淺析LDB型鉆機(jī)通訊控制網(wǎng)絡(luò)的一種新型總線(xiàn)構(gòu)成

盧 晨

中國(guó)石化江漢石油管理局第四機(jī)械廠(chǎng) 自動(dòng)控制研究所 （湖北 荊州 434024）

從鉆機(jī)的控制與驅(qū)動(dòng)上來(lái)區(qū)分，現(xiàn)有的鉆機(jī)主要有鏈?zhǔn)郊儾裼蜋C(jī)驅(qū)動(dòng)、柴油機(jī)與變頻器混合驅(qū)動(dòng)、全交流變頻VFD（Variable Frequency Drive）驅(qū)動(dòng)與全直流可控硅整流調(diào)速SCR(Silicon Controlled Rectifier)驅(qū)動(dòng)4種方式。新型LDB型鉆機(jī)通訊控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)屬于第二種混驅(qū)方式，主要從鉆機(jī)的轉(zhuǎn)盤(pán)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)與液氣系統(tǒng)控制方面，闡述了LDB型鉆機(jī)的一種新式網(wǎng)絡(luò)布局。此種布局通過(guò)總線(xiàn)的方式，將電控液氣路的功能控制與電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)的閉環(huán)控制串聯(lián)在一起，并在液氣路總線(xiàn)構(gòu)架上，將傳統(tǒng)的多芯插接閥島改進(jìn)為總線(xiàn)型閥島，實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)安全報(bào)警自動(dòng)反應(yīng)的功能。規(guī)范了司鉆人員的操作流程，提高了日常維護(hù)檢修的效率，減少了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)成本，降低了故障的發(fā)生率，增加了鉆機(jī)聯(lián)動(dòng)的安全性。

1 基本結(jié)構(gòu)組成

LDB型鉆機(jī)在電氣硬件與功能上主要分為3大控制系統(tǒng)：①M(fèi)CC（Motor Control Center）房的供配電系統(tǒng)；②VFD轉(zhuǎn)盤(pán)變頻控制系統(tǒng)（含小電機(jī)自動(dòng)送鉆系統(tǒng)）；③總線(xiàn)液氣路閥島控制系統(tǒng)。

另外還包括柴油機(jī)油門(mén)控制等小型操控系統(tǒng)。圖1、圖2分別是傳統(tǒng)LDB鉆機(jī)與新型總線(xiàn)鉆機(jī)的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)圖。

如圖2所示，處在控制最頂層的是司鉆房的操作與 HMI（Human Machine Interface）人機(jī)界面系統(tǒng)，司控人員通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)控制整臺(tái)鉆機(jī)的運(yùn)行和鉆井作業(yè)。當(dāng)司鉆人員發(fā)出操作指令時(shí)，處在第二層的邏輯控制器接受指令后向更下層的執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出命令來(lái)指導(dǎo)各種機(jī)構(gòu)運(yùn)行。

2 新型總線(xiàn)布局在LDB鉆機(jī)主要系統(tǒng)區(qū)域的物理功能

常見(jiàn)機(jī)型如江漢40LDB鉆機(jī)，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)具體功能的過(guò)程中運(yùn)用新型總線(xiàn)布局。

（1）MCC部分：MCC主要功能是對(duì)整臺(tái)鉆機(jī)的電機(jī)提供各種電壓與功率的電源。其主要的供配電對(duì)象有：鉆進(jìn)電路、司鉆房控制系統(tǒng)、井架電路、泥漿固控系統(tǒng)，送鉆電機(jī)（應(yīng)急電機(jī)）、井架安全系統(tǒng)等。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在此部分的應(yīng)用可以使MCC部分智能化，簡(jiǎn)單地說(shuō)，將各耗電功率單元的數(shù)據(jù)采集進(jìn)PLC，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)的集成數(shù)據(jù)傳輸將各單元的啟停、開(kāi)關(guān)、運(yùn)行的情況用指示儀、信號(hào)燈、或上位機(jī)的方式傳達(dá)給主控人員或司鉆人員，使其可以一目了然的監(jiān)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)的現(xiàn)狀，更可以通過(guò)此種總線(xiàn)模式控制與改變單元的工況（圖3）。

