CN105275632A - 石油钻机动力包无人值守控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石油钻机动力包无人值守控制系统，其解决了现有钻机柴油发电机组和电控房由于人工手动操作效率低、成本高的技术问题，其包括ECM、J1939数据接口模块、转速调节器、控制器、电压调节器和协议转换器，ECM通过J1939数据接口模块与协议转换器连接，协议转换器与控制器连接，控制器通过转速调节器与电压调节器控制柴油发电机组。本发明广泛应用在石油钻井技术领域。

Description

石油钻机动力包无人值守控制系统

技术领域

本发明涉及一种石油钻井技术领域的自动控制系统，特别是涉及一种石油钻机动力包无人值守控制系统。

背景技术

钻井是石油勘探和开发最主要的手段之一，通过钻井才能证实勘探地区是否含油以及含油量的多少，通过钻井才能将地下的油气开采出来。钻井技术水平不仅直接影响到勘探的效果和油气的产量，并且关系到油田开发总成本的高低。因此，提高钻井技术水平和钻井效率，对油气田开发具有十分重要的意义。

石油钻井是一个复杂、完整的工业体系，钻井作业由钻进、钻具更换、泥浆循环、水泥灌浆等几个工序完成。钻井机械是一套为钻井工程服务的综合性联合工作机，统称钻机，即钻机是实现钻井工作的一套综合性机组，钻井技术水平的高低很大程度上取决于钻井设备的装备水平。钻机动力系统，即为钻井设备提供动力源的设备，包括有柴油发电机组及电控系统，简称为钻机动力包。

钻机经历了由柴油机直接驱动到电驱动的发展历程，电驱动钻机目前是钻井的主流设备，其核心是电气传动自动化控制系统，简称为电控系统(集中在一个或两个电控房内)，它的控制对象主要有柴油发电机组、泥浆泵、绞车、转盘、顶驱、固控系统等，根据控制的是直流电机还是交流电机，分为直流电驱动系统(SCR)和交流电驱动系统(VFD)。

近年来，随着控制技术的不断发展，钻井行业对钻机的自动化程度需求越来越高，主要体现在钻井正向无人化的方向发展。作为钻井的核心设备，柴油发动机组供电系统和钻机电控系统，其实现无人值守是实现整个钻机无人化最重要的环节。

目前，钻机柴油发电机组和电控房都是有专门的人员现场操作、维护，一方面造成人力资源的浪费，与石油系统提出的“减员增效”精神不符，另一方面故障不能及时处理，有时因为设备故障现场无法排除还需配套厂家上门服务，维护工作繁琐、故障排除缓慢，直接造成钻井的效率下降、成本升高及资源浪费。

发明内容

本发明为了解决现有钻机柴油发电机组和电控房由于人工手动操作效率低、成本高的技术问题，提供一种效率高、成本低的石油钻机动力包无人值守控制系统。

本发明的石油钻机动力包无人值守控制系统，所要达到的目标是：自动起/停车、自动并网、自动负荷分配、自动卸载及解裂、自动识别警告和故障级别动作，完善的发动机组信号采集及后台监视，采用电控系统(SCR/VFD)实现能量闭环控制。

为达到这一目标，首先要把人工值守方式下柴油发电机组的各种监控信息自动采集到电控房，这些信息包括：水温、油压、发动机转速、水位、电池电压、系统故障、紧急停车、保养提示、运行时间和燃油消耗量等。

本发明提供的石油钻机动力包无人值守控制系统，包括ECM、J1939数据接口模块、转速调节器、控制器、电压调节器和协议转换器，ECM通过J1939数据接口模块与协议转换器连接，协议转换器与控制器连接，控制器通过转速调节器与ECM连接，电压调节器与控制器连接。

优选地，ECM是采用J1939通讯协议的柴油发电机组的综合管理模块，集成了柴油发电机组的运行参数和控制信号，并通过J1939数据接口模块以J1939协议的方式处理数据；

J1939数据接口模块用于将ECM的J1939协议数据转换为Modbus协议数据，协议转换器用于将J1939数据接口模块17输出的Modbus协议数据转换为Profibus-DP协议数据；

