ZJ90/6750DB鉆機自動送鉆控制系統設計方案

張國山，叢萬生

（寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞721002）

1 系統概況

隨著科技的不斷進步和發展，自動送鉆技術在鉆機上的應用越來越廣泛。自動送鉆系統按控制方式可分為機械式、氣動式、液動式、電動式、計算機式。按控制鉆進參數可分為恒鉆壓控制，恒鉆速控制，恒扭矩控制，鉆壓、鉆速乘積值控制，其中計算機式恒鉆壓控制由于具有軟件編程的靈活性，控制算法可優化選擇，能不斷提高控制品質等特點，成為自動送鉆技術發展的熱點。某公司自2002年以來在變頻系列鉆機上開發應用了自動送鉆系統，該系統均采用單電機自動送鉆模式，而在ZJ90/6750DB鉆機自動送鉆系統上充分考慮到絞車總體的對稱性，改變了以往單電機自動送鉆系統的模式，采用雙電機自動送鉆系統。該系統的最大優點是當任何一套單電機自動送鉆系統出現故障時，另一套單電機自動送鉆系統仍能繼續工作，從而增強了系統的冗余性、可靠性及安全性。該系統由一臺上位工控機、一臺控制器、兩臺變頻器、兩臺變頻電機、鉆井參數傳感變送器及電纜等附件組成，通過對鉆壓和鉆具扭矩實時監控進行自動鉆井，有效地提高了鉆井速度及井身質量，減少了鉆頭磨損，并可監測鉆進過程的鉆壓、鉆速、游車位置、泵壓等參數；系統設有自動報警，當雙電機自動送鉆系統出現故障時可切換為手動人工送鉆控制，從而保證了鉆井的連續性及可靠性；系統還具有防碰功能，自動控制游車減速和軟停，緊急故障剎車等功能，有效地防止鉆機溜鉆、卡鉆等事故的發生；此外系統還具有控制精度準確、操作方便、鉆井效率高、運行安全可靠及安裝簡單等特點，并能完成鉆機自動/手動送鉆、起放井架、應急提升和活動鉆具等功能。

2 系統工作原理及過程

（1）自動送鉆系統工作原理

圖1 自動送鉆工作原理圖

如圖1所示為自動送鉆系統工作原理圖。在鉆井過程中，鉆壓變化信號通過死繩固定器作用于壓力傳感器，輸出液壓變化信號，通過壓力變送器轉換成4-20mA標準信號，該信號再通過選擇單元進行判斷，正常范圍內的鉆壓信號采樣值與鉆壓給定值進行比較按一定的控制方法進行運算，輸出控制量信號，控制變頻調速單元，既而控制送鉆電機的轉速，再通過傳動裝置最終控制大鉤下放快慢，完成恒鉆壓閉環控制。如果采樣后的鉆壓信號經選擇單元后為異常鉆壓信號，則由選擇單元自動給定一個下放速度，直接輸入到速度控制單元進行恒轉速控制。直到鉆壓重新恢復正常。當送鉆控制單元出現故障時，系統還可以通過轉換開關由自動送鉆切換到手動送鉆，送鉆系統仍能繼續正常工作，從而提高了系統的可靠性。

該系統增設了測速編碼器構成的局部負反饋回路，將反映送鉆電機轉速的脈沖信號反饋到速度控制單元的輸入端。速度反饋回路有助于增加系統的穩定性，改善系統的非線性，提高送鉆電機轉速的控制精度。

此外該系統具有上位工控機監控功能。通過對鉆壓、鉆具扭矩、鉆具轉速、泥漿泵泵壓和游車位置進行監控，可以顯示、貯存、打印鉆井的各項參數，并能實現報警及緊急制動等功能。

（2）自動送鉆系統工作過程［1]

自動送鉆工作過程如圖2所示。

假設自動送鉆的工作點為M點。當鉆壓信號減少時，指重表壓力傳感器輸出增大，而壓力變送器的輸出信號也隨之增大，通過與給定值進行比較運算后，控制單元輸出信號增大，從而使工作點由M點移到了A點；由于控制單元輸出信號增大，控制變頻器輸出信號也增大，使得送鉆電機轉速加快，滾桶加快旋轉，加快了送鉆速度，這樣速度反饋變化量信號輸出增大，使得工作點由A點移到了B點；與此同時，由于送鉆轉速加快，使鉆壓信號增大，壓力傳感變送器信號也隨之減小，通過與給定值進行比較運算后，控制單元輸出信號減小，使得工作點由B點移到了C點；由于輸出控制信號減小，使得送鉆電機轉速減小，造成速度反饋變化信號輸出減小，從而使工作點由C點移到了M點。這樣就完成了恒鉆壓自動送鉆的基本過程（MABCM）。同理，當鉆壓信號增大時，也可以完成恒鉆壓自動送鉆的基本過程（MDEFM）。當然四邊形MABC（或MDEF）越小越好。這樣鉆壓的波動小，鉆井精度也會提高。

圖2 自動送鉆工作過程

3 系統主要參數及技術指標

①主控參數：鉆壓（KN） 100KN-300KN

鉆速（m/h） 0.1m/h-36m/h

②副控參數：電機轉速 4 r/min-1500r/min

③恒鉆壓送鉆精度：給定鉆壓±2.5KN

④恒鉆速送鉆精度：給定轉速±0.02%

⑤電源電壓與頻率：380VAC±15%50HZ±6%

⑥環境溫度：-35℃—+50℃

⑦工作方式：系統具有兩組變頻器及變頻電機互為冗余，并具有自動/手動切換功能，從而提高了系統的安全性及可靠性。

⑧系統具有觸摸屏或鍵盤輸入功能，可對控制參數及給定值等進行調整。

⑨系統具有顯示與記錄功能，并對鉆壓、鉆具扭矩、鉆具轉速、泥漿泵泵壓及游車位置超限進行報警（聲、光報警）和緊急制動功能。

⑩系統具有大屏幕彩色顯示，全圖形人機操作界面。

4 系統控制方法［2]

