李慶福， 史金紅， 李娜， 袁方， 田德寶， 楊豐博， 馮帆， 秦弈涵， 邱立波

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞721000；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞721000）

0 引 言

目前電動鉆機各系統(tǒng)設備信號檢測傳感器較少并且鉆機數(shù)據(jù)沒有統(tǒng)一收集管理，導致鉆探公司管理單位無法及時掌握鉆機的實時運行情況，鉆機出現(xiàn)問題時無法提前預警并及時解決，影響鉆井效率。為使鉆探公司管理單位能夠及時掌握鉆機的實時運行情況及提高鉆井效率，必須對鉆機各系統(tǒng)設備數(shù)據(jù)進行采集并統(tǒng)一進行監(jiān)測管理。

1 電動鉆機監(jiān)控系統(tǒng)方案設計

電動鉆機信息服務系統(tǒng)以鉆機配套的轉(zhuǎn)盤、絞車、泥漿泵、頂驅(qū)、鉆機電控系統(tǒng)、鉆井儀表系統(tǒng)、柴油發(fā)電機組、管柱處理設備（主要包括動力貓道、鐵鉆工、鉆臺機械手、二層臺機械手等）等關鍵系統(tǒng)設備作為監(jiān)控對象，采集各關鍵系統(tǒng)設備的數(shù)據(jù)信息，鉆機電控系統(tǒng)（包含轉(zhuǎn)盤、絞車、泥漿泵數(shù)據(jù)信息）、鉆井儀表系統(tǒng)、柴油發(fā)電機組、頂驅(qū)均通過TCP/IP工業(yè)以太網(wǎng)有線通信方式將數(shù)據(jù)傳輸至鉆機現(xiàn)場歸檔服務器，TCP/IP工業(yè)以太網(wǎng)通信方式可靠性高、數(shù)據(jù)傳輸速度快、實時性強、支持各種主流局域網(wǎng)絡協(xié)議[1]。管柱處理設備通過無線傳輸方式將數(shù)據(jù)傳輸至鉆機現(xiàn)場歸檔服務器。鉆機現(xiàn)場歸檔服務器將收集的鉆機數(shù)據(jù)信息通過無線方式傳輸至隊長辦公室后臺服務器，隊長辦公室后臺服務器以4G網(wǎng)絡通信方式將鉆機數(shù)據(jù)信息傳輸至隊長辦公室監(jiān)測單元（實時在線監(jiān)測單臺鉆機的運行情況）和鉆探公司監(jiān)測單元（實時在線監(jiān)測多臺鉆機的運行情況）?？蓪崿F(xiàn)實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)異常報警、維護保養(yǎng)提示、故障分析、音頻遠程支持、設備型號查詢等功能?，F(xiàn)場信息的集成是鉆機發(fā)展的必然趨勢，高度集成的現(xiàn)場信息將極大增強鉆探公司對鉆機運行情況的掌握，通過傳感器進行現(xiàn)場信息的采集，通過計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)統(tǒng)一監(jiān)控，實現(xiàn)集中管理[2]。電動鉆機信息服務系統(tǒng)網(wǎng)絡圖如圖1所示，電動鉆機信息服務系統(tǒng)包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集單元、遠程傳輸單元、在線監(jiān)測單元等。

1.1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集單元設計

主要由數(shù)據(jù)采集部分、網(wǎng)絡交換機、鉆機現(xiàn)場歸檔服務器等設備組成。網(wǎng)絡交換機和鉆機現(xiàn)場歸檔服務器安裝在鉆機電控房內(nèi)，數(shù)據(jù)采集部分通過與網(wǎng)絡交換機的通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳至鉆機現(xiàn)場歸檔服務器，鉆機現(xiàn)場歸檔服務器對鉆機數(shù)據(jù)信息進行處理并進行歸檔，鉆機數(shù)據(jù)信息主要包括鉆機電控系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息、轉(zhuǎn)盤數(shù)據(jù)信息、絞車數(shù)據(jù)信息、泥漿泵數(shù)據(jù)信息、管柱處理設備數(shù)據(jù)信息、鉆井儀表系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息、柴油發(fā)電機組數(shù)據(jù)信息、頂驅(qū)數(shù)據(jù)信息等。

