海洋钻井绞车智能刹车控制系统国产化改造

王 伦，周宏宇，孙龙林，刘建新

（中石化海洋石油工程有限公司 上海钻井分公司，上海 201208）

钻井绞车刹车是海洋钻井平台最为核心的设备[1]，某海洋钻井平台配置2 套刹车，1 套为带式刹车（下文简称带刹），用刹把操作，操作者需有丰富的操作经验和较大体力[2]，另配置1 套涡磁刹车作为辅助刹车，用于减速[3]。随着钻机自动化水平的不断提高，为增强设备安全性、可靠性并降低操控者劳动强度[4]，本世纪初，某海洋钻井平台在保留刹把的基础上，加装了智能刹车。其执行器与刹把共用转动轴，通过操作手柄（俗称小刹把）控制液压，从而控制液压油缸的伸出量而控制刹带的松紧，并集成游车防碰功能，操作简单、省力，对操作经验要求较低。该控制系统下位机为可编程逻辑控制器（PLC），上位机为按键式控制屏，由欧洲某公司集成设计。随着电子产品的更新换代，原控制屏已停产，无法采购备件，只能升级为新一代产品。但原控制系统采用当时较为流行的DP通讯（一种总线通讯方式），PLC作为DP主站，控制屏为从站，因此，更换控制屏型号时，需更改PLC的相关设置、加载新控制屏的GSD（DP通讯设备的驱动文件）[5]，并升级PLC 程序。由于受知识产权与专利保护，厂家对原程序严格保密，升级时需派遣外籍工程师至现场服务，服务费用居高不下。因此，国产化改造为解决这些问题的有效措施[6]，但该系统直接关乎生产安全与生产效率、风险识别与控制、不同年代设备之间兼容、控制屏编程等，并不简单[7]，本文以某海洋钻井平台智能刹车控制系统为例，介绍其改造方法。

1 工艺原理、控制设备组成与功能

海洋钻井绞车（下文简称钻井绞车）刹车系统的改造风险识别与控制是进行项目改造的基础。掌握智能刹车的工艺原理与控制系统组成，了解被改造部分在系统中的功能、与其它设备的联系，是识别风险的前提。

1.1 工艺原理

智能刹车液压工艺原理示意图及传动示意图分别如图1、图2 所示（与控制无关的元器件未画出），图1 中红线为气管线、蓝线为油管线。智能刹车主要包括刹车执行器、刹车操作箱、液压泵站和钻井绞车反馈电机与阀组、绞车离合器控制阀组、编码器。刹车执行器外形及其动作状态如图3 所示，包括伺服油缸和弹簧油缸2 种驱动方式，主要有4种状态。

图1 智能刹车液压工艺原理示意图

图2 智能刹车传动示意图

图3 刹车执行器外形及其动作状态

1）状态1：伺服油缸刹车状态。当电动液压泵开启、液压输送至执行器的弹簧油缸，将弹簧完全缩回后，带刹的松紧由伺服油缸的伸缩量控制，当操作手柄置于刹车位时，伺服油缸活塞杆完全伸出，活塞杆驱动带刹从而刹车。

2）状态2：手动刹车状态。液压泵站停机后，系统无液压，用手动液压泵打压，并将执行器弹簧完全缩回后，带刹的松紧或刹车由刹把控制。

3）状态3：刹车松开状态。同状态1，弹簧缩回，当操作手柄置于中位时，伺服油缸活塞左右侧压力相同，活塞杆收回，刹车松开。

4）状态4：弹簧刹车状态。正常情况下，同状态1，当弹簧油缸失去液压时，弹簧立即弹开，推动带刹从而刹车。

智能刹车控制系统主要通过控制6 个电磁阀实现相关功能。

1）1#电磁阀，用于紧急刹车。正常情况下，该电磁阀关闭。当发生电源失电、按下急停按钮、液压泵站停机、游车超速、触碰止点等异常情况时，PLC 控制该电磁阀打开，释放弹簧油缸内的液压油，弹簧立即弹开从而刹车。

2）2#电磁阀，用于刹车复位。钻井绞车大绳过卷导致过卷阀动作，或者手动刹车控制阀打开后，压缩空气控制2#气动继动器脱开离合器，同时，压力开关PS1 和PS2 动作，压力信号经PLC 处理后，输出刹车信号。当过卷阀或手动刹车控制阀复位后，相关控制管路内仍有空气，需通过该电磁阀释放残留空气从而复位。