（2）VFD轉(zhuǎn)盤(pán)與送鉆變頻控制系統(tǒng)：轉(zhuǎn)盤(pán)系統(tǒng)在傳統(tǒng)鉆機(jī)里控制著鉆桿的旋轉(zhuǎn)與上卸扣等工藝，是重要的組成部分。自動(dòng)送鉆系統(tǒng)在電驅(qū)鉆機(jī)里是反饋控制原理運(yùn)用在傳統(tǒng)鉆機(jī)上的一個(gè)突破，變頻傳動(dòng)以DTC（Direct Torque Control直接轉(zhuǎn)矩控制）或V/F(電壓/電流)控制方式驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)盤(pán)電機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)與變頻送鉆電機(jī)系統(tǒng)在很大程度上簡(jiǎn)化了機(jī)械傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)，更方便了系統(tǒng)的控制?？偩€(xiàn)在此系統(tǒng)內(nèi)更是擔(dān)當(dāng)了數(shù)據(jù)監(jiān)控與傳輸?shù)妮d體（圖4），司控人員通過(guò)總線(xiàn)與終端可以方便的觀(guān)測(cè)轉(zhuǎn)盤(pán)的力矩、速度、下鉆深度、進(jìn)度、壓力以及電機(jī)電流，運(yùn)行功率等參數(shù)，并可以控制轉(zhuǎn)盤(pán)和送鉆電機(jī)的運(yùn)行、鉆進(jìn)與輸出力矩大小。

圖1 傳統(tǒng)LDB型鉆機(jī)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 新型總線(xiàn)鉆機(jī)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 MCC總線(xiàn)聯(lián)接系統(tǒng)

（3）總線(xiàn)型閥島控制系統(tǒng)：閥島控制系統(tǒng)主要以3組集成的電磁閥片構(gòu)成的氣路閥島箱 （絞車(chē)閥島箱、轉(zhuǎn)盤(pán)閥島箱、并車(chē)閥島箱）組成。通過(guò)PLC程序邏輯來(lái)控制鉆機(jī)的全氣路系統(tǒng)。該系統(tǒng)在整臺(tái)鉆機(jī)中主要接管運(yùn)行的安全保護(hù)作用。總線(xiàn)型的閥島控制系統(tǒng)是以通訊總線(xiàn)為樞紐，聯(lián)接貫穿3個(gè)集成箱體，從布線(xiàn)上改變了傳統(tǒng)普通閥島箱體用多芯橡套電纜星狀布局的特點(diǎn)(圖5)，直接用帶屏蔽的雙軸實(shí)芯總線(xiàn)電纜采用“一”字布局的形式，將3個(gè)氣路閥島箱的控制與反饋信號(hào)串接給PLC，同時(shí)摒棄了箱體上普通的多芯（一般二三十芯）插接件這種多故障形配件，改用二芯夾緊形接頭，大大減少了故障發(fā)生點(diǎn)，保證了鉆機(jī)正常運(yùn)行（圖6）。

圖4 VFD總線(xiàn)聯(lián)接系統(tǒng)

圖5 閥島控制系統(tǒng)（原型）

圖6 閥島控制系統(tǒng)（改進(jìn)型）

3 新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其產(chǎn)生的效益

傳統(tǒng)型LDB鉆機(jī)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比新型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多出一個(gè)運(yùn)算控制中心（CPU）和人機(jī)界面（HMI）設(shè)備，而且液氣路控制閥島采用的是多芯線(xiàn)插接型閥島，而在新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中統(tǒng)一改為總線(xiàn)型閥島。淺析其改進(jìn)后的效果有以下4個(gè)特點(diǎn)：

