1、交流变频电机自动送钻控制系统研究摘 要：随着世界经济的飞速发展，石油资源成为国家发展的重要战略物资，降低石油的开采成本和缩短开发周期势在必行。伴随着石油钻井工艺的要求和相关新设备的发展，自动送钻技术蓬勃发展。交流变频自动送钻系统采用电动机反拖实现钻进时的钻压恒定，在正常钻井时应用自动送钻技术，通过控制电动机的转速就可以使钻压恒定，不仅可以提高钻进速度，减小波动，而且能有效提高钻井质量，节省钻井成本。本文结合钻井工艺和石油钻机的工作原理，深入研究石油钻机交流变频调速自动送钻系统特性，设计了适用于ZJ50DB型石油钻机的交流变频自动送钻控制系统，完成了送钻电动机及变频器等硬件选型工作，并给出了自动
2、送钻控制系统的连接图。针对石油钻机自动送钻控制过程中出现的时滞性、非线性、不确定性问题，引入智能控制理论中的模糊控制理论，应用于自动送钻控制系统中的恒钻压控制，设计了钻压模糊控制器。最后，在Matlab/simulink环境中按照控制要求，设计了 钻压、转速、磁链三闭环控制系统，对自动送钻系统各部分进行了仿真和结果分析，结果和理论研究比较吻合，从而进一步丰富、完善了自动送钻控制系统的理论研究结果。关键词：自动送钻；交流变频；矢量控制；模糊控制The Research of Automation Drilling System Under AC Frequency Electronic Moto
3、r Abstract：With the rapid development of the world economic, petroleum resources has become an important strategic materials for national development, this suggests an urgent need for reducing the cost of oil extraction and shortening the development cycle. With the development of drilling technolog
4、y requiring and relevant new equipment, automatic feed drilling technology boomed. While penetrating, the automation drilling system under AC variable frequency electronic motor uses the reverse drag of electric motor to achieve the constant drilling pressure. Apply the automation drilling technolog
5、y during the drilling process can keep the drilling pressure constant by controlling the motor speed, it can not only increase the drilling speed and stability, but also effectively raise the drilling quality, save the cost of drilling.This article combined with the drilling technology and working t
6、heory of drilling rig, studied the characteristics of the oil rig automatic drilling system under AC variable frequency electronic motor in-depth, it also designed an automation drilling system which is appropriate for ZJ50DB oil rig system, and then selected the model of the send drill motor and tr
7、ansducer and other hardware, given the control connection diagram. For the oil rig drilling process control automatic feed exist time-leg, nonlinearity, uncertainty, this paper brought in the fuzzy control theory, and then designed the fuzzy drilling pressure controller. Finally, it designed a WOB,
