一种基于PROFINET的钻井平台排管机中央控制系统*

王鸿儒

(太原重工 技术中心，山西 太原 030024)

1 设备功能和组成

海洋钻井平台是一种大型海上石油钻井设备，在钻井工艺过程中以排管过程最为复杂，需协调控制多台设备完成钻杆的排放工作[1]。排管机是钻杆排放系统的关键设备，其主要用在猫道机、动力鼠洞、指梁盒以及井口之间往返抓取与排放钻杆。传统的钻杆操作方法需要操作人员手动操作多台设备并配合钻台人工辅助，有较大的安全生产风险且生产节奏较慢，常常无法满足海上恶劣环境的生产要求。因此，加快生产节奏、提高生产过程安全性是排管过程中所需要达到的目标。通过PROFINET网络将钻井平台设备进行联网，全面提高钻井平台设备的自动化程度，可以有效地减少人与钻杆的直接接触，提高钻井平台的整体安全性，为实际生产带来显著效益。

2 工艺流程

排管过程主要由以下4个工艺流程组成，分别是接立根、拆立根、起钻和下钻。接立根是指将单根钻杆接成立根(3根钻杆连接后的名称)并送入指梁盒的工艺流程。拆立根是指将立根从指梁盒取出并拆成3根钻杆的工艺流程。起钻是从井口取出立根并送至指梁盒的工艺流程。下钻是从指梁盒取出立根并送至井口的工艺流程。以双鼠洞排管机接立根过程为例，该流程包含猫道机送钻杆、排管机接钻杆、排管机送钻杆至鼠洞和铁钻工上扣等具体步骤，如图1所示。

图1 接立根工艺流程

拆立根工艺过程可以理解为接立根流程的逆过程，如图2所示。

图2 拆立根工艺流程图

起钻、下钻工艺流程分别如图3、图4所示。

图3 起钻工艺流程 图4 下钻工艺流程

工艺流程中，每一步都需要相应设备执行多个动作。以排管机接钻杆为例，此步骤包含排管机行走至井口、旋转至接钻杆位、上臂伸出至接钻杆位、下臂收回至避让位、上臂绞车下降至接钻杆位、吊卡旋转至接钻杆位并翻转、吊卡伸出并将两个卡钳松开。其他步骤亦是如此。故若同时手动操作排管机、铁钻工、猫道机等多个设备，操作人员工作量极大、效率很低且易于出错。

3 PROFINET网络

PROFINET 网络是创新的开放式工业以太网标准，适用于工业自动化系统，融合了PROFIBUS总线技术和工业以太网技术的优点，具有开放性、灵活性、高效率和高性能四大优势，对于提高生产效率有着极大意义[2]。PROFINET网络支持大型项目的工程应用和网络组态，真正实现了从现场设备层到管理层的全面数据交互。PROFINET 网络技术为工业自动化项目提供了更加灵活高效的网络基础，在PROFINET网络的统一架构下用户可以在所有平台上进行快速安全的数据交换，使得所有分散的机械设备、资源信息、管理方案等网络连接方式实现统一。

本系统中，通过PROFINET网络星形连接中央控制PLC、猫道机PLC、排管机PLC、液压站PLC、铁钻工PLC、防碰撞PLC和顶驱钻井系统PLC等各控制单元，与此同时处于下一层级的各设备操作元件、执行元件和检测元件采用PROFINET网络串行连接。排管系统PROFINET网络如图5所示。

图5 排管系统PROFINET网络

4 中央控制系统

排管机中央控制系统主要实现排管机及相关设备的操作和控制功能，以改变传统手动操作繁琐过程，使操作人员从繁杂的操作过程中解放出来，降低劳动强度。根据排管工艺流程，在中央控制系统中进行工艺过程实现，充分考虑多设备协调动作时可能涉及的各类安全问题，保证设备稳定运行。

中央控制系统主要分为两类权限：第一类是操作人员(司钻)，具有操作设备的权限；第二类是维护人员，主要对设备进行检修和维护。操作人员可以根据设备的实际状况，选择全自动运行或者半自动运行模式。在设备状态正常时，通常以全自动模式运行排管过程。操作人员只需预先选择要执行的工艺过程(即接立根、拆立根、起钻和下钻)，之后启动相应自动过程即可。在设备自动运行过程中，操作人员可以暂停自动运行过程，对设备进行手动微调，以解决生产过程中偶然遇到的问题，之后返回自动运行过程继续执行自动流程。半自动运行主要在部分特殊情况下进行生产时使用，此模式主要将生产工艺过程拆解为几个关键步骤，通过依次点击关键步骤按钮，即可实现排管机及其他设备的联动，完成整个工艺过程。以接立根流程为例，中央控制系统功能如图6所示。

用户权限管理司钻登录维护人员登录预设值信息确认检测元件标定半自动运行模式全自动运行模式检修模式一键接钻杆一键送管至鼠洞1一键送管至鼠洞2一键接双钻杆一键接三钻杆一键放指梁一键执行接管全流程手动操作各执行元件进行测试综合故障报警与运行状态记录

图6中央控制系统功能

与此同时，中央控制系统还拥有强大的故障报警和记录功能。系统通过网络将各设备故障报警进行汇总记录，使得维护人员无需从各设备处查询故障记录，减轻了维护工作量。与此同时，系统还可以对设备运行状态进行详细记录，对于故障发生时各设备所处状态进行复现，为故障的分析和处理提供了数据基础。

5 结束语

海洋石油钻井平台工作环境恶劣，生产过程危险性较高。钻井排管机系统的控制方式对提高海洋石油钻井作业安全性及降低作业成本具有重要作用。本文设计的排管机控制系统可以同时控制钻台上所有排管设备，兼具全自动及半自动灵活操作模式，具有运行稳定、操作便捷等优势。在不远的未来，结合视觉识别、人工智能等先进技术，可以将中央控制系统进一步升级至远程钻井或无人钻井等智能控制方式，开拓智能钻井的新方向。