浅析LDB型钻机通讯控制网络的一种新型总线构成

卢 晨

中国石化江汉石油管理局第四机械厂 自动控制研究所 （湖北 荆州 434024）

从钻机的控制与驱动上来区分，现有的钻机主要有链式纯柴油机驱动、柴油机与变频器混合驱动、全交流变频VFD（Variable Frequency Drive）驱动与全直流可控硅整流调速SCR(Silicon Controlled Rectifier)驱动4种方式。新型LDB型钻机通讯控制网络结构属于第二种混驱方式，主要从钻机的转盘变频电机驱动与液气系统控制方面，阐述了LDB型钻机的一种新式网络布局。此种布局通过总线的方式，将电控液气路的功能控制与电机变频驱动的闭环控制串联在一起，并在液气路总线构架上，将传统的多芯插接阀岛改进为总线型阀岛，实现了钻机安全报警自动反应的功能。规范了司钻人员的操作流程，提高了日常维护检修的效率，减少了网络结构成本，降低了故障的发生率，增加了钻机联动的安全性。

1 基本结构组成

LDB型钻机在电气硬件与功能上主要分为3大控制系统：①MCC（Motor Control Center）房的供配电系统；②VFD转盘变频控制系统（含小电机自动送钻系统）；③总线液气路阀岛控制系统。

另外还包括柴油机油门控制等小型操控系统。图1、图2分别是传统LDB钻机与新型总线钻机的网络驱动图。

如图2所示，处在控制最顶层的是司钻房的操作与 HMI（Human Machine Interface）人机界面系统，司控人员通过这个系统控制整台钻机的运行和钻井作业。当司钻人员发出操作指令时，处在第二层的逻辑控制器接受指令后向更下层的执行机构发出命令来指导各种机构运行。

2 新型总线布局在LDB钻机主要系统区域的物理功能

常见机型如江汉40LDB钻机，在现场实现具体功能的过程中运用新型总线布局。

（1）MCC部分：MCC主要功能是对整台钻机的电机提供各种电压与功率的电源。其主要的供配电对象有：钻进电路、司钻房控制系统、井架电路、泥浆固控系统，送钻电机（应急电机）、井架安全系统等。网络系统在此部分的应用可以使MCC部分智能化，简单地说，将各耗电功率单元的数据采集进PLC，通过网络总线的集成数据传输将各单元的启停、开关、运行的情况用指示仪、信号灯、或上位机的方式传达给主控人员或司钻人员，使其可以一目了然的监测整个系统的现状，更可以通过此种总线模式控制与改变单元的工况（图3）。

（2）VFD转盘与送钻变频控制系统：转盘系统在传统钻机里控制着钻杆的旋转与上卸扣等工艺，是重要的组成部分。自动送钻系统在电驱钻机里是反馈控制原理运用在传统钻机上的一个突破，变频传动以DTC（Direct Torque Control直接转矩控制）或V/F(电压/电流)控制方式驱动的转盘电机运行系统与变频送钻电机系统在很大程度上简化了机械传动的结构，更方便了系统的控制。总线在此系统内更是担当了数据监控与传输的载体（图4），司控人员通过总线与终端可以方便的观测转盘的力矩、速度、下钻深度、进度、压力以及电机电流，运行功率等参数，并可以控制转盘和送钻电机的运行、钻进与输出力矩大小。

图1 传统LDB型钻机网络驱动结构图

图2 新型总线钻机网络驱动结构图

图3 MCC总线联接系统

（3）总线型阀岛控制系统：阀岛控制系统主要以3组集成的电磁阀片构成的气路阀岛箱 （绞车阀岛箱、转盘阀岛箱、并车阀岛箱）组成。通过PLC程序逻辑来控制钻机的全气路系统。该系统在整台钻机中主要接管运行的安全保护作用。总线型的阀岛控制系统是以通讯总线为枢纽，联接贯穿3个集成箱体，从布线上改变了传统普通阀岛箱体用多芯橡套电缆星状布局的特点(图5)，直接用带屏蔽的双轴实芯总线电缆采用“一”字布局的形式，将3个气路阀岛箱的控制与反馈信号串接给PLC，同时摒弃了箱体上普通的多芯（一般二三十芯）插接件这种多故障形配件，改用二芯夹紧形接头，大大减少了故障发生点，保证了钻机正常运行（图6）。

图4 VFD总线联接系统

图5 阀岛控制系统（原型）

图6 阀岛控制系统（改进型）

3 新型网络结构特点及其产生的效益

传统型LDB钻机的网络结构比新型的网络结构多出一个运算控制中心（CPU）和人机界面（HMI）设备，而且液气路控制阀岛采用的是多芯线插接型阀岛，而在新型网络结构中统一改为总线型阀岛。浅析其改进后的效果有以下4个特点：

（1）钻机在运行过程中操作更为方便，功能更为紧凑。统一后的系统各部件在操作控制方面可以互相作用，安全制约。3大部件除了具有各自的基本功能外，相互之间在工艺上也有连锁、顺序、互锁等作用。例如，应急电机不停止运行，贸然将电机的阀岛箱锁档机构打开，会造成飞车，脱档等运行事故，而这些操作上可能犯的失误，在程序逻辑上均要作技术防范处理。故以PLC为逻辑运算中枢的整个控制系统集成了大量的互锁逻辑、顺序逻辑、自动触发安全报警措施、应急冗余操作措施等保障性功能，这些安全功能使得整台钻机的控制有了无形的安全保障，其反映则是逻辑严密的总线程序避开所有的误操作产生的失误，大量减少了因此产生的部件损坏的机率，避免与缩短了检修浪费的施工时间，提高了施工的连贯性。

（2）避免了谐波干扰与其他人为可能造成的通讯故障。变频器的最大缺陷就是会产生谐波干扰问题，产生的谐波会影响系统数据的交换与传播。由于新式网络的特点，避免了大量数据在2个运算中心进行交换的可能性，极大地减少了信息互换过程中的衰减与干扰，减少了协议的转换与网关。同时由于将多芯式阀岛箱也改进为总线型阀岛箱，使得故障频频的多芯接插件被总线式回路所替代，也极大地减少了通讯交换的接触点，减少了钻机因之停机的概率[1]。

（3）结构简单。以江汉40LDB这种常见的钻机为例，统一后的网络系统减少了一个控制运算中枢与人机上位，在软件设计与硬件组态上将会更加紧凑无隙、逻辑严谨。一字串联型的总线结构所带来的最大收益即大量减少了信号的失帧与干扰。同时因为减少一个CPU即钻机的控制运算中心，节省了约1/3的总线搭配成本。

（4）维护方便。采用两芯总线一贯到底的简单串联网络结构，使得钻机的通讯接触点大量的减少，当出现干扰与DP失帧的故障时，技术后勤人员可以方便的知道是哪个DP总线部分出的故障，进而进行简单的维护和元器件替换，直接消除干扰或接触不良带来的问题[2]。

4 结 论

总线型通讯功能在钻机上的成功运用，是电气电子技术与芯片控制技术发展的结果，它摒弃了普通继电器式的硬线控制，以通讯协议的方式承载了数据的流通，控制与监视。从成本与运行的效益来看，是其他控制方式不能比拟的。新型总线结构在钻机的运行中体现出集成、灵活、高效的优势。

[1]廖常初.西门子工业通信网络组态编程与故障诊断[M].北京:机械工业出版社,2009.

[2]吉顺平.西门子现场总线通信原理与应用[M].北京:机械工业出版社,2009.