3）3#电磁阀，用于控制脱开离合器。该电磁阀控制3#气动继动器关闭，高、低速离合器均失去气源后脱开。

4）4#电磁阀，用于自动润滑。PLC 程序自动间歇性打开4#气动继动器，液压油经减压阀减压后，分别给反馈电机、链条、紧链器自动润滑。

5）5#电磁阀，用于打开自动送钻模式。当操作手柄置于刹车位、打开该电磁阀时，5#气动继动器随之打开，电动液压泵至操作手柄的液压泄压；同时，1#气动继动器打开，液压经减压阀、反馈电机输送至智能刹车执行器伺服油缸，从而控制刹车的松紧，系统进入自动送钻模式。

6）6#电磁阀，用于关闭自动送钻模式。该电磁阀打开后，伺服油缸经6#气动继动器泄压，自动送钻模式停止。

1.2 控制设备组成与功能

智能刹车控制系统主要包括主控制箱、操作箱、控制屏、防爆接线盒、传感器、电磁阀及其编码器，并与可控硅控制柜、涡磁刹车、补偿器有连锁或联动信号，涉及改造的包括主控制箱和控制屏，主要设备功能如下。

1）主控制箱。所有信号均接至主控制箱，由PLC处理，包括液压泵站启停、游车位置及其防碰保护、液压泵站高油温与低油位保护等功能，并实现刹车时，自动脱开离合、切断钻井绞车的可控硅系统动力和打开涡磁刹车。

2）操作箱。液压操作手柄安装在操作箱上，用于带刹松紧控制，并集成液压泵的启停按钮及运行指示灯，液压泵站的报警消音按钮、急停按钮以及伺服液压指示表。

3）控制屏。原采用斯塔尔（STAHL）黑白按键式控制屏，较为小众且价格昂贵，现已停产，其包括游车速度及位置显示、越控操作、防碰点和超速保护值设置等功能。

综上所述，控制系统仅在异常情况下刹车，而不能在刹车情况下松开刹把，刹车、脱开离合以及投入涡磁刹车等连锁动作，均由PLC自动完成以避免司钻误操作造成设备损坏[8]，故不存在控制屏引起游车掉落或设备损坏等重大风险，风险控制的关键在于控制屏修改PLC程序参数调用的变量是否准确，避免无故刹车。

2 智能刹车控制系统改造要求

结合操作者要求和现场实际情况，该智能刹车控制系统改造应满足如下要求。

1）不应增加风险点。

2）新控制屏应满足司钻室防爆要求，且在国内市场备件充足、价格合理，尺寸应与原控制屏基本一致，以兼顾安装空间和显示界面清晰，常用按键应符合现场使用习惯，使用实体按键。

3）新控制屏界面设计应与原控制屏基本一致，以符合使用者的操作习惯。

4）主控制箱应能容纳新增的设备。

5）具备账户管理功能。应输入密码才能更改相应参数，并可随时注销。

6）系统设置功能。系统密码、IP 地址、屏幕保护时间等可更改。

7）具备报警及其回读功能。

8）控制屏上使用频繁的按钮需有备用，保证损坏时仍可正常操作。

3 智能刹车控制系统改造

3.1 设备选型

根据改造要求，控制屏选用彩色精智触摸屏KTP400 COMFORT，该屏可用于防爆环境且尺寸合适，在国内备件充足、价格合理，但只支持三菱Q系列PLC 以太网通讯，故需改造PLC。PLC 基板上刚好有备用插槽，增加通讯卡QJ71E71。

3.2 通讯方式改造

原控制屏与PLC采用DP通讯，经RS422通讯协议与总线隔离中继器相连，原控制屏与PLC通讯原理示意图见图4，改为以太网通讯后的新控制屏与PLC通讯原理示意图见图5，钻井绞车编码器与PLC的总线通讯卡直连，新控制屏与以太网通讯卡直连。

图4 原控制屏与PLC通讯原理示意图

4 控制程序研究与新控制屏人机界面设计

4.1 控制程序研究

由于控制屏与PLC 通讯从DP 改为以太网，新旧控制屏相关变量格式不一致，理解PLC程序成为正确调用相应变量、降低改造风险的最佳方式。

该PLC 程序采用三菱GX Works2软件编程，达5 000 余步，主要功能包括大绳长度计算及分层点设置、止点设置、游车位置及速度计算、传感器信号处理与安保参数设置、游车位置校正等。各程序段之间相互调用，该项目的关键在于控制屏修改PLC程序参数调用的变量是否正确，因此，下面主要介绍与控制屏按钮及I/O 域相关的PLC 程序段，常规逻辑控制、信号处理与显示程序不再详述。

