海洋钻井平台钻柱自动化处理防碰撞控制研究

马清明，江正清，董怀荣

（中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营257017）①

海洋钻井平台钻柱自动化处理防碰撞控制研究

马清明，江正清，董怀荣

（中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营257017）①

钻柱自动化处理系统在海洋钻井平台上得到越来越多的应用，提高了工作效率，减少了工人的劳动强度。但在整个钻柱自动化处理过程中，很多大型机械设备在钻台有限的空间内运动，存在设备之间运动轨迹上的重叠，给安全生产带来了隐患。设计了1套基于周界检测和轨迹分析的防碰撞预测系统，解决了由于传感器失灵或偶发人员、设备进入运行轨迹可能造成的安全事故，为安全生产提供了有力的保障。

钻柱自动化；防碰撞；周界检测；轨迹分析

海洋钻井平台在生产过程中，需要不断地将钻井管柱由平台甲板输送到二层台，并且在二层台实现接立根、卸立根、立根排放等一系列操作，这些工作以前主要由工人完成，劳动强度大，效率低，危险性高。目前，采用钻柱自动化处理系统进行生产已成为海上钻井平台的主流操作，标准配置的1套钻柱自动化处理系统包含关节吊、自动猫道机、自动卡瓦、动力鼠洞、辅助提升机、二层台立根自动排放装置等［1-6］。这些大型的动力机械设备在钻台上有限的空间内，自动将长尺寸的钻柱经过姿态变化、位置变化、角度变化等一系列处理过程，存放在立根盒里或直接接到井口的钻具上。这需要多台设备之间良好的配合衔接，而且有的设备运行轨迹存在重叠的区域，需要控制程序从逻辑上予以严格区分。这样在生产过程中，一旦有传感器或执行器发生故障，设备不再按照预定的速度、轨迹运行时，可能会造成很大的设备碰撞等生产事故［7］。另外，如果有人或设备进入到某个设备的运行轨迹，很可能造成人身伤害、设备损害。因此，设计1套能够防止设备碰撞和人身意外伤害的保护控制系统具有很高的应用价值。针对这种需求，本文设计了1套依据设备运行轨迹分析和周界检测的防碰撞控制系统，并通过虚拟仿真系统进行了试验验证。

1 防碰撞控制系统的设计

防碰撞控制系统的设计与整个钻柱自动化处理系统的设计整体进行，控制系统除能够按照工艺要求完成钻柱的自动化处理控制流程，还具备故障诊断和防碰撞功能。设计时，在满足钻柱正常生产需要的检测部件、控制部件、执行部件及监控系统之外，还额外增加了设备运行周界检测的传感器及对运行设备安全保护进行断水、断气、断油、断电的执行部件。

整个控制系统采用分布式控制，西门子S7400系列PLC作为控制主站，运行工艺逻辑控制、防碰撞控制、故障分析等程序。控制主站通过Profibus-DP挂接远程I／O，分别连接各功能分站，功能分站主要完成设备的单机调试及整机连锁自动控制时的数据采集上传及控制动作执行。上位机通过工业以太网与主控PLC通讯，采用Wincc软件平台监控现场设备的运行及进行参数的设定记录、报警分析记录等工作。系统的操作由集成式司控操作台完成。系统结构如图1所示。

2 周界传感检测及安全判别技术

设备周界传感检测技术是防止偶发性的人员或设备进入到其工作运行轨迹的有效检测方法。在钻柱自动化处理过程中，多个设备是顺序协同工作的，这样就有某些时段、某些设备并不动作，若在此时有人员或装备因为检修或其他原因进入其轨迹，则一旦其开始动作，很容易发生人员伤害。因此，需要在每个设备运行过程中时刻检测其运行轨迹内是否有障碍物，当障碍物离设备的距离小于安全间距时应及时停车报警，防止事故的发生。为此，选用多个SIMATIC PXS系列超声波传感器安装在运动设备的机械臂、梭车、伸缩轴、旋转体等部件上，让其跟随设备运行并检测周围障碍信息。

安全判别的实现主要是安全间距的确定，对任一传感器而言，其安全间距都不是固定的某个数值，而是随着空间轨迹的变化而变化。这主要是由于在设备运动过程中，平台上安装的设备的间距也是变化的。例如：某个轨迹坐标下超声探测的距离不小于与固定安装设备的数值，则认为是安全的，即使这个距离比较小；若某个轨迹坐标下超声探测的距离小于与固定安装设备的数值，则认为是不安全的，即使这个距离比较大。为避免超声探测器受环境因素影响产生的误差影响判别，又引入了安全阈值，当差值大于安全阈值时，报警停车。

安全判别的算法流程如图2所示。其主要思路是：首先根据设备安装时的位置坐标信息及正常生产时设备的运动轨迹，建立起一整套各个设备在不同轨迹时的安全模型，同时建立1套设备在不同轨迹时的安全阈值表。这样在设备运行过程中，随时根据运动的轨迹信息求算出安全的间距向量表。用该表格与实际周界检测的结果作比较，取得差值，如果该差值超过该轨迹下的安全阈值表，则报警停车，否则认为没有碰撞可能，设备继续运行。

3 运行轨迹预测分析及故障判别系统

在钻柱自动化处理设备运行过程中，需要随时检测设备的当前位置、速度状态等信息，同时在关键位置还安装有到位检测传感器。在设备控制过程中，这些信息需要参与到设备的闭环控制中，用于控制设备执行部件的启停、运行速度、阀门开度等。但是在实际应用中，钻井设备所处的环境多是比较恶劣的露天环境，传感器容易受到风沙、海洋潮气、雨雪、雷电等的影响，长时间连续工作时会出现零点漂移、传感器失效甚至损坏等情况。这样可能会造成该停的设备不停、已经到位的设备继续运动等异常情况，造成碰撞等生产安全事故。

