电动钻机信息服务系统设计

李庆福， 史金红， 李娜， 袁方， 田德宝， 杨丰博， 冯帆， 秦弈涵， 邱立波

（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡721000；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡721000）

0 引 言

目前电动钻机各系统设备信号检测传感器较少并且钻机数据没有统一收集管理，导致钻探公司管理单位无法及时掌握钻机的实时运行情况，钻机出现问题时无法提前预警并及时解决，影响钻井效率。为使钻探公司管理单位能够及时掌握钻机的实时运行情况及提高钻井效率，必须对钻机各系统设备数据进行采集并统一进行监测管理。

1 电动钻机监控系统方案设计

电动钻机信息服务系统以钻机配套的转盘、绞车、泥浆泵、顶驱、钻机电控系统、钻井仪表系统、柴油发电机组、管柱处理设备（主要包括动力猫道、铁钻工、钻台机械手、二层台机械手等）等关键系统设备作为监控对象，采集各关键系统设备的数据信息，钻机电控系统（包含转盘、绞车、泥浆泵数据信息）、钻井仪表系统、柴油发电机组、顶驱均通过TCP/IP工业以太网有线通信方式将数据传输至钻机现场归档服务器，TCP/IP工业以太网通信方式可靠性高、数据传输速度快、实时性强、支持各种主流局域网络协议[1]。管柱处理设备通过无线传输方式将数据传输至钻机现场归档服务器。钻机现场归档服务器将收集的钻机数据信息通过无线方式传输至队长办公室后台服务器，队长办公室后台服务器以4G网络通信方式将钻机数据信息传输至队长办公室监测单元（实时在线监测单台钻机的运行情况）和钻探公司监测单元（实时在线监测多台钻机的运行情况）。可实现实时数据监测、数据异常报警、维护保养提示、故障分析、音频远程支持、设备型号查询等功能。现场信息的集成是钻机发展的必然趋势，高度集成的现场信息将极大增强钻探公司对钻机运行情况的掌握，通过传感器进行现场信息的采集，通过计算机网络系统统一监控，实现集中管理[2]。电动钻机信息服务系统网络图如图1所示，电动钻机信息服务系统包括现场数据采集单元、远程传输单元、在线监测单元等。

1.1 现场数据采集单元设计

主要由数据采集部分、网络交换机、钻机现场归档服务器等设备组成。网络交换机和钻机现场归档服务器安装在钻机电控房内，数据采集部分通过与网络交换机的通信实现数据上传至钻机现场归档服务器，钻机现场归档服务器对钻机数据信息进行处理并进行归档，钻机数据信息主要包括钻机电控系统数据信息、转盘数据信息、绞车数据信息、泥浆泵数据信息、管柱处理设备数据信息、钻井仪表系统数据信息、柴油发电机组数据信息、顶驱数据信息等。

图1 电动钻机信息服务系统网络图

1）钻机电控系统数据采集设计。钻机电控系统主要由主电动机驱动器（SCR柜或变频器）、MCC配电系统、钻机电控系统PLC等组成，主电动机驱动器（SCR柜或变频器）、MCC配电系统、钻机电控系统PLC均安装在钻机电控房内，用于转盘、绞车、泥浆泵主电动机的驱动控制以及钻机井场设备供电等。控制系统以PLC为控制核心，PLC与主电动机驱动器及MCC配电系统之间通过通信的方式进行连接，并通过PLC对其进行控制。

a.主电动机驱动器（SCR柜或变频器）数据采集设计。电动钻机的转盘、绞车、泥浆泵主电动机通过钻机电控房内的SCR柜（用于驱动控制直流电动机）或变频器（用于驱动控制交流变频电动机）进行驱动控制，SCR柜或变频器与钻机电控系统PLC进行通信并由PLC对SCR柜或变频器进行控制。SCR柜和变频器通过自带的检测模块检测自身的电流、电压、转矩、速度、故障信息、状态显示等信号，并通过与PLC通信的方式将信息传输至钻机电控系统PLC。钻机电控系统PLC与现场数据采集单元的网络交换机通过工业以太网通信方式将钻机电控系统的数据信息传输给钻机现场归档服务器。