圖1 電動鉆機信息服務系統(tǒng)網(wǎng)絡圖

1）鉆機電控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集設計。鉆機電控系統(tǒng)主要由主電動機驅(qū)動器（SCR柜或變頻器）、MCC配電系統(tǒng)、鉆機電控系統(tǒng)PLC等組成，主電動機驅(qū)動器（SCR柜或變頻器）、MCC配電系統(tǒng)、鉆機電控系統(tǒng)PLC均安裝在鉆機電控房內(nèi)，用于轉(zhuǎn)盤、絞車、泥漿泵主電動機的驅(qū)動控制以及鉆機井場設備供電等?？刂葡到y(tǒng)以PLC為控制核心，PLC與主電動機驅(qū)動器及MCC配電系統(tǒng)之間通過通信的方式進行連接，并通過PLC對其進行控制。

a.主電動機驅(qū)動器（SCR柜或變頻器）數(shù)據(jù)采集設計。電動鉆機的轉(zhuǎn)盤、絞車、泥漿泵主電動機通過鉆機電控房內(nèi)的SCR柜（用于驅(qū)動控制直流電動機）或變頻器（用于驅(qū)動控制交流變頻電動機）進行驅(qū)動控制，SCR柜或變頻器與鉆機電控系統(tǒng)PLC進行通信并由PLC對SCR柜或變頻器進行控制。SCR柜和變頻器通過自帶的檢測模塊檢測自身的電流、電壓、轉(zhuǎn)矩、速度、故障信息、狀態(tài)顯示等信號，并通過與PLC通信的方式將信息傳輸至鉆機電控系統(tǒng)PLC。鉆機電控系統(tǒng)PLC與現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集單元的網(wǎng)絡交換機通過工業(yè)以太網(wǎng)通信方式將鉆機電控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息傳輸給鉆機現(xiàn)場歸檔服務器。

b.鉆機電控房MCC配電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集設計。MCC配電系統(tǒng)每個配電回路配置測量模塊（檢測電壓、電流等）、通信模塊，用于采集配電回路的數(shù)據(jù)信息，配電回路的通信模塊通過與鉆機電控系統(tǒng)PLC進行通信將數(shù)據(jù)傳輸至鉆機電控系統(tǒng)PLC?？蓪CC配電系統(tǒng)中每個配電回路進行全面的管理、控制和保護，以減少設備端的故障停機時間，提高工作效率。鉆機電控系統(tǒng)PLC與現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集單元的網(wǎng)絡交換機通過工業(yè)以太網(wǎng)通信方式將MCC配電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息傳輸給鉆機現(xiàn)場歸檔服務器。

c.游車高度數(shù)據(jù)采集設計。在絞車滾筒軸安裝編碼器，由鉆機電控系統(tǒng)PLC采集編碼器信號,精確計算出當前游車的高度，鉆機電控系統(tǒng)PLC與現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集單元的網(wǎng)絡交換機通過工業(yè)以太網(wǎng)通信方式將游車高度的數(shù)據(jù)信息傳輸給鉆機現(xiàn)場歸檔服務器。

2）轉(zhuǎn)盤、絞車、泥漿泵數(shù)據(jù)采集設計。通過配置轉(zhuǎn)盤、絞車及泥漿泵的主電動機繞組溫度傳感器、潤滑油壓傳感器、測速編碼器等檢測傳感器檢測相關信號并將信號連接至相應設備主電動機接線箱，通過鉆機電控系統(tǒng)與相應設備主電動機接線箱之間的多芯控制電纜備用線芯將上述信號接入鉆機電控系統(tǒng)PLC。各設備主電動機的電流、電壓、轉(zhuǎn)矩信號通過各自主電動機驅(qū)動器（SCR柜或變頻器）直接采集并有線通信傳輸給鉆機電控系統(tǒng)PLC。各設備的啟停、檔位反饋、運行反饋等信號均通過鉆機電控系統(tǒng)PLC進行直接采集。鉆機電控系統(tǒng)PLC與現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集單元的網(wǎng)絡交換機通過工業(yè)以太網(wǎng)通信方式將轉(zhuǎn)盤、絞車及泥漿泵的數(shù)據(jù)信息傳輸給鉆機現(xiàn)場歸檔服務器。