8、speed, flux three closed-loop control system in Matlab/simulink, according to the control demand, though out the simulation and analysis of each part of the automation drilling system , the result shows that the test research result and theoretical research result still coincide fairly, which furthe
9、r perfects and enrich the theoretical result.Key Words：Automatic drilling; AC Frequency; Vector control; Fuzzy contr交流变频自动送钻控制系统的硬件设计变频调速自动送钻控制系统采用先进的全数字化矢量控制变频调速器对送钻电动机进行直接的恒钻压闭环控制，使送钻电机达到自动送钻工艺的技术要求。系统具有优异的调速性能、过载能力强、可靠性高、抗干扰能力强；整套系统采用优化设计、合理布局，使得操作简便、可靠，易于维护及维修。3.1 ZJ50DB 钻机简介通过对目前常用钻机的了解，最终选择ZJ5
10、0DB型钻机，即该变频调速自动送钻系统配套于ZJ50DB型钻机，图3-1为其示意图。3 A C 5 0 H z 4 0 0 VMP变频柜制 动 单 元制 动电 阻轴 编 码 器送 钻 电 机4 5 K W 4 0 0 VP L C 控 制 单 元转速转矩泵压游车位置钻 压 信 号司 钻 台人 机 界 面参 数 给 定参 数 显 示控 制 信 号参 数 读 取转 盘方 钻 杆钻 铤钻 头井 架齿 轮 箱绞 车图 3-1 交流变频自动送钻系统示意图ZJ50DB钻机是为满足油田5000米油、气井勘探开发而研制一种交流变频齿轮传动单轴绞车钻机。（1）采用机、电、数字、通讯一体化设计，应用当代先进成熟的
11、矢量控制技术、交流变频技术、总线通讯技术。（2）采用先进的全数字矢量控制变频系统及高速、大功率、宽频交流电动机完全实现单轴齿轮传动绞车、转盘、泥浆泵0100%范围无级调速。（3）绞车为单轴齿轮传动，辅助刹车为主电机能耗制动，变频系统制动单元定量控制制动扭矩，实现游车平稳下放，速度可调，并可实现恒压自动送钻；绞车采用独立变频电机传动装置及计算机控制技术，实现恒钻压自动送钻、智能游车位置自动控制及对起下钻和钻进工况进行实时监控。（4）采用先进的全数字交流变频PLC控制技术，通过触摸屏及气、电、液控制和钻井仪表参数的一体化、工业监视，实现钻机司钻智能化控制。为钻井工艺创建一个数字化、信息化、智能化设
12、备管理平台。经查相关资料，与送钻系统相关的钻机、绞车参数如下：名义钻深（114mm 钻杆） 5000m最大钩载 3150kN最大钻柱重量 1600kN送钻速度 0.4848 m/h绞车额定功率 1100kW（1500HP）绞车档数 1+1R 交流变频驱动 无级调速提升系统绳系 67（顺穿）钻井钢丝绳直径 35mm（13/8in）提升系统滑轮外径 1270mm(38in)转盘型号及开口名义直径 ZP375 952.5mm(37 1/2in)转盘档数 1+1R 交流变频电机驱动，无级调速钻台高度 7.62m（ 25ft）钻台面积 9m8.2m(29.5ft26.9ft)动力传动方式 AC-DC-A
13、C 全数字变频3.2 变频调速自动送钻控制系统配置我国ZJ50DB型电动钻机的自动送钻系统采用西门子系列变频调速装置、功率为45kW交变电动机及包括自动送钻软件在内的操作系统，该电动机频率可调范围为067Hz，无级调速范围为01500 r/min，送钻速度为0.4848 m/h。3.2.1 送钻电机参数及选型电动机参数：额定功率：45kW 额定频率：50Hz额定电压：380V 额定电流：84.2A额定转速：1480r/min 额定输出转矩：290Nm 选用的型号：YP2-225M-4该系列电动机是以变频调速装置为供电电源的变频调速三相异步电动机，适用于驱动起重、运输、化工等要求连续调速和频繁正