b.钻机电控房MCC配电系统数据采集设计。MCC配电系统每个配电回路配置测量模块（检测电压、电流等）、通信模块，用于采集配电回路的数据信息，配电回路的通信模块通过与钻机电控系统PLC进行通信将数据传输至钻机电控系统PLC。可对MCC配电系统中每个配电回路进行全面的管理、控制和保护，以减少设备端的故障停机时间，提高工作效率。钻机电控系统PLC与现场数据采集单元的网络交换机通过工业以太网通信方式将MCC配电系统的数据信息传输给钻机现场归档服务器。

c.游车高度数据采集设计。在绞车滚筒轴安装编码器，由钻机电控系统PLC采集编码器信号,精确计算出当前游车的高度，钻机电控系统PLC与现场数据采集单元的网络交换机通过工业以太网通信方式将游车高度的数据信息传输给钻机现场归档服务器。

2）转盘、绞车、泥浆泵数据采集设计。通过配置转盘、绞车及泥浆泵的主电动机绕组温度传感器、润滑油压传感器、测速编码器等检测传感器检测相关信号并将信号连接至相应设备主电动机接线箱，通过钻机电控系统与相应设备主电动机接线箱之间的多芯控制电缆备用线芯将上述信号接入钻机电控系统PLC。各设备主电动机的电流、电压、转矩信号通过各自主电动机驱动器（SCR柜或变频器）直接采集并有线通信传输给钻机电控系统PLC。各设备的启停、档位反馈、运行反馈等信号均通过钻机电控系统PLC进行直接采集。钻机电控系统PLC与现场数据采集单元的网络交换机通过工业以太网通信方式将转盘、绞车及泥浆泵的数据信息传输给钻机现场归档服务器。

3）管柱处理设备数据采集设计。管柱处理设备主要包括动力猫道、铁钻工、钻台机械手、二层台机械手等子设备，用于完成钻杆、钻铤或套管等管柱的输送、连接和排放作业。每个子设备控制箱自带PLC控制器对设备进行控制，各子设备通过配置相关传感器检测转速、行程、管线压力、电流、转矩、状态反馈等信号，并将检测到的信号传输至各自PLC。考虑到各管柱处理子设备布局比较分散，与钻机现场归档服务器有线通信连接不便的情况，在每个管柱处理子设备控制箱中配置1个无线发射模块，无线发射模块与各自PLC控制器进行有线通信连接，同时在钻机现场归档服务器附近配置1个无线接收模块用于接收各管柱处理子设备的数据信息，无线接收模块与钻机现场归档服务器采取有线通信连接，将接收到的数据信息存储在钻机现场归档服务器。

4）钻井仪表系统数据采集设计。钻井仪表系统通过配置悬重、立管压力、吊钳转矩、泵冲、游车位置、游车速度、出口泥浆返回量、泥浆罐泥浆体积（液位）的检测传感器，直接检测上述仪表参数信号。通过仪表系统计算间接检测钻压、累计泵冲、泥浆泵排量、井深、钻头深度、吨公里，以及其它钻井工程用衍生参数。

钻井仪表系统的DAQ数据采集单元与检测传感器之间通过CAN总线方式进行通信并采集所有钻井仪表参数，DAQ数据采集单元通过CAN总线通信方式将全部钻井仪表参数传输至钻井仪表系统OPC服务器，OPC服务器将仪表系统参数进行分类、设置、存档。仪表系统OPC服务器（安装在钻机电控房内）与现场数据采集单元的网络交换机通过工业以太网通信方式将钻井仪表系统的数据信息传输给钻机现场归档服务器。

5）柴油发电机组数据采集设计。每台柴油发电机组自带1个柴油发电机组数据采集单元，用于采集柴油发电机组中发动机及发电机的相关数据参数。柴油发电机组与钻机电控房并列摆放，每台柴油发电机组数据采集单元分别与现场数据采集单元的网络交换机通过工业以太网通信方式将柴油发电机组的数据信息传输给钻机现场归档服务器。

