北京石油機械廠是一個有著近五十年歷史的國有中二型企業(yè)，是國內(nèi)石油行業(yè)最早通過ISO9000質(zhì)量體系認證的企業(yè)，目前她已經(jīng)成長為一個集開發(fā)、設(shè)計、制造、銷售、服務(wù)為一體的石油鉆采裝備專業(yè)制造企業(yè)，并且光榮的成為我國首臺交流變頻頂驅(qū)裝置的研制者，僅用短短四年半的時間，完成了100臺頂驅(qū)裝置的設(shè)計和銷售。北石廠自知面臨著既要在技術(shù)上保證頂驅(qū)產(chǎn)品的國際級水準，又要拉大與國內(nèi)同行間的競爭優(yōu)勢的重要使命。早在2003年實施國產(chǎn)頂驅(qū)產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)項目伊始，北石廠便開始了與世界一流的自動化系統(tǒng)解決方案提供商--西門子公司的長期合作關(guān)系，這一高瞻遠矚的戰(zhàn)略選擇最終成就了其國內(nèi)頂驅(qū)市場頭把交椅的至尊位置。
　　作為我國首臺交流變頻頂驅(qū)裝置的研制者，北京石油機械廠（以下簡稱北石廠）無時無刻不在感覺著肩負的重要使命。一是面對愈發(fā)激烈的國際競爭，國產(chǎn)頂驅(qū)需要在不斷與國外知名品牌頂驅(qū)的"交手"中保持"技高一籌"，一是由于國內(nèi)石油鉆采設(shè)備制造廠商的快速發(fā)展，應(yīng)對石油鉆采設(shè)備日益嚴峻的價格壓力。北石廠既要在技術(shù)上保證頂驅(qū)產(chǎn)品的國際級水準，又要拉大與國內(nèi)同行間的競爭優(yōu)勢。

　　圖1：北京石油機械廠概貌

　　這家有著近五十年歷史的國有中二型企業(yè)，是國內(nèi)石油行業(yè)最早通過ISO9000質(zhì)量體系認證的企業(yè)，先后取得美國石油學(xué)會API SPEC 16D等證書許可權(quán)。目前擁有螺桿鉆具系列、地面防噴器控制裝置系列、井下單螺桿抽油泵系列、震擊器系列、頂部驅(qū)動鉆井裝置等產(chǎn)品，2007年度實現(xiàn)工業(yè)總產(chǎn)值12億元，銷售收入8.82億元，是集開發(fā)、設(shè)計、制造、銷售、服務(wù)為一體的石油鉆采裝備專業(yè)制造企業(yè)。其中北石廠自主研制的交流變頻頂部驅(qū)動鉆井裝置，擁有中國石油天然氣集團公司（CNPC）自主知識產(chǎn)權(quán)，采用了多項國家專利技術(shù)，填補了國內(nèi)空白。
　　緊握石油鉆采的發(fā)展契機
　　近年來我國對石油能源開發(fā)力度的加大和石油鉆采設(shè)備出口的急劇增加，極大地拉動了我國石油鉆采設(shè)備制造業(yè)的需求和發(fā)展。根據(jù)國家權(quán)威資料顯示，2006年1-10月，全國石油鉆采專用設(shè)備制造業(yè)共實現(xiàn)銷售收入244.24億元，同比增長75.12%，比去年同期快33.25%；利潤24.17億元，同比增長115.80%，比去年同期快40.82%。當前，我國是世界上極少數(shù)能成套生產(chǎn)1000-9000米鉆機的國家，且國產(chǎn)12000米的鉆機已經(jīng)面世。

　　圖2：2005-2007年度我國石油鉆采設(shè)備制造業(yè)銷售收入和利潤增長趨勢圖

　　北石廠副廠長兼總工程師鄒連陽教授相當看好國內(nèi)的石油鉆采市場："由于石油行業(yè)的發(fā)展前景良好，我廠每年的產(chǎn)值和利潤都在翻倍增長。石油行業(yè)良好的大環(huán)境同時帶動了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，石油行業(yè)上游和下游的分布大體是上游以鉆井采油為主，下游以煉油化工為主。我們的產(chǎn)品覆蓋中石油、中石化所屬的陸上油氣田和中海油所屬海上油田，出口到40多個國家和地區(qū)，'北石'和'BPM'已成為國內(nèi)外石油界普遍認可的品牌。尤其在'十一五'規(guī)劃綱要中，國家更加重視能源質(zhì)量、安全生產(chǎn)和大型機械制造業(yè)的發(fā)展，為我廠帶來了新的發(fā)展契機。"