3）管柱處理設備數(shù)據(jù)采集設計。管柱處理設備主要包括動力貓道、鐵鉆工、鉆臺機械手、二層臺機械手等子設備，用于完成鉆桿、鉆鋌或套管等管柱的輸送、連接和排放作業(yè)。每個子設備控制箱自帶PLC控制器對設備進行控制，各子設備通過配置相關傳感器檢測轉(zhuǎn)速、行程、管線壓力、電流、轉(zhuǎn)矩、狀態(tài)反饋等信號，并將檢測到的信號傳輸至各自PLC?？紤]到各管柱處理子設備布局比較分散，與鉆機現(xiàn)場歸檔服務器有線通信連接不便的情況，在每個管柱處理子設備控制箱中配置1個無線發(fā)射模塊，無線發(fā)射模塊與各自PLC控制器進行有線通信連接，同時在鉆機現(xiàn)場歸檔服務器附近配置1個無線接收模塊用于接收各管柱處理子設備的數(shù)據(jù)信息，無線接收模塊與鉆機現(xiàn)場歸檔服務器采取有線通信連接，將接收到的數(shù)據(jù)信息存儲在鉆機現(xiàn)場歸檔服務器。

4）鉆井儀表系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集設計。鉆井儀表系統(tǒng)通過配置懸重、立管壓力、吊鉗轉(zhuǎn)矩、泵沖、游車位置、游車速度、出口泥漿返回量、泥漿罐泥漿體積（液位）的檢測傳感器，直接檢測上述儀表參數(shù)信號。通過儀表系統(tǒng)計算間接檢測鉆壓、累計泵沖、泥漿泵排量、井深、鉆頭深度、噸公里，以及其它鉆井工程用衍生參數(shù)。

鉆井儀表系統(tǒng)的DAQ數(shù)據(jù)采集單元與檢測傳感器之間通過CAN總線方式進行通信并采集所有鉆井儀表參數(shù)，DAQ數(shù)據(jù)采集單元通過CAN總線通信方式將全部鉆井儀表參數(shù)傳輸至鉆井儀表系統(tǒng)OPC服務器，OPC服務器將儀表系統(tǒng)參數(shù)進行分類、設置、存檔。儀表系統(tǒng)OPC服務器（安裝在鉆機電控房內(nèi)）與現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集單元的網(wǎng)絡交換機通過工業(yè)以太網(wǎng)通信方式將鉆井儀表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息傳輸給鉆機現(xiàn)場歸檔服務器。

5）柴油發(fā)電機組數(shù)據(jù)采集設計。每臺柴油發(fā)電機組自帶1個柴油發(fā)電機組數(shù)據(jù)采集單元，用于采集柴油發(fā)電機組中發(fā)動機及發(fā)電機的相關數(shù)據(jù)參數(shù)。柴油發(fā)電機組與鉆機電控房并列擺放，每臺柴油發(fā)電機組數(shù)據(jù)采集單元分別與現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集單元的網(wǎng)絡交換機通過工業(yè)以太網(wǎng)通信方式將柴油發(fā)電機組的數(shù)據(jù)信息傳輸給鉆機現(xiàn)場歸檔服務器。

6）頂驅(qū)數(shù)據(jù)采集設計。頂驅(qū)自帶電控房，頂驅(qū)電控房內(nèi)主要配置有變頻器、PLC控制器等，用于頂驅(qū)的驅(qū)動控制，頂驅(qū)變頻器與頂驅(qū)PLC之間采用有線通信連接并由PLC對變頻器進行控制。頂驅(qū)的電流、電壓、轉(zhuǎn)矩、故障信息等信號由頂驅(qū)PLC直接在頂驅(qū)變頻器上通過有線通信方式進行采集。通過配置頂驅(qū)測速編碼器、頂驅(qū)吊環(huán)傾斜檢測傳感器、背鉗狀態(tài)檢測傳感器、IBOP閥狀態(tài)檢測傳感器等檢測元器件檢測頂驅(qū)轉(zhuǎn)速、狀態(tài)反饋等信號，并將信號接入頂驅(qū)PLC。頂驅(qū)PLC與現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集單元的網(wǎng)絡交換機通過工業(yè)以太網(wǎng)通信方式將頂驅(qū)的數(shù)據(jù)信息傳輸給鉆機現(xiàn)場歸檔服務器。

1.2 遠程傳輸單元設計

主要由無線網(wǎng)橋組成，在鉆機現(xiàn)場和隊長辦公室分別配置一套無線網(wǎng)橋，鉆機現(xiàn)場歸檔服務器與鉆機現(xiàn)場無線網(wǎng)橋之間、隊長辦公室無線網(wǎng)橋與隊長辦公室后臺服務器之間均采用工業(yè)以太網(wǎng)通信方式進行連接，通過無線網(wǎng)橋以無線傳輸方式將鉆機現(xiàn)場歸檔服務器內(nèi)的所有數(shù)據(jù)信息傳輸至隊長辦公室后臺服務器。無線通信中的信息傳輸是以電磁波為傳輸載體，信息數(shù)據(jù)通過電磁波的傳輸，到達指定接收的網(wǎng)絡計算機中，不受任何電路的范圍限制，方便快捷[3]。

