韋丁午 趙海波 楊 飛

（渤海鉆探塔里木鉆井分公司）

石油鉆機(jī)行業(yè)產(chǎn)品個(gè)性化特點(diǎn)明顯， 非標(biāo)產(chǎn)品居多，不同的地區(qū)、井隊(duì)需要的產(chǎn)品也是不同的，尤其是鉆機(jī)電控系統(tǒng)定制化占比非常大，只有極少數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方案。 這導(dǎo)致電控系統(tǒng)柜體設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、 生產(chǎn)進(jìn)度慢、 調(diào)試難度大，現(xiàn)場(chǎng)電控系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性難以得到保證，整個(gè)項(xiàng)目運(yùn)維成本較高， 浪費(fèi)人力、 物力等資源。 面對(duì)鉆機(jī)電控產(chǎn)品需求的多樣性、快速性和可靠性， 如何在短時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出滿足用戶需求的產(chǎn)品，模塊化設(shè)計(jì)思路必不可少。 利用數(shù)據(jù)庫(kù)高效梳理標(biāo)準(zhǔn)功能實(shí)現(xiàn)模塊化管理， 對(duì)非標(biāo)功能進(jìn)行差異性存儲(chǔ)，建立獨(dú)立數(shù)據(jù)模塊，便于后續(xù)對(duì)比調(diào)用，達(dá)到設(shè)計(jì)專業(yè)化、生產(chǎn)自動(dòng)化和裝配高效化的目的［1～4］。

模塊化是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)細(xì)化拆分，尋求不同組合實(shí)現(xiàn)不同目的的過程。 鉆機(jī)電控系統(tǒng)內(nèi)部由不同柜體組合而成， 不同柜體又由不同元器件組成。 在設(shè)計(jì)非標(biāo)柜體時(shí)，就需要利用模塊化思想，盡量保證每個(gè)模塊可以獨(dú)立完成一個(gè)功能，減少內(nèi)部單元器件的數(shù)量，從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)獨(dú)立化。 對(duì)于功能復(fù)雜的部件，分解細(xì)化設(shè)計(jì)，對(duì)重要的模塊增加數(shù)據(jù)采集功能，便于后續(xù)監(jiān)測(cè)分析，同時(shí)還應(yīng)考慮模塊的可擴(kuò)展性［5～7］。

1 模塊化設(shè)計(jì)

鉆機(jī)電控系統(tǒng)分為直流控制系統(tǒng)和交流控制系統(tǒng)。4 000～9 000 m直流控制系統(tǒng)是電動(dòng)鉆機(jī)的主要組成部分，包括柴油機(jī)組控制單元、直流傳動(dòng)控制單元、司鉆操作控制單元、電磁剎車控制單元和電動(dòng)機(jī)控制單元5部分。 該系統(tǒng)將600 V交流電壓整流成0～750 V連續(xù)可調(diào)的直流電壓，無級(jí)調(diào)速驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，通過對(duì)直流接觸器的邏輯控制切換不同的指配關(guān)系。 而3 000～12 000 m交流控制系統(tǒng)的柴油機(jī)組控制單元和交流電動(dòng)機(jī)控制單元與4 000～9 000 m直流控制系統(tǒng)基本相同，在主電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制部分采用了先進(jìn)的數(shù)字變頻調(diào)速技術(shù)和直流斬波技術(shù)，使電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能更加優(yōu)越，并在調(diào)速范圍內(nèi)提供較高的功率因數(shù)，提高柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的使用效率。 ZJ50（70、80、90）D（B）直流（交流）控制系統(tǒng)控制裝置共有3個(gè)或4個(gè)SCR整流柜， 各柜中通過直流接觸器切換，以一拖二的方式驅(qū)動(dòng)泥漿泵、絞車、轉(zhuǎn)盤和頂驅(qū)［8～12］。交流控制裝置共有3個(gè)或4個(gè)GEN柜，分別對(duì)柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制，并網(wǎng)發(fā)電，在其負(fù)荷允許的范圍內(nèi)保證輸出600 V/50 Hz交流電，發(fā)電機(jī)可按照工況需要全部或部分線上運(yùn)行，此時(shí)負(fù)荷都能均勻分配。 司鉆通過PLC控制，完成各項(xiàng)鉆進(jìn)作業(yè)?？傮w上， 各類型號(hào)的鉆機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)各異，沒有合適的分類，設(shè)計(jì)人員自身因素占比較大。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)模塊設(shè)計(jì)及接口定義