控制器通过转速调节器控制柴油发电机组的发动机的转速，控制器通过所述电压调节器控制柴油发电机组的发电机的电压。

优选地，控制器还连接有发电机出口断路器。

优选地，J1939数据接口模块的型号是XLG500，协议转换器的型号是PB-B-MODBUS485，控制器为POWERMANAGESPM-D11型号的并网管理模块控制器，转速调节器为SPEEDCONTROLER2301D型号的转速调节器；电压调节器为VOLTAGECONTROLERDECS100型号的电压调节器。

本发明还提供一种石油钻机动力包无人值守控制方法，包括以下步骤：

(1)在柴油发电机组上安装ECM和J1939数据接口模块，在电控房安装转速调节器、控制器、电压调节器和协议转换器，将控制器通过协议转换器与电控房的电传动系统连接起来，将控制器与柴油发电机组的发电机连接起来，使用转速调节器将柴油发电机组的发动机与控制器连接起来，使用电压调节器将柴油发电机组的发电机与控制器连接起来；

(2)ECM采集柴油发电机组的运行参数数据，将该数据经过J1939数据接口转换成Modbus协议的数据，协议转换器再将J1939数据接口模块输出的Modbus协议数据转换为Profibus-DP协议数据后传送给电控房的电传动系统；

(3)电控房的电传动系统发出控制指令控制柴油发电机组的自动起/停车、自动并网、自动负荷分配、自动卸载及解裂。

本发明的有益效果是，本发明能够实现实时监控、定时提示维护保养、自动报警，并可实现自动起/停车。现场人员只需在值班室就能全面了解动力包的各种性能，实现快速排除故障、预防故障发生、有效的维护工作，实现动力包的无人值守。本系统运行更加安全、可靠和稳定，并能实现减员增效，降低成本。

(1)从根本上解决了钻井队减员增效的问题。目前，国内钻井队柴油发电机组和电控系统的现场日常值班维护人员通常每班3人，每天3班。实现无人值守后，只需1人在办公室即可监控，并可简化为每天2班。这样每天由9人次减少为2人次，按每人每年10万元费用计，仅人工费用即可每队每年节省70万元。国内一个钻井公司的规模通常在几十个钻井队伍，这样一个钻井公司每年可节省人工费用数百万元。

(2)对柴油机组进行无人化控制，能按照现场钻井负荷的实际情况控制柴油机组的功率及并网数量，这样就能最有效的发挥柴油机组的功率，避免人工控制方式下机组过载或者长期轻载情况的发生，使柴油机组工作在合理的功率区间内，从而减少了机组损耗，降低了机组故障率，提高了效率，减少了维修费用，也节省了燃油，产生较好的经济效益。

(3)首次解决了钻机电控系统对柴油发动机的数据采集和监控问题。之前，电控系统对柴油发电机组的数据衔接仅限于发电机，即电压、电流、功率等电参数，而对于发动机的参数，如发动机转速、机油压力、燃油压力、水温、水位、机油温度、运行时间、燃油消耗量等事关发动机运行的重要参数，一直不能采集，造成对柴油发电机组控制的盲区，造成一些发动机出现故障后机组仍然工作的现象，极易出现小事故引发成大事故。在解决了电控系统对柴油发动机的数据采集和监控问题后，柴油发电机组无论是发动机还是发电机，都在电控系统的实时监控下，从而提高了机组运行的安全性与可靠性。

本发明进一步的特征，将在以下具体实施方式的描述中，得以清楚地记载。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是并网管理模块控制器SPM-D11的接口连接图；

图3是监视部分的连接示意图；

图4是并网管理模块控制器SPM-D11、DECS100电压调节器、2301D转速调节器和柴油发电机组的连接示意图。

附图符号说明：

1.柴油发电机组，2.电控房，3.发动机，4.发电机，5.ECM，6.进排气系统，7.冷却系统，8.润滑系统，9.燃油系统，10.发电机出口断路器，11.转速调节器，12.控制器，13.电压调节器，14.协议转换器，15.电传动系统，16.后台，17.J1939数据接口模块，18.发动机电气系统，19.并网管理模块控制器SPM-D11，20.PB-B-MODBUS485协议转换模块，21.S7-300PLC控制器，22.工控机，23.远程监控工控机。

具体实施方式

如图1所示，电控房2和柴油发电机组1连接，后台16与电控房2连接。柴油发电机组1包括相互匹配连接的发动机3和发电机4，进排气系统6、冷却系统7、润滑系统8、燃油系统9、发动机电气系统18分别与发动机3连接。ECM5安装在发动机3上，ECM5是指电子控制模块，ECM5可以是机组出厂时自带。