（1）鉆機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中操作更為方便，功能更為緊湊。統(tǒng)一后的系統(tǒng)各部件在操作控制方面可以互相作用，安全制約。3大部件除了具有各自的基本功能外，相互之間在工藝上也有連鎖、順序、互鎖等作用。例如，應(yīng)急電機(jī)不停止運(yùn)行，貿(mào)然將電機(jī)的閥島箱鎖檔機(jī)構(gòu)打開(kāi)，會(huì)造成飛車(chē)，脫檔等運(yùn)行事故，而這些操作上可能犯的失誤，在程序邏輯上均要作技術(shù)防范處理。故以PLC為邏輯運(yùn)算中樞的整個(gè)控制系統(tǒng)集成了大量的互鎖邏輯、順序邏輯、自動(dòng)觸發(fā)安全報(bào)警措施、應(yīng)急冗余操作措施等保障性功能，這些安全功能使得整臺(tái)鉆機(jī)的控制有了無(wú)形的安全保障，其反映則是邏輯嚴(yán)密的總線(xiàn)程序避開(kāi)所有的誤操作產(chǎn)生的失誤，大量減少了因此產(chǎn)生的部件損壞的機(jī)率，避免與縮短了檢修浪費(fèi)的施工時(shí)間，提高了施工的連貫性。

（2）避免了諧波干擾與其他人為可能造成的通訊故障。變頻器的最大缺陷就是會(huì)產(chǎn)生諧波干擾問(wèn)題，產(chǎn)生的諧波會(huì)影響系統(tǒng)數(shù)據(jù)的交換與傳播。由于新式網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，避免了大量數(shù)據(jù)在2個(gè)運(yùn)算中心進(jìn)行交換的可能性，極大地減少了信息互換過(guò)程中的衰減與干擾，減少了協(xié)議的轉(zhuǎn)換與網(wǎng)關(guān)。同時(shí)由于將多芯式閥島箱也改進(jìn)為總線(xiàn)型閥島箱，使得故障頻頻的多芯接插件被總線(xiàn)式回路所替代，也極大地減少了通訊交換的接觸點(diǎn)，減少了鉆機(jī)因之停機(jī)的概率[1]。

（3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。以江漢40LDB這種常見(jiàn)的鉆機(jī)為例，統(tǒng)一后的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)減少了一個(gè)控制運(yùn)算中樞與人機(jī)上位，在軟件設(shè)計(jì)與硬件組態(tài)上將會(huì)更加緊湊無(wú)隙、邏輯嚴(yán)謹(jǐn)。一字串聯(lián)型的總線(xiàn)結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的最大收益即大量減少了信號(hào)的失幀與干擾。同時(shí)因?yàn)闇p少一個(gè)CPU即鉆機(jī)的控制運(yùn)算中心，節(jié)省了約1/3的總線(xiàn)搭配成本。

（4）維護(hù)方便。采用兩芯總線(xiàn)一貫到底的簡(jiǎn)單串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得鉆機(jī)的通訊接觸點(diǎn)大量的減少，當(dāng)出現(xiàn)干擾與DP失幀的故障時(shí)，技術(shù)后勤人員可以方便的知道是哪個(gè)DP總線(xiàn)部分出的故障，進(jìn)而進(jìn)行簡(jiǎn)單的維護(hù)和元器件替換，直接消除干擾或接觸不良帶來(lái)的問(wèn)題[2]。

4 結(jié) 論

總線(xiàn)型通訊功能在鉆機(jī)上的成功運(yùn)用，是電氣電子技術(shù)與芯片控制技術(shù)發(fā)展的結(jié)果，它摒棄了普通繼電器式的硬線(xiàn)控制，以通訊協(xié)議的方式承載了數(shù)據(jù)的流通，控制與監(jiān)視。從成本與運(yùn)行的效益來(lái)看，是其他控制方式不能比擬的。新型總線(xiàn)結(jié)構(gòu)在鉆機(jī)的運(yùn)行中體現(xiàn)出集成、靈活、高效的優(yōu)勢(shì)。

[1]廖常初.西門(mén)子工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)組態(tài)編程與故障診斷[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[2]吉順平.西門(mén)子現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通信原理與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.