14、反转的各种机械设备上。连续调速范围为3100Hz ，其中 350 Hz为恒转矩运行， 50100 Hz为恒功率运行。该系列电动机可以很好地满足送钻电动机参数及性能要求。该电动机的特点是：标准化、通用程度高；具有平行垂直散热片，外形结构独特，这样既增加了散热面积，又改观了传统电动机美感；由于采用了降低噪声，振动措施后，电动机的噪声，振动均比较低；具有较高的堵转转矩、最大转矩、最小转矩与额定转矩之比较Y系列同等功率电动机高出 0.10.2倍左右；具有较低的堵转电流与额定电流之比倍数较Y系列同等规格电动机低 0.20.4倍左右；电动机负载率在75左右时具有最佳效率特点；绝缘等级为F级，最高工作温度为
15、155，温升裕度大，使用安全可靠。3.2.2 送钻变频器参数及选型变频器参数：输出功率：55kW输入频率：50Hz （6%）输入电流：103.6A，输出电流：110A额定电压：380480V(10%)选用的型号：西门子 6SE6440-2UD35-5FA1这是全新一代可以广泛应用的多功能标准变频器，采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时还具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。该型号的变频器可以很好地满足送钻变频要求。变频器的主要特征是：矢量控制方式，可构成闭环矢量控制、闭环转矩控制；高过载能力，内置制动单元；采用BiCo技术，实现 I/O端口自由连接；标准参数结
16、构，标准调试软件；独立I/O端子板，方便维护；内置PID控制器，参数自整定；集成RS485通讯接口，可选Profibus -DP/Device-Net通讯模块；在电源消失或者故障时具有“自动再起动功能” ；保护功能：过载能力为200%额定负载电流，持续时间3秒和150%额定负载电流，持续时间60秒；过电压、欠电压保护；变频器、电机过热保护；接地故障保护、短路保护；闭锁电机保护、防止失速保护等。3.2.3 其他设备的选型（1）交流电源及断路器变频柜需400V三相四线制交流电源，其输入电流为 101A，所以外电源配置125A断路器即可，故可选择RMM1-250型125A断路器。RMM1系列塑料外壳
17、式断路器适用于交流50Hz，额定工作电压400V，额定电流至630A及以下的配电网络中作配电使用，400A及以下的断路器也可作为电动机保护使用，该断路器额定绝缘电压为690V。（2）计算机控制单元计算机控制单元的控制器是整个系统的核心 1920，选用西门子S7-300 型PLC。S7其结构紧凑、编程简单、调试维护方便、抗干扰能力强。既能控制开关量又能控制模拟量，同时能够实现逻辑运算、过程控制、定时、计算、联网通讯等功能。各个模块选择：电源模块：6ES7307-1EA00-0AA0 DC24V，5ACPU 模块：6ES7315-2AG10-0AB0 CPU315-2DP，128KRAM，MAX1
18、6384DI/0，1024AI/O ，MMC接口模块：6ES7153-1AA03-0XB0 西门子 ET200M IM163-2 接口模块信号模块：DI：6ES7321-1BH02-0AA0 16 点入，DC24VDO：6ES7322-1HH01-0AA0 16 点继电器出，2AAI：6ES7331-7KF02-0AB0 8 通道 AO：6ES7332-5HD01-0AB0 4 通道 ，0-10V ，4-20MA功能模块：6ES7355-2SH00-0AE0 FM355-2S 闭环控制模块通讯模块：6ES7340-1CH02-0AE0 带 RS485 口，CP340-1C（3）带电压（电流）信
19、号的悬重压力信号传感器-变送器压力传感器选择HSCZ 系列柱式拉力传感器，其结构兼顾柱式、S 式的优点，测量精度高、量程宽、抗偏能力强、结构紧凑，广泛运用于机械制造、拉力试验机等计量与控制系统中。输出：1.5mV/V或05V，1 5V，010mA，420mA；量程：1，2，3，5，10，20，30，50，100，200，300，500kN 。压力变送器则选择HM20-1-A1-F1-L2 通用型压力变送器，其工作温度范围宽、测量综合精度高、长期稳定性好、量程范围宽（从真空到100MPa ） ，并具有正负表压量程。供电范围：1236VDC（一般为24VDC） ，信号输出：420mA/1-5VDC