標(biāo)準(zhǔn)化的模塊設(shè)計(jì)需保證整個(gè)鉆機(jī)ZJ50（70、80、90）D（B）系統(tǒng)確定且不變，采用自頂向下結(jié)構(gòu)的元器件封裝技術(shù)，包括器件形狀、參數(shù)設(shè)定、尺寸大小、主模型及文檔歸類等，通信接口統(tǒng)一采用Profibus總線控制。為了便于空間設(shè)計(jì)，可劃分不同標(biāo)準(zhǔn)件器件放置區(qū)域，規(guī)定安裝次序和范圍。

1.2 非標(biāo)模塊設(shè)計(jì)流程

建立非標(biāo)模塊的主結(jié)構(gòu)及其分類樹，設(shè)計(jì)包含所有模塊在內(nèi)的系統(tǒng)化產(chǎn)品。 首先根據(jù)技術(shù)協(xié)議分析客戶個(gè)性化需求，定制內(nèi)置模塊，進(jìn)行模塊劃分分類，通過發(fā)電系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)控制中心（MCC）系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)等進(jìn)行模塊配置，連接數(shù)據(jù)庫(kù)更新迭代數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容，最終出圖并進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)，根據(jù)圖紙裝配、安裝，最后分配技術(shù)人員參與單柜調(diào)試，當(dāng)柜體進(jìn)入房體時(shí)，再次進(jìn)行房體調(diào)試，最終將產(chǎn)品交付給客戶，通過反饋意見進(jìn)行校正對(duì)比，實(shí)現(xiàn)完整產(chǎn)品。

鉆機(jī)電控系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 鉆機(jī)電控系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)流程

1.3 Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)

采用企業(yè)Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)置鉆機(jī)分類目錄?？偨Y(jié)市場(chǎng)上現(xiàn)有電控系統(tǒng)的特征和未來電控系統(tǒng)的發(fā)展方向， 對(duì)電控系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的分類，并充分論證。針對(duì)ZJ50（70、80、90）D（B）等一個(gè)系列的電控系統(tǒng)做整體的規(guī)劃，不是每次只針對(duì)一套鉆機(jī)、一個(gè)項(xiàng)目去制定方案。 對(duì)鉆機(jī)電控系統(tǒng)綜合控制柜、發(fā)電機(jī)控制柜、開關(guān)柜、MCC柜及傳動(dòng)柜等不同控制柜體里面含有的電源、測(cè)量、工藝邏輯等功能進(jìn)一步去細(xì)化、歸類，做成標(biāo)準(zhǔn)的兼容模塊或PCB集成電路控制板，以供統(tǒng)一調(diào)用，如圖2所示。 對(duì)于具有差異性、 不同系列的電控系統(tǒng)，將差異部分單獨(dú)作為模塊進(jìn)行建模、建庫(kù)、設(shè)置參數(shù)及存儲(chǔ)等。

圖2 鉆機(jī)電控系統(tǒng)分類結(jié)構(gòu)

1.4 結(jié)構(gòu)精細(xì)化

基于數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)支持， 還可以進(jìn)一步細(xì)分，比如柜體的屬性、發(fā)電機(jī)數(shù)量、開關(guān)回路及MCC配置等。 另外，隨著國(guó)家對(duì)國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的支持，也可以建立國(guó)內(nèi)、國(guó)外產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)，便于訂正貨期保障、物流速度等條件。 結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計(jì)后可滿足不同產(chǎn)品（器件品牌、數(shù)量等）的兼容性和可擴(kuò)展性。 對(duì)控制柜內(nèi)的外接線端子進(jìn)行調(diào)整，使得柜與柜之間， 柜子到房端接插件之間盡可能“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一根線”完成，房?jī)?nèi)、房端的接線數(shù)量遵循數(shù)量少且距離短的原則。

