不工作時關(guān)閉液壓泵，在需要的時候再打開，因此必須能夠?qū)Ρ眠M(jìn)行遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控。為實現(xiàn)此功能，增加了一臺液壓站控制箱，將其安裝于鉆臺面合適位置?？刂葡鋬?nèi)部安裝I/O模塊，作為司鉆房控制柜PLC的智能I/O使用。

2 集中控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

5000 m智能地質(zhì)巖心鉆機(jī)控制系統(tǒng)的主要控制設(shè)備和控制單元如表1所示。系統(tǒng)采用樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，樹形網(wǎng)絡(luò)延伸性和擴(kuò)展性好，系統(tǒng)升級方便，同時樹形網(wǎng)絡(luò)在分支設(shè)備出線故障時，只影響局部，不影響整個系統(tǒng)，鉆機(jī)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 5000 m智能地質(zhì)巖心鉆機(jī)控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

表1 5000 m智能地質(zhì)巖心鉆機(jī)控制單元

5000 m智能地質(zhì)巖心鉆機(jī)對鉆機(jī)的集中控制系統(tǒng)設(shè)計時兼顧到控制系統(tǒng)平臺統(tǒng)一性、操作功能集成簡約化設(shè)計、司鉆房空間利用率、視頻監(jiān)控系統(tǒng)兼容性及人體工程學(xué)等幾個方面。

2.2 一體化司鉆座椅集成控制

無論是陸地大型油氣鉆機(jī)，還是海洋鉆井平臺，鉆臺面的空間永遠(yuǎn)是寸土寸金，捉襟見肘，因此留給司鉆房的空間是有限的[7-9]。如果不進(jìn)行綜合考慮，很難充分利用司鉆房的空間。目前大部分電傳動鉆機(jī)的司鉆房布置是操作臺+工程座椅的形式，以鉆機(jī)的主要部分(絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵)為控制對象來進(jìn)行布置，如果后期增加頂驅(qū)、貓道機(jī)等設(shè)備，需要再辟出額外的空間放置其操作盒。

圖3為典型的電傳動司鉆房內(nèi)部，頂驅(qū)的操作盒單獨放置于操作臺上部，如果再增加貓道機(jī)、鐵鉆工、井架工等設(shè)備，無論是安放還是操作都會變得極其困難。此外，為了提高鉆井效率，管柱操作可以由副司鉆進(jìn)行離線作業(yè)，不需要占用主司鉆作業(yè)時間，在需要增加副司鉆工作位時，此種常規(guī)布置形式更加難以實現(xiàn)。因此，一體化司鉆座椅的設(shè)計凸顯其優(yōu)勢。一體化司鉆座椅的另一個優(yōu)勢就是將控制系統(tǒng)集中設(shè)計布置在一套工程座椅上，形成一個總成，使司鉆房的結(jié)構(gòu)設(shè)計和布置更加靈活，降低了協(xié)同設(shè)計的難度，增加了系統(tǒng)的可靠性。

圖3 典型的電傳動鉆機(jī)司鉆房內(nèi)部

5000 m智能地質(zhì)巖心鉆機(jī)使用一體化司鉆座椅，座椅集成了絞車、轉(zhuǎn)盤、頂驅(qū)、泥漿泵、繩索取心絞車、自動送鉆、盤剎、自動井架工、鐵鉆工、動力貓道機(jī)、動力卡瓦的控制。

2.3 司鉆座椅操作功能的簡約集成化設(shè)計

國內(nèi)的大型電傳動的油氣鉆機(jī)產(chǎn)品以集成化設(shè)計為主，很少有像NOV公司這種產(chǎn)品鏈齊全、可以提供完整鉆井包的廠家，其所有設(shè)備的控制都在一個統(tǒng)一系統(tǒng)架構(gòu)之下，接口統(tǒng)一，人機(jī)界面一致。國內(nèi)的采購一方面限于主機(jī)廠的能力，一方面限于一次性投入的成本考慮，會從多個廠商采購設(shè)備然后組合。這種方式雖然配套靈活，各類設(shè)備操作能獨立成體系，互不干擾，但司鉆房的空間布置凌亂，操作元器件無法交叉重復(fù)使用，造成空間浪費，系統(tǒng)兼容性變差，協(xié)同性變難，對司鉆的操作使用提出更高的要求。

5000 m智能地質(zhì)巖心鉆機(jī)控制系統(tǒng)使用統(tǒng)一平臺，統(tǒng)一界面，統(tǒng)一接口；不同時使用的設(shè)備，操作元器件共用；減少實體鈕、燈的使用，對于非重要和操作頻次低的控制元器件使用虛擬開關(guān)；增加虛擬儀表的使用，減少物理儀表的空間占用。