20、/0-5VDC。（4）电机（测速）编码器测速编码器是用于与变频器组成闭环速度控制，可以选择XYK-BMS-38Z6-V 增量型旋转测速编码器（电压10-30VDC，1024脉冲） ，该编码器适用于工业自动化速度检测。（5）制动单元和制动电阻制动电阻与制动单元配合实现能耗制动，使电动机的制动能力提高。参考常用制动电阻选配原则，即：制动力矩制动电阻=制动单元动作电压值/电动机额定功率代入实际数据值，100%R=700/45kW ，得 R=15.56 ，参考表 3-1，所以选择16 ，4.5kW 的电阻。表 3-1 常用制动电阻选配表（节选）电机功率（kW） 电阻值（ ） 电阻功率（Kw） 制动力矩
21、（%）37 19 3.7 10045 16 4.5 10055 13 5.5 100（6）上位机监控单元上位监控机能够对钻井过程进行实时监控 21，可以采用研华工控机（插有CP5611 PCI通讯卡） 和MP370触摸屏显示器并安装辅助的监控软件。3.3 控制系统硬件构成与连接基于以上各部件的选型，进行控制系统的硬件连接，如图 3-2 所示。3.4 控制系统网络设计本交流变频自动送钻控制系统网络的设计，选用带有集成DP口的CPU315-2DP作为1类主站，插有通信卡CP5611 的上位机及操作面板 MP370作为2类主站，带有接口模块IM153-1 的ET200 、所有调速装置作为 PROFI
22、BUS的从站，如图3-3所示。所有调速装置控制命令的接收及状态信息的上传均通过PROFIBUS总线，可以对钻具转速、扭矩、大钩钩载、钻井泵泵压和游车位置等进行监控，从而实现报警及紧急刹车制动的功能 2223。研 华 I P C（ W I N C C )S I E M E N S S 7 - 3 0 0 P L C交 流变 频 器U V W自 动 送 钻电 机监 控 层控 制 层执 行 层P R O F I B U S - D PM P IR S 2 3 2C O MA O P 操 作 面 板U S S触 摸 屏M P 3 7 0P R O F I B U S - D P S 7 - 3 1 5
23、 - 2 D P通 信 卡C P 5 6 1 1E T 2 0 0I M 1 5 3 - 1 从 站1 类 主 站2 类 主 站图 3-3 控制系统网络结构图在本系统中，采用的是西门子公司的矢量变频调速装置，逻辑控制部分采用了西门子S7-300系列PLC 作为控制器的硬件核心，操作控制部分也是采用西门子触摸屏来实现。各部分之间通过Profibus-DP现场总线进行通讯，这样就得系统的连线大大减少，同时由于系统的主要部分都是选用西门子公司的产品，从而保证了组成网络时系统的可靠性。M3PEU VW110V20V模拟地3Ain1+4Ain1+10Ain2+11Ain2-5Din16Din27Din3
24、8Din416Din517Din6RS485121326271918202122242325P+N-9+24V280V数字地1415模拟量输出1模拟量输出2继电器1继电器2继电器3拨码开关模拟量输入1模拟量输入2DC+DC-B+B-BR制动电阻电机温度保护正转反转复位速度选择1速度选择3速度选择2自动送钻电机YP2-225M-4L1L2L3PE变频器（西门子6SE6440-2AD35-5FA1）编码器反馈大钩（及减速机构）下放速度信号钻压信号游车位置信号钻具转速（及扭矩）信号3相交流电源通讯模块功能模块信 号模(I/O)块接口模块电源模块CPU模块6ES7307-1EA00-0AA0DC24V
25、,5A6ES7355-2SH00-0AE0FM355-2S闭环控制模块6ES7340-1CH02-0AE0点对点通讯模板，带RS485口，CP340-1CCPFMSM(AO)PSCPUIMSM(DO)SM(DI)SM(AI)西门子S7-300PLCNPE上位监控机触摸屏（操作面板MP370）RS232钻压给定速度给定PCMPI电缆6ES7972-0CB20-0XA0CP5611PCI通讯卡6GK1561-1AA01故障监控：继电器失电报警监控：继电器得电变频器运行中：继电器得电L制 动 电 阻 温 度UPS压力变送器(HM20-1-A1-F1-L2)测速编码器（XYK-BMS-38Z6-V增量型)断路器RMM1-250型125A6ES7332-5HD01-0AB0模拟量输出4通道6ES7315-2AG10-0AB0CPU315-2DP,128KRAM6ES7153-1AA03-0XB0西门子ET200MIM153-26ES7321-1BH02-0AA016点数字入，DC24V6ES7322-1HH01-0AA016点继电器数字输出，2A图3-2控制系统硬件连接图6ES7331-7KF02-0AB0模拟量输入模块8通道悬重传感器(HSCZ系列，柱式）