1.3 在線監(jiān)測單元設計

在線監(jiān)測單元包括隊長辦公室后臺服務器、隊長辦公室監(jiān)測單元、鉆探公司監(jiān)測單元。隊長辦公室后臺服務器以4G網(wǎng)絡通信方式將鉆機數(shù)據(jù)信息傳輸至隊長辦公室監(jiān)測單元和鉆探公司監(jiān)測單元。

隊長辦公室后臺服務器用于存儲鉆機數(shù)據(jù)信息并進行歸檔。隊長辦公室監(jiān)測單元主要由監(jiān)測工作站、授權的網(wǎng)絡賬號等組成。隊長辦公室監(jiān)測單元通過4G網(wǎng)絡接收來自隊長辦公室后臺服務器的數(shù)據(jù)信息，監(jiān)測工作站設計轉(zhuǎn)盤、絞車、泥漿泵、頂驅(qū)、鉆機電控系統(tǒng)、柴油發(fā)電機組、管柱處理設備等關鍵設備參數(shù)的監(jiān)測頁面用于各設備運行狀態(tài)監(jiān)控。對系統(tǒng)用戶進行驗證和權限管理，為不同對象提供不同的訪問權限[4]，隊長辦公室人員通過登錄授權的訪問網(wǎng)址和登錄帳號，即可實現(xiàn)被監(jiān)測鉆機參數(shù)實時顯示、參數(shù)異常報警、故障分析、維護保養(yǎng)提示、設備型號查詢等功能?？筛鶕?jù)需要查看被監(jiān)測鉆機轉(zhuǎn)盤、絞車、泥漿泵、頂驅(qū)、鉆機電控系統(tǒng)、柴油發(fā)電機組、管柱處理設備等關鍵設備參數(shù)的監(jiān)測頁面，并對監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行歷史數(shù)據(jù)查詢。

鉆探公司監(jiān)測單元主要由電腦、4G網(wǎng)絡、授權的網(wǎng)絡賬號等組成。鉆探公司監(jiān)測單元通過4G網(wǎng)絡接收來自隊長辦公室后臺服務器的數(shù)據(jù)信息，對系統(tǒng)用戶進行驗證和權限管理，為不同對象提供不同的訪問權限，鉆探公司相關人員通過登錄授權的訪問網(wǎng)址和登錄帳號，即可實現(xiàn)被監(jiān)測鉆機參數(shù)實時顯示、參數(shù)異常報警、故障分析、音頻遠程技術支持、維護保養(yǎng)提示、設備型號查詢等功能?？筛鶕?jù)需要查看具體鉆機轉(zhuǎn)盤、絞車、泥漿泵、頂驅(qū)、鉆機電控系統(tǒng)、柴油發(fā)電機組、管柱處理設備等關鍵設備參數(shù)的監(jiān)測頁面，并對監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行歷史數(shù)據(jù)查詢?？蓪崟r在線監(jiān)測其所管理的多臺配備該系統(tǒng)的鉆機實際運行情況，通過故障診斷流程圖編寫故障診斷程序、收集故障診斷工程案例、整理現(xiàn)場故障診斷經(jīng)驗等多種方式建立專家故障診斷數(shù)據(jù)庫[5]，為鉆探公司管理單位遠程集中管理和決策提供信息支持。

2 結(jié) 語

通過配置鉆機信息服務系統(tǒng)，鉆探公司管理單位可實現(xiàn)被監(jiān)測鉆機參數(shù)實時顯示、參數(shù)異常報警、故障分析、音頻遠程技術支持、維護保養(yǎng)提示、設備型號查詢等功能?？筛鶕?jù)需要查看具體鉆機轉(zhuǎn)盤、絞車、泥漿泵、頂驅(qū)、鉆機電控系統(tǒng)、柴油發(fā)電機組、管柱處理設備等關鍵設備參數(shù)的監(jiān)測頁面，并對監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行歷史數(shù)據(jù)查詢?？蓪崟r在線監(jiān)測其所管理的多臺配備該系統(tǒng)的鉆機實際運行情況，為鉆探公司管理單位遠程集中管理和決策提供信息支持。有利于迅速解決鉆機現(xiàn)場出現(xiàn)的問題，提高鉆井效率，保證鉆機安全可靠運行。