目前自動送鉆控制系統采用的控制方法一般均為傳統的PID控制方法。但是由于該系統的控制對象（鉆壓）受地質構造、巖石性能、泥漿性質、井壁阻力等因素影響，井下諸多已知或未知因素給建立合理的數學模型帶來較大困難。

同時鉆機工作本身也存在一定的非線性，因此自動送鉆系統屬于一個時滯、時變的非線性系統，要獲得精確的數學模型很困難，因此采用傳統的PID控制方法會造成很大的難度。而模糊控制方法不需要建立精確的數學模型，它是把人的經驗定量化即數字化，使之能準確模擬人的思維進行操作。該控制器結構上采用二維模糊控制器即以誤差和誤差的變化為輸入變量，以控制量的變化作為輸出量。其控制方法原理圖如圖3所示。

首先控制器根據采樣所獲得的信號計算出輸入信號的誤差及誤差的變化。再將這兩種信號進行模糊化處理，把精確量變成模糊量，然后根據模糊輸入量和模糊控制規則進行模糊推理合成輸出控制量（模糊量），最后將輸出控制量非模糊化為精確量加到執行機構上對被控對象進行控制作用。

圖3 控制方法原理圖

5 系統工藝過程

自動送鉆系統工藝過程如圖4所示。

圖4 自動送鉆系統工藝過程圖

6 系統硬件構成

系統由信號傳感變送單元、控制單元、變頻器及執行機構單元和上位工控機等構成。

6.1 信號傳感變送單元

該單元由指重/鉆壓、鉆具扭矩、鉆具轉速、泥漿泵泵壓和游車位置傳感變送器組成。其中指重/鉆壓、鉆具扭矩、泥漿泵泵壓傳感變送器輸出為模擬4-20mA標準信號，而鉆具轉速和游車位置傳感變送器輸出信號為數字脈沖信號。

6.2 控制單元

控制單元是整個系統的核心，負責鉆機的各種運行數據和狀態的采集和顯示，并對采集的數據進行處理來控制鉆機的運行。控制系統可選用PLC S7-300作為控制器。

6.3 變頻器及執行機構單元

變頻器采用45kW變頻器；執行機構采用37kW交流變頻防爆電機。

由控制單元輸出4-20mA的電流信號進入變頻器，控制變頻器輸出電壓為0-400V、頻率為0-100Hz的信號對鉆機送鉆電機進行調速控制，使電機輸出一定的轉速來控制送鉆速度。

6.4 上位工控機單元

該單元硬件基本配置為：P4/2.4G，內存512M，硬盤40G以上，上位機操作系統采用WindowXP以及各種監控輔助軟件。其主要功能為顯示鉆機工作所需要的各種運行參數及工作狀態，對鉆機運行數據進行記錄、參數設置、資料查詢和打印等功能。

7 系統軟件程序設計流程

自動送鉆系統軟件程序主要包括：主程序、顯示子程序、定時中斷服務子程序、速度控制子程序、模糊化子程序、模糊算法推理子程序、報警及緊急制動子程序等。其主程序流程框圖如圖5所示。

8 系統設計的指導思想

首先將可靠性及安全性放在首位。采用經過鉆井實踐證明先進、實用的電氣產品及先進技術。系統操作簡單，適應性強，維修方便。符合國家有關電氣標準和鉆機生產工藝要求。系統具有完善的安全聯鎖保護設施，保證鉆井作業和設備的安全高效運行。

9 技術難點及解決問題的方法

由于采用精確數學模型的傳統控制理論難以對自動送鉆這個時滯、時變的非線性系統實現準確的控制。因而采用模糊控制方式以求獲得良好的控制效果。

近幾年來，在7000m（含7000m）以下系列交流變頻鉆機上采用的自動送鉆均為單電機自動送鉆系統，而ZJ90DB鉆機采用的是雙電機自動送鉆系統，該系統與單電機自動送鉆系統相比，要求系統中的兩臺電機在工作中必須保持同步性，而單電機自動送鉆系統不存在這個問題，這就對雙電機自動送鉆系統在控制方面提出了更高的要求。解決這一問題的方法是對雙電機采用主從控制方法，首先要保證兩臺送鉆電機具有相同的負載轉矩和轉速，實現電機負載率及轉矩均衡。

10 結論

智能自動送鉆系統是鉆機實現自動化發展的一個重要方面。本方案將模糊控制及主從控制應用于自動送鉆系統中，除具備一般自動送鉆的優點外，還具有以下特點。

（1）將模糊控制算法應用于該控制系統，與傳統的PID控制算法相比，在一定程度上改善了系統控制效果，其快速性、精確性及穩定性都有所加強。

（2）通過可編程處理器作為控制系統的控制機構，進一步實現了微機對控制過程的自檢、監控、顯示、參數設置及修改、數據處理及安全報警等功能，并且具有操作簡單，可視化顯著等特點。

（3）系統由兩組變頻器及送鉆電機互為冗余，并具有自動/手動切換功能，能夠實現手動與自動之間的切換，從而提高了系統的安全性及可靠性。

圖5 主程序流程框圖

［1] 張連山.國內外自動送鉆裝置現狀與發展［J] .國外石油機械，1996，（3）：1-8.

［2] 李士勇.模糊控制和智能控制理論與應用［M] .哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，1998.