信息化技术在顶部驱动钻井装置全生命周期的应用实践

摘要：伴随物联网和信息技术的不断推广和发展，信息化与工业化融合方案在越来越多的工业领域得到应用，对石油石化装备制造企业在节能减排、安全生产、提高生产效率和管理水平方面提出了新的要求。该文创新性地提出了将服务与管理、研发、制造相结合，推进两化融合向纵深发展的全新理念，并结合北京石油机械厂顶部驱动钻井装置的成功案例，阐明了基于这一理念的信息化技术在大型复杂装备全生命周期的实现方法以及应用效果。

关键词：两化融合；物联网；顶驱；机电一体化

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）19-4595-07

伴随着“两化融合”的推进，以及物联网、信息技术的不断发展和成熟，信息化与工业化融合方案在越来越多的工业领域得到应用。尤其是石油化工产业，两化融合发展已成为石油石化企业节能减排、安全生产、提高生产效率和管理水平的重要推动力，以ERP企业资源计划、OA办公自动化为代表的管理信息化系统已经成为石油石化企业经营管理的重要组成部分，两化融合的脚步已经从初期摸索变为加速推进。在新的发展阶段，提高信息化与工业化的深度融合成为企业应用以及科研关注的焦点。

本文创新性地提出了将管理、研发、制造、服务等在具体工业产品上有机结合，推进两化融合向纵深发展的全新理念，并结合北京石油机械厂顶部驱动钻井装置的成功案例，阐明了基于这一理念的信息化技术在大型复杂装备全生命周期的实现方法以及应用效果。

1 顶驱装置全生命周期A&I技术框架

顶部驱动钻井装置（以下简称顶驱或顶驱装置）是集机电液于一体的新型石油钻井装备，结构复杂，自动化集成度高，能够有效提升钻井效率。除了产品设计复杂度高以外，顶驱装置同样具有运行周期长、涉及人员广泛等大型复杂装备的固有特点。设备的良好运行至关重要，一旦停机将有可能产生严重影响，因而对运行可靠性具有更高的要求。随着自动化技术、物联网以及信息技术的不断发展和日趋成熟，顶驱这类复杂装备在企业内部运营范围内的管理、研发、制造信息化集成成为可能，数字化设计制造平台、自动化办公平台、企业资源计划系统应运而生。因此，在石油石化装备制造企业突破设计制造的局限性逐渐向制造服务转型的内在发展要求下，该文提出将面向产品用户的服务信息化与企业内部生产管理信息化相结合的全新理念，设计并实现了基于自动化、物联网和信息技术的顶驱装置全生命周期现代控制与信息技术框架（Automation and Imformation，A&I），如图1所示。

图1 顶驱全生命周期A&I技术框架

在上述A&I技术框架中，顶驱运行服务动态系统和企业资源计划系统跨越了企业内部生产管理和产品服务两个部分，是实现生产与服务资源调度的核心，也是联系企业和用户资源共享的纽带。顶驱运行服务动态系统的基础数据来自企业内部ERP系统，是经过ERP与OA集成应用审批后的有效数据。顶驱运维、检修维修等技术支持类服务则以顶驱运行服务动态系统为平台，以远处监控系统数据为依据，进行工程师、备件等服务资源的合理分配及调度。

对于远程监控系统，不论是企业内部用户、设备的管理者，还是设备的最终使用者，通过网络客户端都能够实时查看远程监控系统所的顶驱实时信息，了解自有顶驱的基本运行状态。在故障处理等技术支持服务方面，这些信息能够作为工程师排查和分析故障的有效依据。尤其是对于由操作不适当或不规范而造成的停机，工程师通过远程技术支持即可快速诊断和说明这些非设备原因的外在故障原因，并指导现场复位故障恢复正常运行。

2 面向服务的顶驱A&I技术应用实例

为了能够更好地适应野外复杂钻井工况需求，顶驱装置不仅能够为钻具提供旋转动力，还同时具备抱钻杆、上卸扣等辅助功能。这些功能最终由顶驱本体的机械结构完成，而其中一些机械执行机构由电气系统直接控制，另一些则通过电气系统控制液压传动间接控制。在自动化控制的基础上，与物联网和信息技术融合，将顶驱装置的控制、运行参数等数据到WEB客户端，通过计算机、手机等移动数字设备，能够实现不同级别用户对顶驱资源的跨地域实时共享，为各类用户提供有效的交互平台。这就是本文所提出的顶驱全生命周期A&I技术框架中面向服务部分的核心概念，其技术框架如图2所示。该框架中的顶驱呼叫平台、远程监控系统以及备件订购平台已经投入使用，在顶驱运行、预防性维护、技术支持、备件订购等设备服务工作中取得了良好的实际应用效果。