为避免此情况，在控制程序内设计了1套运行轨迹预测分析及故障判别系统，根据前一时刻设备运行的位置、速度等信息，通过1个预测模型来预测设备当前的运行位置、速度等信息［8］。若预测信息与传感器实际检测信息的差异超过安全阈值，则认为可能出现传感器失效或损坏的情况，根据传感器在控制中的重要性，进行报警提示或直接停车检修。预测模型建立的依据是由设计时设备的机械结构、工作原理及驱动部件工作原理构建而成，并在设备各部件完好的情况下进行反复试验验证修订，最终确立而成。在实际使用过程中，考虑到设备运行一段时间后的动态特性等会发生变化，需要隔一段时间进行验证修订。

轨迹预测分析系统算法流程如图3所示。

图3 轨迹预测分析判别算法流程

主要思路是：在程序中存储设备前1个控制周期的位置、速度等信息，代入到提前设计好的设备运动数学模型中，求算出理论上该设备在当前时刻应该具有的位置、速度等信息；将该信息与实际上传感器检测到的信息进行比较，如果差值超过了安全阈值，则认为传感器可能失效或损坏，此时提示报警。如果是重要的控制节点，则应该立即停车检查。设定安全阈值的目的主要是防止设备运动模型时变、干扰等因素造成的误判。

4 基于虚拟现实的三维仿真试验验证系统构建

出于安全性考虑，无法在真实设备上模拟产生故障及人员设备闯入，为了验证所设计的防碰撞程序的可靠性、有效性，构建了1套基于虚拟现实技术的三维仿真平台来进行试验验证。

基于虚拟现实的三维仿真试验系统包括三维虚拟设备及运动模型、PLC主控系统、演示屏幕及上位监控计算机等4部分。其中三维虚拟设备及运动模型是利用3DMAX构建设备模型，然后由Virtool开发三维仿真程序，模拟设备运动模型，在Virtool中利用内嵌二次开发软件开发OPC客户端软件与主控制器PLC通讯，完成数据交互。主控PLC运行设备逻辑、工艺控制及防碰撞程序。此时主控制PLC中的检测数据不再来自于现场设备，而是由Virtool仿真平台虚拟运行时，将结果通过OPC技术写入到PLC中完成。PLC的控制指令也通过OPC传送到Virtool平台，控制设备的运行。运行结果通过投影投放到显示屏上，监控计算机与实际中应用的完全一致，通过以太网访问PLC，监控生产数据并设定、存储数据及报警指示等。仿真系统结构如图4。

通过试验验证，在Virtool中模拟传感器失效或在场景中加入障碍物时，PLC均能有效发出报警停车信息，说明该防碰撞系统设计是有效的。

图4 仿真系统结构

5 结语

在钻井平台钻柱自动化处理系统的基础上，设计了1套防碰撞控制系统，能够有效解决在自动化生产过程中，由于人员或设备偶发性进入生产现场或者传感器、执行器等失效、损坏等情况可能造成的人身伤害、设备碰撞等生产事故，并通过虚拟仿真系统进行了试验验证，可有效保证钻柱自动化处理系统的可靠高效运行，具有很高的推广应用价值。

［1］ 沈忠厚.现代钻井技术发展趋势［J］.石油勘探与开发，2005，32（1）：89-91.

［2］ 牟顺泉，徐力，董怀荣，等.国外自动化钻机发展现状与趋势［J］.西部探矿工程，2012（6）：125-127.

［3］ 刘文庆，崔学政，张富强.钻杆自动排放系统的发展及典型结构［J］.石油矿场机械，2007，36（11）：74-77.

［4］ 石美玉，杨国家，李富平，等.海洋钻机钻杆自动排放系统控制方案设计［J］.石油矿场机械，2011，40（12）：41-44.

［5］ 何鸿.钻井平台钻杆自动化排放系统方案设计［J］.石油矿场机械，2012，41（9）：82-84.

［6］ 朱德武.国内外新型钻井设备技术新进展［J］.中外能源，2011，16（7）：42-46.

［7］ 王志安，李丙信，田立杰.钻井和修井天车防碰控制系统的研制［J］.工业安全与环保，2002，28（7）：36-37.

［8］ 刘晓艳，施亚楠，李培丽.丛式井组总体防碰与钻井顺序优化技术及应用［J］.石油钻采工艺，2012，34（2）：9-12

Research on Anti-collision of Drill Strings Automatic Treatment System for Offshore Drilling Platform

MA Qing-ming，JIANG Zheng-qing，DONG Huai-rong
（Shengli Drilling Technology Research Institute of Sinopec，Dongying 257017，China）

The drill strings automatic treatment system was extensively used for offshore drilling platform in recent years，the labor intensity was lessened and the productivity was raised.In the system，the large-scale mechanization running in confined space of the drilling floor exist reduplication of the movement track and the potential safety hazard.An anti-collision early warning system based on perimeter detection and trajectory analysis was designed.The safety accident happened when the sensor failure or personnel and equipment access the movement track was resolved very well.The guarantee of realizing the safety in production was provided.

drill string automation；anti-collision；perimeter detection；trajectory analysis

TE928

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.07.001

1001-3482（2014）07-0001-04

2014-02-21

国家高技术研究发展计划（863计划）“深水钻机与钻柱自动化处理关键技术研究”（2012AA09A203）

马清明（1966-），男，山东临朐人，教授级高工，博士，主要从事钻井机械研发、科研管理等工作。