1）大绳长度计算及分层点设置程序。钻井绞车大绳长度计算是游车位置及速度计算的基础，程序运行后，先判断各层的大绳总长度是否已计算，每层大绳总长计算完成后，程序根据控制屏的分层起始指令确认分层点（如第1～2层的分层变量被控制屏置为1，程序将1～2 分层点作为起始，其它同理）。大绳总长计算如公式（1）所示：

式中，L为缠绕在绞车滚筒上的大绳长度；n为绞车滚筒上缠绕大绳的层号，本项目中最大值为4；N1、Nn为绞车滚筒第1 层和第n层缠绕的大绳数量，缠满为40，即最大值为40；π 为圆周率，取3.142；Dpc为绞车滚筒上第1 层大绳环绕所形成圆柱的直径，即绞车滚筒的直径加上2 根大绳的半径，为952 mm；d为大绳的直径，为38 mm。

钻井绞车大绳缠绕示意图如图6 所示。由于大绳在滚筒呈“品”字形排列，因此，除第1 层外，大绳每增加1层，大绳环绕所形成圆柱的直径增加2dsin60°，钻井绞车旋转的总圈数Ntc计算如公式（2）所示：

图6 钻井绞车大绳缠绕示意图

式中，Ptp为编码器计量的脉冲总数；Ppc为钻井绞车旋转1周对应编码器的脉冲数，本项目为3 072。

2） 止点设置、游车位置及速度计算程序。

（1）止点设置程序。先判断是否需要更改止点，当需更改时，将当前大绳相对长度折算成游车高度，存储在相应寄存器，控制屏只需调用其变量即可对其进行显示，大绳长度转换为游车垂直高度H的计算如公式（3）所示：

式中，Nst为游车或天车大绳股数，本项目为12。

（2）游车位置计算程序。止点设置完成后，自动调用游车位置计算子程序，将当时实时大绳长度与相对零点长度之差寄存在寄存器。

（3）速度计算程序。程序将编码器脉冲变化量折算成大绳长度变化量后，除以时间即为速度，保存在寄存器中，当其小于零时，自动取正。

3）刹车执行程序。当发生游车超速、碰触止点、过圈阀动作、液压泵站故障、触发急停等时，程序控制刹车执行器弹簧油缸泄压、刹车。其中，当止点触发时，在主界面（PLC 通过控制屏区域指针画面号D33=1时，判断控制屏当前显示主界面），按下越控按钮，控制屏控制止点程序断开、刹车手柄置于刹车位时，再按下复位按钮，即可实现越控。当按下越控关闭按钮、游车速度大于设置值、超过触碰天车或钻台安全距离时，越控即关闭。

4.2 控制屏人机界面设计

智能刹车控制屏人机界面操作流程见图7，采用西门子博图V16编程，游车位置校正等涉及参数更改的指令均设置有弹出确认窗口。其中，切割滑移大绳或发生编码器跳齿等故障后，大绳分层点需重新设置，然后设置止点，平时修改止点可直接从主界面进入，因此，止点设置界面有2个上一界面，设计返回到上一界面为主界面，其它界面只有一个上一界面，均原路返回（按F1或ESC）。

图7 智能刹车控制屏人机界面操作流程

5 结束语

随着电子技术的发展，产品更新换代快，进口控制系统的备件停产是不可避免的，为解决不同年代的电子产品之间的兼容问题，不单涉及新产品自身的编程与设置，相关产品也需升级改造。本项目充分考虑到系统的特殊性，将风险控制作为首要目标，并理清控制屏在整个系统中所处的位置，采用精智触摸屏，用最新版编程软件进行编程，设备及编程软件均为当今国内市场流行配制，国外先进技术完全转化为国内技术，实现替代，打破关键控制系统软硬件备件必须进口的思路，缩短了备件采购周期，降低了备件采购费用和设备维护成本，解决了原系统备件停产和小众产品备件采购困难等问题，避免了原系统因备件停产而导致的整体报废，带来了明显的经济效益。该项目紧密联系实际，使用频繁的按钮均设计有虚拟备用按钮，提高了控制屏的可靠性，并充分发挥当代控制屏色彩、功能丰富等优点。该项目及相关技术的成功应用，对进口大型设备类似技术瓶颈与智能控制问题的解决提供了思路，具有推广意义。