深水石油平臺(tái)鉆井設(shè)備自動(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)用研究

齊賦寧

（中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司鉆井事業(yè)部，天津 300280）

1 基于AMPHION 鉆井控制網(wǎng)絡(luò)的ZMS 系統(tǒng)應(yīng)用背景

當(dāng)前深水石油平臺(tái)采用了當(dāng)今世界上主流的鉆井設(shè)備，深水石油鉆井平臺(tái)鉆井設(shè)備自動(dòng)化程度高，集成了大量的國(guó)際先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)。與傳統(tǒng)自升式鉆井平臺(tái)相比，先進(jìn)的鉆井設(shè)備和高度的自動(dòng)化集成化的控制技術(shù)是其一大特點(diǎn)，自升式平臺(tái)一般沒有排管機(jī)、鐵鉆工、貓道機(jī)、動(dòng)力卡瓦、維修吊籃等鉆井設(shè)備，而這些設(shè)備會(huì)與絞車、頂驅(qū)、防噴盒子等設(shè)備一起完成鉆井生產(chǎn)任務(wù)。

在工作時(shí)這些設(shè)備不可避免地會(huì)產(chǎn)生重疊工作區(qū)域，如何使它們同時(shí)工作而不發(fā)生碰撞，是一個(gè)需要解決的問題，也是自動(dòng)化控制的關(guān)鍵技術(shù)。為此，NOV（National Oilwell Varco，美國(guó)國(guó)民油井華高公司）設(shè)計(jì)了ZMS（Zone Management System，區(qū)域管理系統(tǒng)）來(lái)解決這一問題。由于使用維護(hù)的相關(guān)資料很少，NOV 的技術(shù)保密和售后服務(wù)的維護(hù)費(fèi)用較高，所以研究分析ZMS 系統(tǒng)的構(gòu)成、電氣控制并掌握利用其特性為實(shí)際工作提供便捷顯得尤為重要。同時(shí)，研究其控制防碰構(gòu)建原理及控制邏輯對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理與維護(hù)具有重要意義。

2 基于AMPHION 鉆井控制網(wǎng)絡(luò)的ZMS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹

2.1 深水石油平臺(tái)鉆井設(shè)備ZMS 系統(tǒng)介紹

為解決深水平臺(tái)多個(gè)鉆井設(shè)備在重疊活動(dòng)區(qū)工作時(shí)而不相互碰撞的關(guān)鍵技術(shù)問題，設(shè)計(jì)了一種ZMS 系統(tǒng)。它是NOV 開發(fā)的AMPHION 鉆井控制系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，專門用于監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，將與其他設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析計(jì)算，從而在發(fā)生碰撞前停止該設(shè)備的運(yùn)動(dòng)或在啟動(dòng)前禁止該設(shè)備動(dòng)作，并在操作界面上及時(shí)將信息反饋給操作者。

2.2 ZMS 系統(tǒng)在AMPHION 鉆井控制網(wǎng)絡(luò)中的位置及通信原理

目前主流配置的AMPHION 控制系統(tǒng)與以往鉆井控制系統(tǒng)最大的亮點(diǎn)是增加了ZMS 系統(tǒng)。ZMS 系統(tǒng)是基于一個(gè)掛在AMPHION 鉆井控制系統(tǒng)TCP/IP 通信網(wǎng)絡(luò)上的裝載控制程序的SBC（Single-Board Controller，單板控制器），通過與其他多個(gè)裝載設(shè)備屬性程序的SBC 來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)每個(gè)設(shè)備的使用狀態(tài)、運(yùn)行軌跡和設(shè)備執(zhí)行動(dòng)作的狀態(tài)。

ZMS 防碰系統(tǒng)是AMPHION 鉆井控制系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，與其他設(shè)備的SBC 一起構(gòu)成了AMPHION 鉆井控制系統(tǒng)主要構(gòu)建，但ZMS 系統(tǒng)是需要與在鉆井環(huán)網(wǎng)上的每個(gè)設(shè)備都要進(jìn)行通訊的，它的這個(gè)系統(tǒng)像是集控調(diào)度中心，監(jiān)測(cè)并協(xié)調(diào)設(shè)備間的運(yùn)行動(dòng)作，必要時(shí)給予操作者提醒，對(duì)進(jìn)入緩沖區(qū)和停止區(qū)的設(shè)備給予不同級(jí)別的運(yùn)行指令，以便設(shè)備間進(jìn)行有效防碰保護(hù)。

2.3 ZMS 系統(tǒng)監(jiān)控的主要設(shè)備

實(shí)際上ZMS 系統(tǒng)是一個(gè)二級(jí)安全保護(hù)系統(tǒng)，它能提供監(jiān)控的鉆臺(tái)設(shè)備的操作和互鎖信息，并且不是一個(gè)用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的操作系統(tǒng)，而是一個(gè)備用的安全保護(hù)系統(tǒng)。ZMS 系統(tǒng)監(jiān)控的設(shè)備主要有排管機(jī)（Racker）、主鐵鉆工（Roughneck Main）、輔鐵鉆工（Roughneck Aux）、貓道機(jī)（Catwalk）、頂驅(qū)（Topdrive）、絞車（ADS）、泥漿盒子（Mud Bucket）、動(dòng)力卡瓦（Powerslips）和液壓維修吊籃（Service &Access Basket，SAB）。