图2 面向服务的顶驱A&I技术框架

2.1 顶驱运行服务动态系统

顶驱运行服务动态系统是基于B/S架构的顶驱产品技术支持服务系统，它的应用跨越企业内部和客户服务两部分，从顶驱生命周期中的“装配”阶段开始应用，直到整个生命周期结束，既涵盖每台顶驱的装配信息、试验记录、系统备份、物流信息等企业内部资源，又归档了安装调试记录、现场使用数据、维修记录、返厂检修等可供使用级和管理级用户共享的公共资源。用户登录后能够根据账户权限查看相应信息。

顶驱运行服务动态系统为用户提供以下功能：

1） 用户登录：

采用用户权限管理方式，不同用户分配不同操作权限。除系统管理员外，设置设备使用级、设备管理级、企业制造级等三类用户。

图3 用户登录

2） 信息总览：

浏览顶驱编号、型号、系统类型、作业地点等顶驱基本情况，在新增顶驱记录时由系统管理员录入。对于其它用户，提供按顶驱型号、顶驱编号、作业地点、工程师等排序查看功能。

图4 顶驱信息总览

3） 信息查询：

可通过顶驱编号、型号、安装工程师、作业地点等信息进行单一查询或组合查询顶驱基本信息，或根据故障类型、故障日期等查询顶驱跟踪信息。

图5 查询顶驱基本信息

图6 查询顶驱跟踪信息

4） 信息浏览和更新：

点击顶驱编号可进入对应编号下顶驱从装配、试验阶段到现场运维阶段的基本信息和记录。同时提供有系统备份的下载，以便用于返修调试或系统还原。对于设备使用级和企业制造级用户，根据管理权限的不同，还可对这些基本信息进行录入和更新操作。

图7 顶驱基本情况归档

对于工作在全球范围内石油钻井现场的顶驱装置而言，顶驱运行服务动态系统基于WEB架构的网络客户端应用模式以及权限管理策略，既实现了公共信息的跨地域实时共享，又能够满足私有信息的安全性控制要求，结合按照区块划分的服务站、维修站等服务设施，为顶驱装置的安全运行和定期检修提供了极大的便利，为顶驱信息资源的共享提供了一个公共平台，良好的技术服务支持也同时为企业树立了严谨而友好的企业形象。

2.2 备件订购平台

顶驱备件订购平台是面向市场服务的WEB应用系统，能够为登录客户提供顶驱包括机械液压部件、电气元件在内的备件查询和订购功能，并且在线生成电子请购单，通过OA工作流流转到顶驱本部工作人员，审批通过后，自动转入ERP系统进行出库等操作，再流转回到OA工作流进行物流包装发运，用户确认收货后，整个备件订购流程闭环结束，如图8所示。

图8 顶驱备件订购平台技术框架

考虑到市场需求的多变性，除了传统的PC版应用，备件订购平台同样支持基于手机等移动数字设备的用户访问，如图9所示。

图9 北石顶驱备件订购平台

此外，备件订购平台还提供最新版本的离线备件清单以及顶驱手册下载功能，帮助用户掌握顶驱的最新技术信息和发展动态。自2010年投用以来，顶驱备件订购平台受到了客户的广泛好评，为用户采购顶驱相关备件提供了有效便利的新途径。

2.3 远程监控系统

顶驱装置集成了机械、电气和液压技术，在为现代钻井施工提供便利的同时，也提高了装备的复杂度，对于掌握产品核心技术的顶驱制造商而言，往往能够更加快速地定位和解决复杂的现场问题，为用户赢得更多有效生产时间，基于顶驱A&I技术架构的远程监控系统很好地解决了这一实际需求。

顶驱本体和司钻操作台上配置有远程子站，能够和顶驱的主控PLC之间实现工业现场级通讯。在对各功能单元进行逻辑控制的同时，PLC将司钻操作记录、故障报警代码、系统运行状态等数据传送到上位监控系统，在本地进行数据归档和人机交互操作，并利用互联网技术将这些信息到远程客户端，基于不同管理权限的用户可以随时登录客户端查看对应顶驱的实时运转情况。对于位于井场的最终用户而言，通过反馈到监控系统、服务站、维修站的实际数据，能够帮助服务工程师快速掌握现场情况，有效克服地域因素这一顶驱运维技术支持工作难点；对于钻井、装备管理等远程用户，这些信息则为顶驱运行维护管理工作的实施和监管提供了有效依据，有利于及时发现并杜绝违规操作、不规范操作、维护不到位、保养不及时等影响顶驱使用寿命的不良现象；对于顶驱制造商而言，现场数据反映了顶驱的实际使用情况，不仅能够作为技术改进的分析依据，还可以帮助设计者从侧面了解现场需求，有利于设备在实用性和适用性方面的与时俱进。

顶驱远程监控系统由设备端、服务器端和远程客户端组成，在服务器端还设有监控调度中心，由顶驱制造商直接管控，能够实现技术服务资源的最优调配。其框架结构如图10所示。图11所示为其在冀东钻井现场的实际应用情况。