1.5 通用模塊化設(shè)計(jì)

對(duì)元器件柜內(nèi)空間占比超過擬定尺寸的問題， 進(jìn)行通用模塊化設(shè)計(jì)。 結(jié)合程序調(diào)試——EMC摸底測(cè)試（靜電、群脈沖及浪涌等）和安規(guī)摸底測(cè)試（掉落試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)、高低溫試驗(yàn)及振動(dòng)試驗(yàn)等），待仿真模擬完成后，開始生產(chǎn)樣片、阻焊、裝配，同時(shí)編寫說明書、測(cè)試大綱等。 目前暫定器件及指標(biāo)如下：

a. 采用ARM 32位單片機(jī)芯片、IAR面向?qū)ο缶幊誊浖虯ltium Designer電路設(shè)計(jì)軟件；

b. 硬件配置點(diǎn)陣顯示、DS18B20溫度檢查、SD卡、 無線模塊、NET通信網(wǎng)口、485通信串口、TFT液晶屏等相關(guān)器件；

c. 8個(gè)LED燈、2個(gè)8段四聯(lián)數(shù)碼管、 高亮8×8矩陣；

d. 8個(gè)AD鍵盤；

e. 光敏電阻；

f. DS1302時(shí)鐘芯片，帶3.3 V紐扣電池；

g. 可讀寫SD卡文件，保存數(shù)據(jù)；

h. 直流（交流）電機(jī)接口；

i. 74HC537擴(kuò)展芯片作擴(kuò)展口；

j. MAX232串口數(shù)據(jù)傳輸以延長(zhǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)距離；

k. USB、Type-C接口下載程序；

l. ISP下載接口；

m. PS2鼠標(biāo)鍵盤接口。

上述相關(guān)設(shè)備和參數(shù)是基本擬定的，還需考慮如下硬件設(shè)計(jì)問題：

a. 存儲(chǔ)擴(kuò)展器，ROM、RAM形式，RAM要具有掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)功能；

b. I/O接口擴(kuò)展，選擇合適的地址譯碼方式；

c. 輸入通道設(shè)計(jì)，包括開關(guān)量、模擬量輸入設(shè)計(jì)，模擬輸入要結(jié)合信號(hào)檢測(cè)環(huán)節(jié)（傳感器、信號(hào)處理電路等），考慮傳輸信號(hào)的形式、線性化、補(bǔ)償、信號(hào)處理等和A/D轉(zhuǎn)換的選擇；

d. 輸出通道設(shè)計(jì)，包括開關(guān)量、模擬量輸出設(shè)計(jì)，考慮功率、控制方式（繼電器、可控硅、三極管等），模擬量輸出考慮D/A轉(zhuǎn)換器；

