浅谈石油钻机上现场总线技术的应用

张德森

[摘要]以石油钻机上的现场总线技术为研究对象，对相关问题进行分析阐述。主要介绍石油钻机的发展趋势：探讨与石油钻机现场总线技术相关的问题。希望研究能够给相关领域的研究带来指导和帮助。

[关键词]石油钻机现场总线技术

中图分类号：TE9文献标识码：A文章编号：1671—7597(2009)0620122－01

一、电驱动钻机是钻机发展的总体趋势

当前石油钻机驱动系统主要有机械驱动、液压驱动和电驱动三种形式。其中电驱动钻机是以柴油发电机组发出交流电，通过调速装置处理后，分别拖动绞车、泥浆泵、转盘或顶部驱动装置的驱动电机进行作业。

电驱动钻机与机械钻机相比具有以下优越性：

1传动环节少，传动效率高：

2平均机械钻速高；

3使钻井设备的布置和排列具有极大的灵活性；

4电机传动平稳，转速和扭矩可以进行精确控制，对处理钻井事故有利；

5操作简单，运行可靠，维护量少，钻井时效高，机修停工率低。

电驱动钻机用直接对电机调速代替机械钻机的换档机构，减少了传动环节，提高了效率。这样电驱动钻机采用两档或是一档绞车就可以完成机械钻机至少四档绞车完成的作业，所以钻机的结构更加紧凑、合理，可以十分方便的进行布置和安装，而维护费用却大大减少。最重要的是电传动不但可以十分方便的控制转速和扭矩，还可以输出短时过载扭矩来满足处理事故的需要。而这些功能通过手感舒适的按钮、转换开关、电位器手轮等元器件就可实现，若与计算机与网络技术结合起来就可以实现钻井的自动化控制。

由于电驱动钻机具有机械驱动钻机无法比拟的优越性，使它成为钻机发展的总体和必然的趋势。从用户及市场的需求出发，发展电驱动钻机势在必行。电驱动发展上，电驱动钻机的机械部分立足于国内生产制造，而电气控制系统的主要核心器件由于国内电子、电器产品的发展相对滞后，所以在短期内还会以进口的方式解决。但随着国内电子产品质量的提高，国产产品取代进口产品的日子并不遥远了。

二、钻机上全数字交流调速系统使通讯采用总线技术成必然

石油钻机是勘探开发石油资源的重要设备，最初我国的石油钻机电传动系统主要依赖进口，近几年来，随着技术水平的进步，国产电传动系统逐渐开始占领市场，但主要还是SCR，朋(晶闸管直流电动机)的直流调速系统为主，效率低，操作复杂，一些操作控制功能靠继电器来实现。现场调试工作量大，正常使用时的维护工作量相应也很大。

伴随着电力半导体器件以及交流电动机速度控制的不断完善，在最近的二十年时间内，以各种电力半导体器件构成的变频器已经发展了好几代，使当今高性能的交流调速系统在技术水平上已经赶超了直流调速系统。动态性能好、功率因数高、效率高、谐波小、维护简单等特点使变频器驱动的交流电机调速系统正在逐步取代着包括直流电动机调速系统在内的各种调速系统。显示出交流调速系统本身的优越性和巨大的社会效益。

因此以可靠性作为前提，尽量采用先进的技术，进行合理的技术设计和结构设计的交流全数字电传动系统就成为钻机电控系统的首选。现场总线和数字化司钻台的应用，使系统内各设备间的连线，尤其是控制房与司钻台间的连线大大减少，减少了故障点，而且增强了系统的抗干扰性。在系统设计上，传动部分采用变频柜切换的方式，即当绞车／转盘变频柜出现故障后，可以通过接触器切换，用泵变频柜来驱动绞车／转盘。系统操作采用正常和应急两种操作方式，正常情况下采用触摸操作屏，由PLC通过总线通讯的方式完成逻辑操作控制；当PLC或总线网络出现故障，由应急司钻台，通过继电器来完成逻辑操作控制。所以当出现故障后，可通过迅速切换减少停机时间，大大提高系统的可靠性。

三、在石油钻机上的应用理场总线PROFIBUS技术

现场总线技术(Filed bus Control SystemFCS)是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通讯网络，遵循ISO的OSI开放系统互连参考模型的全部或部分通讯协议。FCS则是用开放的现场总线控制通讯网络，将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时网络控制系统。FCS各控制器节点下放分散到现场，构成一种彻底的分布式控制体系结构，网络拓扑结构任意，可为总线形、星形、环形等·通讯介质不受限制，可用双绞线、电力线、无线、红外线等各种形式。FCS形成的Intrenet控制网很容易与Intranet企业内部网和Internet全球信息网互连，构成一个完整的企业网络三级体系结构。

众所周知，钻井工程技术是由钻井工艺技术和钻井装备技术两个缺一不可的部分组成：工艺和装备相互依赖与相互促进的辩证统一关系，是钻井工程整体技术不断进步的基础。为实现安全、高效、低成本钻井，现代石油钻机在上世纪晚期推广应用顶部驱动、盘式刹车和自动送钻等新技术以来，正朝数字化、信息化、自动化、智能化、大型化以及机电液数字通讯一体化方向发展，DBS系列数控变频电动钻机正是在这种形式下应运而生的·DBS钻机集成应用现代先进成熟的交流变频、矢量控制、总线通讯、数字可编程序控制和计算机技术，建立起数字化、信息化、智能化平台，使钻机主要功能实现全数字控制，并为以后建立钻井工程数据库和远程钻井支持系统，实现智能优化钻井创造了条件。

DBS钻机现有的网络系统如果和局域网和利用卫星或Internet网的远传系统结合起来构成三层的系统，再与远程控制中心的办公自动化系统结合起来，通过安装相应的应用软件，就能够构成远程钻井系统。控制中心的人员既可从该系统中获取各种资料，包括井的资料、钻机的资料及其它钻井工程所需的完整、系统资料，并可生成各种分析数据、图表和完井的最终报告。以上资料经过一定积累，就形成一套完整的钻井工程数据库。该库对于新井设计、最优化钻井、处理钻井复杂问题、成本估算以及减耗增效等，都具有十分重要的作用。对于分布在全球各地的钻井设备维护目前面临的诸多问题，通过钻井设备维护管理系统实现远程监控设备运行状态，远程维护设备运行参数，运行状态信息收集与管理，维护及维护调度工作的信息化和网络化，从而达到降低企业设备维护成本，增强钻机现场与总部的互动，产生系统科学的统计数据，提供专家级技术评估的目的，并最终大幅度提高企业的管理质量，降低售后服务的成本，并转化为市场优势，实现企业市场规模的高效率和低成本的扩张。