图10 远程监控系统框架结构

图11 远程监控系统应用实例

远程监控系统的应用，实现了顶驱最终用户、装备管理机构以及顶驱产品设计制造商的异地在线互动、协同工作，节省了不必要的路途时间，实时变量监控更能为服务工程师非现场解决问题提供了更加可靠的有用信息。此外，系统运行参数、报警信息、维护保养状态等现场信息的归档存储，同时为企业在设计制造方面的技术创新提供了宝贵的数据资源。

2.4 维护保养提醒功能

维护保养提醒功能集成于顶驱上位监控系统中，框架结构清晰，操作界面友好，用户通过几个简单步骤，即可实现更新维护保养设置、标记维护保养情况、导出维护记录跟踪报告等工作。本功能的框架结构如图12所示。

保养设置知识库是维护保养提醒功能的数据中心，采用基于SQL Server的数据库结构，并设置有权限管理机制，分配专家和非专家两类用户。专家用户熟悉顶驱设计制造规范，在此基础上提出通用性的维护保养内容，作为本功能中的预设维护保养项目，帮助用户掌握顶驱基本保养点和维修保养需求，并按照保养周期定期提醒用户。非专家用户则是系统提供的自定义维护保养项目接口，便于用户根据现场实际需求，增加其它保养项目。通过用户权限的划分，不仅避免了非专家用户对保养设置知识库的不当更新，又给予了实际使用者以自由度，二者相结合，有效提升了主功能的灵活性和适用性。

维护保养提醒功能的主画面如图13所示。除了增、删、改、查和导出报表等基本数据库操作外，本功能还设置了定期自动弹窗提醒，并提供日、周、月、季、半年、年等多个周期单位，根据保养点的不同保养要求选择适当的保养间隔。

图13 维护保养功能主画面

提醒功能以时间作为事件触发点，并设置标志位。通过主控PLC获取的系统运行时间反映了顶驱的实际有效工作时间，相比自然时间增加精确可靠。当到达保养周期时，系统自动弹出提醒窗口，包括等待保养的项目、检查内容等信息。用户则需要勾选确认各保养内容的完成进度。如图14所示，为日保养项目弹出提示窗。

图14 日保养项目弹出提示窗

对于顶驱用户而言，维护保养提醒功能能够给予必要的专业维护保养规范，对投用顶驱在现场的定期维护保养工作起到指导和督促作用。对于顶驱制造商而言，维护保养提醒功能的保养知识库则为与其与用户构建了一个实用平台，产品设计者根据设计标准预设保养项目、检查内容和保养周期，能够有效地将顶驱装置维护保养规范传递给实际使用者，帮助用户减少由于人为因素而对设备造成的不必要损耗。

2.5 操作培训

作为顶驱使用者，其操作往往涉及机械、电气、液压等多个方面。因此，为现场提供直观清晰的作业指导和帮助文件，是作为装备设计制造向服务延伸的一项有效措施。顶驱A&I技术为这些操作指导文档提供了良好平台，如图15所示。顶驱系统帮助手册集成在现场的上位监控系统中，按照机械、电气、液压、安装调试、电控房使用、维护保养、数据恢复等分类链接，便于用户按照自身需求选择查阅。同时，对于司钻等操作人员，系统中设有专门的操作手册以备熟悉和掌握各工况的操作要求和方法。

图15 顶驱系统帮助平台

3 结论与展望

作为具有划时代意义的新一代石油装备，顶驱装置集机械、电气液压和信息技术于一体，实现了自动化与信息化的成功应用，大大加快了钻井速度，在现场作业中得到日益广泛的应用。随着物联网、信息化技术的不断发展和成熟，信息化与工业化有机融合成为顶驱等大型复杂装备制造企业寻求自身革新、提高企业生命力的必然选择。该文所提出的将服务信息化与管理、研发、制造信息化相结合的全新融合方式，以及基于物联网、信息技术的大型复杂装备全生命周期A&I技术框架的实现方法，强化了企业信息化与工业化的深度融合由单纯的制造业向制造服务业转变的深化应用。基于这一框架下的北京石油机械厂顶部驱动钻井装置的成功案例表明，将企业内部生产管理信息化与面向客户的服务信息化有机结合，能够有效加快大型复杂装备制造企业从设计制造向制造服务的转型，推动装备制造业向低碳、高效、智能的升级。这一面向全生命周期的A&I技术框架为两化深度融合开拓了服务信息化的全新视角，实现了工业产品全生命周期的信息化。

参考文献：

[1] 李浩，纪杨建，祁国宁，顾新建，张栋，陈芨熙.面向全生命周期的复杂装备MRO集成模型[J].计算机集成制造系统，2010，16（10）：2064-2072.

[2] 程曜安，张力，刘英博，莫欣农，大型复杂装备MRO系统解决方案[J].计算机集成制造系统，2010，16（10）：2026-2037.