6）顶驱数据采集设计。顶驱自带电控房，顶驱电控房内主要配置有变频器、PLC控制器等，用于顶驱的驱动控制，顶驱变频器与顶驱PLC之间采用有线通信连接并由PLC对变频器进行控制。顶驱的电流、电压、转矩、故障信息等信号由顶驱PLC直接在顶驱变频器上通过有线通信方式进行采集。通过配置顶驱测速编码器、顶驱吊环倾斜检测传感器、背钳状态检测传感器、IBOP阀状态检测传感器等检测元器件检测顶驱转速、状态反馈等信号，并将信号接入顶驱PLC。顶驱PLC与现场数据采集单元的网络交换机通过工业以太网通信方式将顶驱的数据信息传输给钻机现场归档服务器。

1.2 远程传输单元设计

主要由无线网桥组成，在钻机现场和队长办公室分别配置一套无线网桥，钻机现场归档服务器与钻机现场无线网桥之间、队长办公室无线网桥与队长办公室后台服务器之间均采用工业以太网通信方式进行连接，通过无线网桥以无线传输方式将钻机现场归档服务器内的所有数据信息传输至队长办公室后台服务器。无线通信中的信息传输是以电磁波为传输载体，信息数据通过电磁波的传输，到达指定接收的网络计算机中，不受任何电路的范围限制，方便快捷[3]。

1.3 在线监测单元设计

在线监测单元包括队长办公室后台服务器、队长办公室监测单元、钻探公司监测单元。队长办公室后台服务器以4G网络通信方式将钻机数据信息传输至队长办公室监测单元和钻探公司监测单元。

队长办公室后台服务器用于存储钻机数据信息并进行归档。队长办公室监测单元主要由监测工作站、授权的网络账号等组成。队长办公室监测单元通过4G网络接收来自队长办公室后台服务器的数据信息，监测工作站设计转盘、绞车、泥浆泵、顶驱、钻机电控系统、柴油发电机组、管柱处理设备等关键设备参数的监测页面用于各设备运行状态监控。对系统用户进行验证和权限管理，为不同对象提供不同的访问权限[4]，队长办公室人员通过登录授权的访问网址和登录帐号，即可实现被监测钻机参数实时显示、参数异常报警、故障分析、维护保养提示、设备型号查询等功能。可根据需要查看被监测钻机转盘、绞车、泥浆泵、顶驱、钻机电控系统、柴油发电机组、管柱处理设备等关键设备参数的监测页面，并对监测的数据进行历史数据查询。

钻探公司监测单元主要由电脑、4G网络、授权的网络账号等组成。钻探公司监测单元通过4G网络接收来自队长办公室后台服务器的数据信息，对系统用户进行验证和权限管理，为不同对象提供不同的访问权限，钻探公司相关人员通过登录授权的访问网址和登录帐号，即可实现被监测钻机参数实时显示、参数异常报警、故障分析、音频远程技术支持、维护保养提示、设备型号查询等功能。可根据需要查看具体钻机转盘、绞车、泥浆泵、顶驱、钻机电控系统、柴油发电机组、管柱处理设备等关键设备参数的监测页面，并对监测的数据进行历史数据查询。可实时在线监测其所管理的多台配备该系统的钻机实际运行情况，通过故障诊断流程图编写故障诊断程序、收集故障诊断工程案例、整理现场故障诊断经验等多种方式建立专家故障诊断数据库[5]，为钻探公司管理单位远程集中管理和决策提供信息支持。

2 结 语

通过配置钻机信息服务系统，钻探公司管理单位可实现被监测钻机参数实时显示、参数异常报警、故障分析、音频远程技术支持、维护保养提示、设备型号查询等功能。可根据需要查看具体钻机转盘、绞车、泥浆泵、顶驱、钻机电控系统、柴油发电机组、管柱处理设备等关键设备参数的监测页面，并对监测的数据进行历史数据查询。可实时在线监测其所管理的多台配备该系统的钻机实际运行情况，为钻探公司管理单位远程集中管理和决策提供信息支持。有利于迅速解决钻机现场出现的问题，提高钻井效率，保证钻机安全可靠运行。