2.4 統(tǒng)一控制系統(tǒng)平臺，簡化接口

傳統(tǒng)電傳動鉆機(jī)的各獨立設(shè)備使用的控制器不盡相同，人機(jī)界面風(fēng)格迥異，通訊協(xié)議眾多，相互之間通訊交互困難。

5000 m智能地質(zhì)巖心鉆機(jī)無論是主機(jī)部分控制，還是井口自動化工具的獨立控制，均使用西門子S7-1200 PLC及S7通訊協(xié)議，人機(jī)界面統(tǒng)一，使用WINCC平臺開發(fā)。接口設(shè)計遵循“高內(nèi)聚，低耦合”的原則，簡化控制接口，降低操作難度[10]。

2.5 集成兼容監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

一般鉆機(jī)的CCTV監(jiān)控系統(tǒng)都是獨立的，司鉆房安裝一套主機(jī)，再安裝一臺懸掛式監(jiān)視器。

5000 m智能地質(zhì)巖心鉆機(jī)使用PoE供電的網(wǎng)絡(luò)攝像頭，通過司鉆房控制柜安裝的一臺PoE交換機(jī)進(jìn)行供電和傳輸視頻信號，然后將視頻信號交換機(jī)接入控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，再通過安裝在副司鉆的監(jiān)控客戶端解碼顯示，主司鉆通過WINCC平臺進(jìn)行解碼顯示，可以將視頻嵌入任何一張控制畫面。

2.6 人體工程學(xué)座椅設(shè)計

一體化司鉆座椅采用人體工程學(xué)設(shè)計，座椅可通過遙控器在四個維度調(diào)整姿態(tài)，觸摸屏的支架可以旋轉(zhuǎn)和前后傾調(diào)節(jié)位置方向。通過座椅和屏的共同調(diào)節(jié)，可以讓司鉆一直處于一種比較舒適的作業(yè)狀態(tài)，從而減輕疲勞，降低誤操作風(fēng)險。

5000 m智能地質(zhì)巖心鉆機(jī)的司鉆座椅高度為1500 mm，可在90°～120°范圍內(nèi)手動調(diào)整觸摸屏支架傾角，可電動調(diào)整座椅前后部升降(50 mm)、前后傾角(90°～160°)及前后位置(240 mm)。

3 主要設(shè)備的集成控制

3.1 盤剎集成控制

3.1.1 盤剎動力源的集成

盤剎的控制包含主絞車的盤剎和繩索取心絞車的盤剎。由于主絞車和繩索絞車在鉆井施工時不會同時使用，因此，在設(shè)計時將主絞車的盤剎動力源和繩索取心絞車的動力源設(shè)計為共用一套液壓動力站，節(jié)省了鉆臺面空間。

3.1.2 盤剎操作手柄的集成

主絞車盤剎包括安全鉗和工作鉗。安全鉗通過碟簧帶動鉗頭剎車，液壓松開，主要作為駐車使用，只有在緊急制動時參與動態(tài)剎車，因此在主司鉆一體化座椅上設(shè)計了一個駐車旋鈕和一個緊急制動按鈕，通過開關(guān)量來控制。工作鉗通過液壓缸帶動鉗頭剎車，泄油后彈簧松開，剎車力矩通過調(diào)節(jié)供油壓力的大小來實現(xiàn)，因此，在主司鉆一體化座椅上設(shè)計一個模擬量信號的手柄來進(jìn)行控制。

繩索取心絞車只安裝有一套安全鉗，作為在打撈巖心過程中絞車失控時緊急剎車使用，同時，還可以通過控制盤剎實現(xiàn)無動力下放打撈矛。同樣通過調(diào)節(jié)供油壓力大小來調(diào)節(jié)剎車鉗的剎車力矩，因此也需要使用一個模擬量手柄來進(jìn)行控制。

基于以上分析，可以將主絞車的盤剎手柄和繩索取心絞車的盤剎手柄合二為一，通過切換開關(guān)來切換盤剎手柄的功能，實現(xiàn)集中控制。

3.2 主絞車、繩索取心絞車及自動送鉆控制

主絞車和打撈絞車速度控制以及自動送鉆的手動速度控制共同使用一個控制手柄。手柄的控制權(quán)由絞車切換旋鈕確定，該旋鈕為三位自復(fù)位旋鈕，控制狀態(tài)有三種：絞車模式、打撈模式和無選擇模式。在絞車模式時，絞車/打撈選擇狀態(tài)顯示為絞車，手柄切換為控制絞車；在打撈模式時，絞車/打撈選擇狀態(tài)顯示為打撈，手柄切換為控制打撈絞車；在絞車模式或者打撈模式下，再切換一次當(dāng)前的狀態(tài)，會退出當(dāng)前選擇，變成無選擇模式，在無選擇模式下，可以通過手柄來控制自動送鉆。