2.4 深水平臺(tái)ZMS 系統(tǒng)控制顯示界面安全設(shè)計(jì)介紹

ZMS 系統(tǒng)AMPHION 顯示界面分為3 個(gè)，分別是Status、Override 和Lock Out 界面。

（1）圖1 為Status 界面，這個(gè)界面可以看到設(shè)備的ZMS 狀態(tài)信息，從圖2 可以看到3 個(gè)狀態(tài)燈為紅色，分別為指示Racker、SAB、Catwalk 互鎖（Interlock）。同時(shí)3 個(gè)互鎖的設(shè)備會(huì)提示狀態(tài)信息：

圖1 ZMS 系統(tǒng)Status 界面

Racker 提示信息：Racker entered SAB；

SAB 提示信息：SAB entered Racker；

Catwalk 提示信息：ZMS Stopping move extend to Roughneck Main。

需注意的是，當(dāng)排管機(jī)夾住鉆桿在井口位時(shí)，鐵鉆工不能進(jìn)行旋扣鉗和扭力鉗操作，會(huì)打開這兩個(gè)鉗子（非ZMS 功能，但是會(huì)顯示Interlock信息）。

（2）Override 界面能顯示操作權(quán)限并能進(jìn)行Override的權(quán)限的操作（圖2），綠色的指示（Available）可選擇權(quán)限的狀態(tài)，橘黃色指示已經(jīng)獲得Owener ship 權(quán)限和獲取權(quán)限的工作站名稱（AD）。Override 界面僅用于 AD 和 Driller兩個(gè)工作站，MTC柜的HMI 是沒有操作權(quán)限的，這也是一種出于安全的設(shè)計(jì)考慮。

圖2 ZMS 系統(tǒng)Override 界面

需要注意的是，為了進(jìn)一步對(duì)ZMS 互鎖下進(jìn)行操作，必須使ZMS系統(tǒng)激活Override功能，獲得Owner Ship 權(quán)限。要激活Override 功能，必須在另一臺(tái)工作站上的HMI（Human Machine Interface，人機(jī)界面）進(jìn)行操作，使其減速操作。這也是出于安全角度考慮設(shè)計(jì)的。

（3）圖3 為L(zhǎng)ock Out 界面，此界面操作用是將以下某個(gè)設(shè)備解除ZMS 保護(hù)系統(tǒng)，用于當(dāng)ZMS 保護(hù)功能失效，這個(gè)設(shè)備不再由ZMS 連鎖其他設(shè)備進(jìn)行保護(hù)時(shí)使用，此時(shí)Lock Out 紅燈亮。綠燈說(shuō)明已由ZMS 進(jìn)行保護(hù)。

圖3 ZMS 系統(tǒng)Override 界面

2.5 ZMS 系統(tǒng)Lock Out 安全設(shè)計(jì)使用原則

ZMS 系統(tǒng)提供單個(gè)設(shè)備的Lock Out，當(dāng)這個(gè)設(shè)備Lock Out時(shí)，將不會(huì)被ZMS 系統(tǒng)保護(hù)。ZMS 系統(tǒng)有一個(gè)Lock Out key switch，位于鉆臺(tái)LER 房MTC 柜上，將開關(guān)旋轉(zhuǎn)至ON 時(shí)，將會(huì)使整個(gè)ZMS 系統(tǒng)失效，所有的設(shè)備將會(huì)忽略任何ZMS 限制，這個(gè)開關(guān)僅用于ZMS 系統(tǒng)的SBC 故障后使得鉆井設(shè)備不能正常工作的情況。

3 深水石油平臺(tái)ZMS 系統(tǒng)控制技術(shù)研究分析

3.1 深水平臺(tái)ZMS 系統(tǒng)防碰矩陣構(gòu)建原理

參與ZMS 系統(tǒng)的每個(gè)設(shè)備會(huì)向ZMS 系統(tǒng)發(fā)送自己的實(shí)際位置，由ZMS 進(jìn)行收集后，通過ZMS 控制器的程序算法構(gòu)建每個(gè)設(shè)備運(yùn)行的三維矩陣并通過每個(gè)設(shè)備的操作命令，進(jìn)行防碰計(jì)算，當(dāng)接近其防碰三維矩陣時(shí)觸發(fā)程序設(shè)定ZMS 設(shè)備互鎖保護(hù)功能（圖4）。ZMS 對(duì)于參與的設(shè)備（排管機(jī)、絞車、主鐵鉆工、頂驅(qū)伸縮臂、貓道機(jī)）設(shè)置了兩個(gè)緩沖區(qū)，即外部緩沖區(qū)、內(nèi)部緩沖區(qū)。當(dāng)其中一個(gè)設(shè)備進(jìn)入ZMS 控制的另一個(gè)設(shè)備外部緩沖區(qū)時(shí)，系統(tǒng)允許這個(gè)設(shè)備繼續(xù)沿著坐標(biāo)運(yùn)行，但是會(huì)使其減速運(yùn)行直到這個(gè)設(shè)備到的另一設(shè)備的內(nèi)部緩沖區(qū)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)互鎖這個(gè)設(shè)備運(yùn)行操作、互鎖功能激活，自動(dòng)停止這個(gè)設(shè)備動(dòng)作，并將ZMS 互鎖信息顯示在相關(guān)HMI。