电控房2包括控制器12、发电机出口断路器10、转速调节器11、电压调节器13、协议转换器14和电传动系统15，控制器12通过发电机出口断路器10与发电机4连接，控制器12通过转速调节器11与ECM5连接，控制器12通过电压调节器13与发电机4连接，协议转换器14与控制器12连接，ECM5通过J1939数据接口模块17与协议转换器14连接，电传动系统15与协议转换器14连接，后台16与电传动系统15连接。

后台16可以是值班房或经理房的电脑。

ECM5是柴油发电机组1的综合管理模块，集成了柴油发电机组1运行的水温、油压、发动机转速、水位、电池电压、系统故障、紧急停车、保养提示、运行时间和燃油消耗量等各种参数及控制信号，通过J1939数据接口模块17以J1939协议的方式处理数据。J1939数据接口模块17的型号可以是上海玄览机电设备有限公司的XLG500，它负责与ECM5接口，通过一条通讯线与采用J1939通讯协议的ECM5建立数据通讯，J1939数据接口模块17能把J1939协议转换为Modbus协议，J1939数据接口模块17经过一条通讯线进入电控房2，与电控房2内的协议转换器14(型号可以是北京鼎实创新科技有限公司产品的PB-B-MODBUS485)建立通讯，协议转换器14再把Modbus协议转换为Profibus-DP协议，该Profibus-DP协议是钻机通用的现场总线协议。这样，柴油发电机组1就与电控房2的控制器12和电传动系统15建立了数据通讯，发动机3和发电机4的各种参数信息与电传动系统15建立了联系，为自动控制柴油发电机1组奠定了基础,电传动系统15为PLC控制系统。

控制器12通过转速调节器11控制发动机3的转速，控制器12通过电压调节器13控制发动机3的电压。控制器12接收来自协议转换器14传输的各种参数信息，决定发电机组1起动、并网、功率分配、卸载或停机。钻井实际负荷的计算由电传动系统15完成，发电机组1的各种参数信息通过现场总线传递给电传动系统15，这样，就完成了发电功率与用电负荷实时传递、计算，控制器12与电传动系统15共同完成了整个钻井的发电、用电过程，无需人为干预，实现了钻井能量的闭环控制，实现了柴油发电机组1和电控房2的无人值守。

需要说明的是，柴油发电机组1可以是一台，也可以是两台以上，一台对应一个ECM5和J1939数据接口模块17。控制器12可以是WOODWORD公司的并网管理模块控制器，型号是POWERMANAGESPM-D11。电压调节器13可采用BASLER公司的VOLTAGECONTROLERDECS100型号产品。转速调节器11可采用WOODWORD公司的SPEEDCONTROLER2301D型号产品。电传动系统15可采用西门子的S7-300PLC控制器。

下面具体说明工作过程：

1、自动起/停车：

在起车条件满足时，如水温、油压等正常且无故障报警信号，通过程序来控制柴油发电机组1上的启动电磁阀，电磁阀来控制启动马达，在电磁阀接通期间柴油发电机组1启动，直到达到怠速值(测量转速信号)，在规定的时间内(可设定)柴油发电机组1接受转速调节器11的信号由怠速上升至满速，然后发电、并网；停车时接受控制器12的信号先卸载、分闸离线，再由满速降至怠速，在规定的时间内(可设定)接受转速调节器11的信号停车。

2、自动并网：

在规定的时间内(可设定)柴油发电机组1接受转速调节器11的信号由怠速上升至满速，电传动系统15根据钻井实际负荷判断是否需要启动另一台或多台发电机组，并自动完成并网。

3、自动负荷分配：

系统能自动完成两台及其以上发动机的负荷分配。

比如4台柴油发电机组1的电源管理器通过发电机出口断路器10连接在一起，当某台发电机组并网时，通过发电机出口断路器10向并网管理模块控制器SPM-D1119发信号(如图2中SPM-D11的29、30信号端，QJM代表无功功率均衡线、PJM代表有功功率均衡线、0代表公共信号端)，激活负荷分配功能，与在线的其它机组进行负荷转移与分配，最终完成等负荷分配。