e. 人機(jī)界面設(shè)計(jì)， 包括鍵盤開關(guān)、 撥碼器、啟/停操作、復(fù)位、顯示及報(bào)警等；

f. 負(fù)載容限，采取總線驅(qū)動(dòng)，設(shè)置單向或雙向驅(qū)動(dòng)器；

g. 電源配置， 選用三端穩(wěn)壓器 （如79**系列）；

h. 抗干擾措施，去耦濾波、通道隔離等。

2 鉆機(jī)提升系統(tǒng)模塊化

鉆機(jī)提升系統(tǒng)主要包括絞車和游吊系統(tǒng)，絞車滾筒上安裝的編碼器是提升系統(tǒng)的重要部件之一，常用編碼器脈沖信號(hào)計(jì)算大鉤高度。 為了便于可視化操作，采用模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)、用戶管理和模塊資源配置3部分。產(chǎn)品模塊化思想就是對(duì)各種設(shè)計(jì)資源進(jìn)行具體操作，按照用戶要求將不同型號(hào)的編碼器作為配置資源，輸入自定義的編號(hào)及其相對(duì)應(yīng)的滾筒直徑、滾筒每層纏繞的圈數(shù)、鋼絲繩直徑、第1層死繩圈數(shù)、繩系等參數(shù)，就能得出對(duì)應(yīng)編碼器模塊的大鉤位置計(jì)算值， 若結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際不符，調(diào)整參數(shù)或配置其他類型編碼器，直至滿足現(xiàn)場(chǎng)用戶需求。 如果需要更加精確地控制機(jī)具運(yùn)行，可總結(jié)各個(gè)井隊(duì)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際參數(shù)， 作為參考依據(jù)，進(jìn)行參數(shù)模型的建立，若用戶需求的參數(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的參數(shù)一致或近似，可當(dāng)作提升系統(tǒng)模塊化的輸入?yún)?shù)，仿真現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，為調(diào)試人員減輕負(fù)擔(dān)，同時(shí)增加整體設(shè)備的可靠性、適配性。 鉆機(jī)提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分如圖3所示。

圖3 鉆機(jī)提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分

3 MCC系統(tǒng)模塊化

MCC系統(tǒng)常用400 V/50 Hz電壓來分配給鉆機(jī)用電設(shè)備， 使用溫度-50～+50 ℃， 相對(duì)濕度90%，當(dāng)發(fā)電模塊正常工作時(shí)，抽屜面板紅色指示燈亮，顯示回路得電，斷路器儲(chǔ)能完成白色指示燈亮，當(dāng)合閘完成后，綠色指示燈亮，并向母排供電。 主母排具備400 V電后對(duì)MCC抽屜進(jìn)行供電，供電時(shí)電源指示燈亮，將軟啟動(dòng)操作手柄轉(zhuǎn)動(dòng)至合閘位置后，白色運(yùn)行指示燈亮起，按下啟動(dòng)按鈕使能指示燈亮起，內(nèi)置端子、繼電器等元器件由PCB板（ARM32）代替，便于信號(hào)傳輸，抽屜啟動(dòng)時(shí)的電流經(jīng)過轉(zhuǎn)換作為PCB板模擬信號(hào)輸入量，監(jiān)測(cè)MCC控制設(shè)備的啟動(dòng)和運(yùn)行電流。 FVNR與HOA控制回路分為本地和遠(yuǎn)程兩種操作模式，抽屜手柄轉(zhuǎn)到合閘位置，可以切換本地啟動(dòng)或遠(yuǎn)程啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)絞車、風(fēng)機(jī)、泵區(qū)及灌區(qū)等的供電功能。 MCC抽屜具備保護(hù)和控制功能，包括短路保護(hù)、缺相保護(hù)及熱繼保護(hù)等，且同一尺寸、功率下的抽屜可相互備用，圖4為MCC系統(tǒng)示意圖。

圖4 MCC系統(tǒng)示意圖

4 結(jié)束語

鉆機(jī)行業(yè)相關(guān)產(chǎn)品復(fù)雜多樣且個(gè)性化較強(qiáng)，筆者針對(duì)鉆機(jī)電控系統(tǒng)重點(diǎn)控制的提升系統(tǒng)和MCC系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，并且采用基于數(shù)據(jù)庫(kù)的模塊存儲(chǔ)方法，減少了裝配、安裝、調(diào)試過程的出錯(cuò)率，減輕了設(shè)計(jì)人員的工作量。 筆者針對(duì)常見的電控系統(tǒng)通用功能采用ARM32 芯片、MAX232串口、無線模塊、DS18B20溫度等模擬/數(shù)字元件做模塊化的PCB板應(yīng)用開發(fā)， 優(yōu)化電控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 降低安裝成本及節(jié)省裝配空間，提高設(shè)備的管理效率。 因此，該設(shè)計(jì)思路有很好的借鑒意義。