　　圖3：北石廠副廠長兼總工程師鄒連陽教授

　　"我們這種提供大型設(shè)備產(chǎn)品的廠商，最重要的是要靠質(zhì)量、靠可靠性、靠競爭能力以取得發(fā)展，同時頂住已有的價格壓力。用戶最基本的設(shè)備需求，比如鉆采24小時不能停機，通過考核每月停機的小時數(shù)來確定產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。我廠的設(shè)備能夠被全球各大國家廣泛采用，也是憑借著數(shù)年積累的技術(shù)、性能和可靠性口碑。"
　　"在我廠提出的三化戰(zhàn)略--也就是科技化、數(shù)字化和國際化戰(zhàn)略的指引下。作為北京市數(shù)字化示范企業(yè)，自動化和信息化是我們非常關(guān)心的領(lǐng)域，我廠的數(shù)字化和信息化已經(jīng)涵蓋了研發(fā)、管理、制造和生產(chǎn)等各個領(lǐng)域。全廠共有職工600余名，配備電腦300臺左右，平均每兩人一臺計算機的終端擁有率，是同行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的。"北石廠總工程師辦公室沈克工程師也對企業(yè)取得的成績充滿了自豪。
　　從首臺到百臺頂驅(qū)的質(zhì)變
　　頂驅(qū)是頂部驅(qū)動鉆井裝置的簡稱，是當今油氣鉆井界的重大前沿技術(shù)與裝備，被譽為近代鉆井裝備的三大技術(shù)成果之一。曾幾何時，這種裝置只有美國、加拿大等少數(shù)幾個發(fā)達國家能夠生產(chǎn)。為了生產(chǎn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的頂部驅(qū)動裝置產(chǎn)品，北石廠自2003年開始研制交流變頻頂部驅(qū)動鉆井裝置，并成功實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。
　　鄒連陽教授介紹說："頂驅(qū)是2003年1月立項，當時就想把這個項目的整體水平提高，包括設(shè)計手段的水平、設(shè)計理念的水平，我們希望用最先進的方法設(shè)計出最好的產(chǎn)品。"早在實施國產(chǎn)頂驅(qū)產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)項目伊始，北石廠便開始了與世界一流的自動化系統(tǒng)解決方案提供商--西門子公司的長期合作關(guān)系，共同開發(fā)石油鉆機交流變頻頂部驅(qū)動裝置，為北石廠提供西門子頂驅(qū)電控系統(tǒng)解決方案。目前西門子已順利交付上百套DQ70BS型、DQ90BSC型和DQ40BSC型交流頂部驅(qū)動裝置的電控系統(tǒng)。

　　圖4：交流變頻頂部驅(qū)動鉆井裝置圖片及其應(yīng)用于石油鉆采現(xiàn)場

　　頂驅(qū)中心電氣工程師謝海歡詳細闡述了頂驅(qū)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與功能："頂部鉆進裝置是當今石油鉆井中前沿的技術(shù)和裝備，它節(jié)省鉆井時間20%~25%，并可預(yù)防卡鉆事故發(fā)生，尤其是鉆斜井和高難度定向井所帶來的顯著經(jīng)濟效果，也預(yù)示著它必將成為21世紀鉆井機械發(fā)展的重要方向。北石頂部驅(qū)動鉆井系統(tǒng)包括提升系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)動力系統(tǒng)、鉆柱自動化處理裝置、鉆柱內(nèi)防噴器、智能化控制系統(tǒng)等，是大功率、自動化程度高、集光機電液技術(shù)于一體的綜合系統(tǒng)。頂驅(qū)系統(tǒng)在工作中隨游車一起移動，提供泥漿循環(huán)通道、鉆柱內(nèi)防噴器及其控制、鉆柱連接和拆卸等處理功能，為鉆柱提供旋轉(zhuǎn)動力。我們采用了西門子S7 300 PLC可編程控制器、PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線控制、光纖通訊、遠程監(jiān)控、人機操作界面(HMI)等諸多先進技術(shù)對系統(tǒng)進行全面智能控制，使整機智能化程度和可靠性明顯提高。"

　　表1：國內(nèi)外三種典型500噸頂部驅(qū)動裝置主要技術(shù)參數(shù)對比

　　通過對比主要性能和技術(shù)指標（參見表1），北石頂驅(qū)均滿足超深井、復(fù)雜井的鉆井要求，所特有的背鉗技術(shù)、雙負荷通道技術(shù)以及光機電液信息技術(shù)一體化的綜合性能，使其性能更先進，質(zhì)量更可靠，作業(yè)更安全，整體上比國外產(chǎn)品更勝一籌。北石廠僅用短短四年半的時間，完成了100臺頂驅(qū)裝置的設(shè)計和銷售，使我國成為繼美國、加拿大、挪威等國家之后，國際上少數(shù)能夠規(guī)模生產(chǎn)頂驅(qū)鉆井裝置的國家之一。
　　以自動化來武裝精良設(shè)備
　　"以科技打造精良裝備"這幾個字除了顯示在北石廠的進門標語上，還深深的印刻在每個人的心里。"十一五"期間，北石廠繼續(xù)承擔(dān)和參與了中石油集團重大科技專項"DQ120BSC頂驅(qū)裝置"研制項目，助推我國頂驅(qū)產(chǎn)品的進一步提升。謝海歡提到了項目的最新進展："目前DQ120BSC頂驅(qū)裝置已經(jīng)通過驗收，其中主要采用的自動化設(shè)備包括西門子S7 300 PLC，S120驅(qū)動系統(tǒng)，無線傳輸和HMI等方面的技術(shù)。從機械角度看，頂驅(qū)產(chǎn)品的進一步發(fā)展是加大工業(yè)扭矩，隨著鉆井深度的加大，裝置的功率也要提高，功能特性需要越來越可靠，設(shè)計體積減小、作業(yè)效率提升的同時保證更加穩(wěn)定。此外，防爆應(yīng)用也是一個重點。根據(jù)用戶的要求，我們會增強防爆設(shè)置，力求把產(chǎn)品做得更好。"