圖4 ZMS 主控器SBC 程序算法構(gòu)建設(shè)備運(yùn)行的三維矩陣

需要注意的是，ZMS 系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了以人為本的理念，其連鎖也應(yīng)用于SAB（維修工作籃），當(dāng)SAB 離開Park 位置時(shí)，除了絞車保持慢速操作外其余設(shè)備均被停止，如果此時(shí)按下ZMS 系統(tǒng)的Override 按鈕，絞車的速度仍會(huì)受限。

3.2 深水石油平臺(tái)ZMS 系統(tǒng)電氣控制分析

為了實(shí)現(xiàn)鉆井設(shè)備區(qū)域防碰的電氣控制，ZMS 系統(tǒng)必須要實(shí)現(xiàn)構(gòu)建防碰矩陣的過程，否則將無(wú)法計(jì)算外部和內(nèi)部的緩沖區(qū)，更不能實(shí)現(xiàn)對(duì)重疊區(qū)域正在作業(yè)的多個(gè)設(shè)備進(jìn)行提示減速或停止操作的電氣控制。研究分析ZMS 系統(tǒng)電氣控制流程，對(duì)于深入掌握Z(yǔ)MS 系統(tǒng)特性和系統(tǒng)維護(hù)有著重要意義。

構(gòu)建設(shè)備防碰矩陣是ZMS 系統(tǒng)通過采集設(shè)備運(yùn)行參數(shù)信息建立的運(yùn)行矩陣模型，需要采集的設(shè)備運(yùn)行信息是根據(jù)鉆井設(shè)備屬性和用途不同，采集不同設(shè)備的所需運(yùn)行信息，通過矩陣模型建立就能模擬防碰區(qū)域。通過對(duì)深水石油平臺(tái)ZMS 系統(tǒng)防碰矩陣構(gòu)建的分析，將ZMS 系統(tǒng)監(jiān)控的鉆井設(shè)備主要被采集的防碰矩陣模型構(gòu)建的主要參數(shù)信息來(lái)源進(jìn)行匯總（表1）。

表1 鉆井設(shè)備防碰矩陣模型主要參數(shù)信息表

除了將上述采集的信息傳送到ZMS 系統(tǒng)控制器進(jìn)行計(jì)算外，鉆井設(shè)備的控制器還會(huì)集中將ZMS 所需的其他運(yùn)行狀態(tài)信息傳送ZMS 系統(tǒng)用于構(gòu)建更為精準(zhǔn)的防碰矩陣模型。

3.3 基于JAVA 編程的AMPHION 系統(tǒng)程序進(jìn)行研究

ZMS 系統(tǒng)是AMPHION 系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，因此對(duì)其程序進(jìn)行研究、分析其控制邏輯，不僅對(duì)ZMS 系統(tǒng)的維護(hù)很有幫助，對(duì)整個(gè)鉆井設(shè)備和系統(tǒng)的良好運(yùn)行及設(shè)備正常工作也有重要意義，當(dāng)ZMS 系統(tǒng)或某個(gè)設(shè)備出現(xiàn)比較復(fù)雜故障問題，原因查找困難、不清楚其控制邏輯時(shí)，就會(huì)限制解決問題的思路。

如果能對(duì)ZMS 系統(tǒng)程序或AMPHION 系統(tǒng)程序進(jìn)行解讀、了解其控制邏輯，就能追查到問題產(chǎn)生的根本原因，找到解決問題或故障的辦法、思路。另外，隨著對(duì)系統(tǒng)維護(hù)的進(jìn)一步提升，如果研究明白系統(tǒng)程序和控制邏輯，就能知其然知其所以然，這樣才能更加熟練地掌握AMPHION 系統(tǒng)的特性，對(duì)于系統(tǒng)和設(shè)備后期的主動(dòng)預(yù)防性維護(hù)起到重要作用，依靠自己就能獨(dú)立完成一些系統(tǒng)維護(hù)工作，降低鉆井關(guān)鍵設(shè)備因故障時(shí)間過長(zhǎng)造成井下復(fù)雜程度，減少對(duì)NOV 服務(wù)的依賴，從而為海洋石油設(shè)備管理的降本增效貢獻(xiàn)力量，實(shí)現(xiàn)海洋石油鉆井關(guān)鍵設(shè)備管理與維護(hù)高水平的目標(biāo)。