3.3 頂驅(qū)和轉(zhuǎn)盤的集成控制

5000 m智能地質(zhì)巖心鉆機(jī)同時配置有轉(zhuǎn)盤和頂驅(qū)，但是不會同時使用，屬于多功能配置。轉(zhuǎn)盤通過一臺250 kW電機(jī)驅(qū)動，頂驅(qū)通過兩臺132 kW電機(jī)驅(qū)動。因此，在使用轉(zhuǎn)盤時，轉(zhuǎn)盤通過一臺功率為250 kW的變頻器驅(qū)動，在使用頂驅(qū)時，頂驅(qū)電機(jī)其中一臺由轉(zhuǎn)盤變頻器驅(qū)動，另外一臺由一臺功率為132 kW的變頻器驅(qū)動。參數(shù)配置方案則通過變頻柜門上的旋鈕來進(jìn)行切換選擇，而人機(jī)控制界面的操作及顯示則需要在HMI界面的頂驅(qū)轉(zhuǎn)盤選擇按鈕來實現(xiàn)切換，見圖4。

圖4 頂驅(qū)轉(zhuǎn)盤功能選擇界面

3.4 井口自動化工具的集成控制

井口自動化工具包含自動井架工、鐵鉆工和動力貓道機(jī)，三者用來傳輸和建立管柱，可以配合主司鉆加接桿，也可以離線上下鉆具。該功能設(shè)計為完全由副司鉆來操作，這3個設(shè)備都為多自由度、多維度運動，需要多軸操作，因此使用副司鉆座椅左右扶手的兩個多功能十字手柄操作[11-14]。由于這3個設(shè)備屬于順序流程作業(yè)，不需要同時動作，因此，將左右手柄設(shè)計成復(fù)用功能，功能通過扶手上的3位選擇開關(guān)來進(jìn)行切換。

3.4.1 自動井架工

自動井架工運動有小車前后移、大臂旋轉(zhuǎn)、大臂升降、小臂升降和小臂傾斜5個自由度。其中，前4個為比例閥控制，使用模擬量輸出。手柄功能定義和操作界面如圖5所示。

圖5 自動井架工控制示意圖

3.4.2 動力貓道機(jī)

動力貓道機(jī)大臂的升降和小車的前后移動使用比例閥控制，需要手柄的模擬量來控制，其他動作均為開關(guān)量閥，使用手柄的按鍵來操作，手柄功能和操作界面如圖6所示。

圖6 動力貓道機(jī)人機(jī)交互界面

3.4.3 鐵鉆工

鐵鉆工有鉗體的伸縮和升降兩個自由度，這兩組動作需要調(diào)節(jié)運動速度，因此使用比例閥進(jìn)行控制，其他均使用開關(guān)閥控制，操作手柄功能定義和操作界面如圖7所示。

圖7 鐵鉆工人機(jī)交互界面

4 結(jié)語

大型復(fù)雜陸地鉆機(jī)、海洋鉆井平臺、海洋鉆探船，從空間布局和控制系統(tǒng)拓展性考慮，集成控制系統(tǒng)都將是一種必然選擇。司鉆操作形式無論是從鉆機(jī)使用便捷性、作業(yè)流程協(xié)同性、研發(fā)生產(chǎn)統(tǒng)籌性考慮、還是人體使用工程學(xué)考慮，一體化司鉆控制座椅都將會是一種發(fā)展方向[15]。

一體化司鉆座椅集成的虛擬按鍵和儀表逐步替代物理按鍵和儀表將會是一種發(fā)展趨勢?，F(xiàn)代控制元器件的穩(wěn)定性正在被逐漸驗證，在控制系統(tǒng)冗余的情況下，虛擬儀表的穩(wěn)定性得到保障，其優(yōu)勢也得以發(fā)揮。同時虛擬儀表的使用也能減少司鉆房氣液管線的布置，讓司鉆房保持一個清爽的環(huán)境[16]。本鉆機(jī)在設(shè)計過程中，HMI界面設(shè)計有虛擬儀表，司鉆房同時保留有物理形式的指重表、泵壓表、氣壓表、盤剎的壓力表。在5000 m智能地質(zhì)巖心鉆機(jī)工程試驗階段，司鉆人員在整個工程試驗過程中，幾乎不用再關(guān)注過物理儀表。

一體化司鉆座椅的功能拓展性優(yōu)良，可以進(jìn)一步研究拓展一體化司鉆控制座椅的功能，嘗試將錄井功能納入控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，形成統(tǒng)一的信息平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；增加班報表輸出功能，通過自動記錄數(shù)據(jù)輸出班報表并打印，再人工輸入記錄部分信息，形成真實數(shù)據(jù)加人工記錄的形式。