如图4所示，SPM-D11的9、10端子与转速调节器2301D的19、20端子连接，2301D的输出信号(25、26、27端子)与发动机3的执行器连接，执行器控制发动机3的转速。发动机3的转速反馈信号输入到2301D的13、14、15端子，这样，SPM-D11的控制信号通过2301D最终控制发动机3的执行器，从而控制了发动机的转速。

SPM-D11的12、13端子与电压调节器DECS100的A、B端子连接，DECS100的输出信号(图中F+、F-端子)与发电机4的励磁连接，励磁电流的大小控制发电机的电压，这样SPM-D11的控制信号通过DECS100最终控制发电机的励磁进一步控制发电机的电压。

4、自动卸载及解裂：

在钻井负荷降低或需要紧急停机时，结合绞车、转盘、泥浆泵的使用情况，通过程序，系统能自动判断是否需要解裂一台或几台机组，当某机组需要解列下线时，先将负荷转移至额定负荷的5％以下时，发电机出口断路器10断开，完成离线，按程序停机。

5、电控系统无人值守的实现：

对于电驱动钻机而言，其控制系统的自动化程度较高，需要把现场人工操作和监视的部分改为远程操作和监视。

对于操作部分：

1)对于在电控房2内主要操作对象的发电机组，可手动也可自动，操作开关可设计为：停机-怠速-满速-发电-并网-带载-自动，当操作开关放到自动位置时，并网管理模块控制器SPM-D11发一个自动运行的信号，无需人工干预。

2)对于其它主要设备的操作，合闸开关均设计为电马达驱动，通过编程，电传动系统15可以直接控制，无需人工操作。

3)在电控房2的司钻操作控制台上，设置故障复位按钮，可远程复位。

如图3所示，对于监视部分通过现场总线控制，PB-B-MODBUS485协议转换模块20与S7-300PLC控制器21连接，远程监控工控机23通过工控机22与S7-300PLC控制器21连接。

以上所述仅对本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡是在本发明的权利要求限定范围内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种石油钻机动力包无人值守控制系统，其特征在于，包括ECM、J1939数据接口模块、转速调节器、控制器、电压调节器和协议转换器，所述ECM通过所述J1939数据接口模块与所述协议转换器连接，所述协议转换器与所述控制器连接，所述控制器通过所述转速调节器与所述ECM连接，所述电压调节器与所述控制器连接。

2.根据权利要求1所述的石油钻机动力包无人值守控制系统，其特征在于：

所述ECM是采用J1939通讯协议的柴油发电机组的综合管理模块，集成了柴油发电机组的运行参数和控制信号，并通过所述J1939数据接口模块以J1939协议的方式处理数据；

所述J1939数据接口模块用于将所述ECM的J1939协议数据转换为Modbus协议数据，所述协议转换器用于将所述J1939数据接口模块17输出的Modbus协议数据转换为Profibus-DP协议数据；

所述控制器通过所述转速调节器控制柴油发电机组的发动机的转速，所述控制器通过所述电压调节器控制柴油发电机组的发电机的电压。

3.根据权利要求1或2所述的石油钻机动力包无人值守控制系统，其特征在于，所述控制器还连接有发电机出口断路器。

4.根据权利要求3所述的石油钻机动力包无人值守控制系统，其特征在于，所述J1939数据接口模块的型号是XLG500，所述协议转换器的型号为PB-B-MODBUS485，所述控制器为POWERMANAGESPM-D11型号的并网管理模块控制器，所述转速调节器为SPEEDCONTROLER2301D型号的转速调节器；所述电压调节器为VOLTAGECONTROLERDECS100型号的电压调节器。

5.一种应用如权利要求1所述的石油钻机动力包无人值守控制系统的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)在柴油发电机组上安装ECM和J1939数据接口模块，在电控房安装转速调节器、控制器、电压调节器和协议转换器，将所述控制器通过协议转换器与电控房的电传动系统连接起来，将控制器与柴油发电机组的发电机连接起来，使用转速调节器将柴油发电机组的发动机与所述控制器连接起来，使用电压调节器将柴油发电机组的发电机与所述控制器连接起来；

(2)ECM采集柴油发电机组的运行参数数据，将该数据经过J1939数据接口转换成Modbus协议的数据，协议转换器再将所述J1939数据接口模块输出的Modbus协议数据转换为Profibus-DP协议数据后传送给电控房的电传动系统；

(3)电控房的电传动系统发出控制指令控制柴油发电机组的自动起/停车、自动并网、自动负荷分配、自动卸载及解裂。