　　圖5：交流變頻頂部驅(qū)動鉆井裝置生產(chǎn)車間

　　"北石頂驅(qū)電控系統(tǒng)全部采用SIEMENS產(chǎn)品，由西門子工廠自動化工程有限公司SFAE設(shè)計、制造。"作為西門子公司在系統(tǒng)集成方面的合作伙伴，SFAE工程部石油鉆機業(yè)務(wù)主管劉立偉先生談到："頂驅(qū)電控系統(tǒng)實現(xiàn)了電控房與司鉆操作臺、本體控制站之間的智能通訊；方便了鉆機維護管理人員與司鉆集中監(jiān)控，具有很好的可視性和可讀性。同時使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡化，后續(xù)功能開發(fā)空間很大，無論從設(shè)計、安裝、運行、維護，還是提高工效等方面，都體現(xiàn)出優(yōu)越性，為系統(tǒng)的全集成自動化奠定了基礎(chǔ)。"

　　圖6：頂驅(qū)系統(tǒng)組成示意圖

　　值得一提的是，頂驅(qū)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用的是PROFIBUS-DP結(jié)構(gòu)，包括所有遠程站和變頻驅(qū)動系統(tǒng)，所有子站、整流器和逆變器都通過PROFIBUS協(xié)議與CPU進行通訊。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群涂煽啃裕珻PU與本體站的通訊為光纜。其中CPU機架共使用的信號模塊為5個DI、2個DO、1個AO。數(shù)字輸入主要將系統(tǒng)的各路電源狀態(tài)輸入到PLC，供系統(tǒng)的自診斷及上位工控軟件WINCC顯示使用。在項目中使用的SIMATIC S7-300系列PLC是西門子全集成自動化TIA系統(tǒng)中的控制核心，是其集成與開放特性的重要體現(xiàn)。

　　圖7：交流變頻頂部驅(qū)動鉆井裝置測試臺

　　北石頂驅(qū)在產(chǎn)品研發(fā)的同時，建立了具有國際先進水平的專用全功能、全載荷、全功率試驗裝置，建設(shè)了具有國際水準的現(xiàn)代化生產(chǎn)設(shè)施，形成了一套先進的設(shè)計研發(fā)手段，研究開發(fā)了相關(guān)的鉆井工藝技術(shù)，形成了10余項國家專利。實現(xiàn)了年產(chǎn)百余套套頂驅(qū)的規(guī)模生產(chǎn)能力，組建了一支高水平的技術(shù)服務(wù)隊伍。

　　圖8：西門子解決方案充分履行了北石廠對頂驅(qū)電控系統(tǒng)的需求

　　談到與西門子公司的合作，劉立偉工程師說："西門子的解決方案充分保證了北石廠對頂驅(qū)電控系統(tǒng)的需求，目前我們已經(jīng)交貨的電控系統(tǒng)將近200套。"謝工程師的體會是："頂驅(qū)是機電一體化的動力裝置，我們的傳動和控制部分采用了西門子的產(chǎn)品，在技術(shù)含量上占了很大的比重。西門子的產(chǎn)品在本土化方面做得很好，服務(wù)一流，雙方合作的非常愉快。尤其在最近發(fā)生的四川汶川大地震中，西門子工程師堅守在四川東部的川慶油田進行現(xiàn)場技術(shù)支持，勝利完成了川慶油田120頂驅(qū)項目，贏得了客戶的信賴，值得欽佩。"
　　鄒教授補充說："我們和西門子的合作，是一個在較高層面上的大型產(chǎn)品的合作，和單一項目中的合作有很大不同。我們的頂驅(qū)產(chǎn)品會在連續(xù)的周期內(nèi)不斷批量生產(chǎn)，這就考驗了雙方一起克服困難、分享成功、同舟共濟的合作意愿。西門子一直全力支持北石，并提供最優(yōu)的電控系統(tǒng)解決方案，我們非常愿意與西門子一起共續(xù)頂驅(qū)之夢！"
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　　西門子（中國）自動化與驅(qū)動集團
　　西門子（中國）自動化與驅(qū)動集團自動化系統(tǒng)部