鉆機數字伺服帶剎自動送鉆系統設計與應用

齊 然，李孟輝，楊 波，閆 翀，侯小強

（南陽二機石油裝備（集團）有限公司，河南 南陽473006） ①

自動送鉆是指鉆機在無需人工控制的情況下實現石油鉆機鉆頭自動進給的一種作業方式。采用自動送鉆的目的在于解放司鉆，降低勞動強度和成本，有效地保證井身質量和鉆井安全，提高機械鉆速，增加鉆頭進尺。目前，應用較多的自動送鉆系統有電機自動送鉆、盤剎自動送鉆、帶剎自動送鉆等。由于鉆機所有者使用自動送鉆的目的是改善鉆井性能和鉆頭周期，實現降本增效，因此不同類型的鉆井設備應選擇對應的自動送鉆，才能更加適合現場工況，實現經濟利益的最大化。

1 自動送鉆系統現狀

1.1 國內現狀

目前，國內鉆機應用較多的自動送鉆系統是電機自動送鉆和盤剎自動送鉆。

1.1.1 電機自動送鉆

主要應用于變頻電動鉆機。絞車設有獨立電機自動送鉆裝置（包括變頻器、變頻電機和減速箱）。其功能有：①送鉆時由變頻系統反拖滾筒實現自動調速和保護，達到恒壓穩速送鉆目的；②當絞車主系統發生故障時，電機自動送鉆系統進行應急操作，能提升最大鉆柱重力［1－3］。

控制系統由人機界面、PLC、變頻器、電動機、傳感器組成。在送鉆過程中，游動系統的懸重通過滾筒及齒輪傳動以反扭矩拖動送鉆電機，通過實時鉆壓與設定鉆壓的比較，對電機速度和扭矩進行控制，從而實現恒鉆壓自動送鉆。該系統控制部分一般集成在電控系統中。

1.1.2 盤剎自動送鉆

主要應用于盤剎控制的機械或直流鉆機。系統以PLC為核心，以盤式剎車為執行機構。PLC根據鉆壓變化情況，對液路執行元件（電液比例閥、駐剎安全鉗電磁閥等）進行控制，實時調節盤剎剎車鉗缸油壓，進而控制絞車滾筒剎車盤制動力矩，在鉆進過程中進行鉆柱下放的微量控制，達到實時控制鉆壓和提高機械鉆速功能［4］。系統通過實時檢測游車位置實現電子防碰和游車高度指示功能，通過實時檢測機械鉆速和控制鉆機主剎，在自動送鉆期間實現防止溜鉆、放空的安全控制功能。

該系統是在盤剎基礎上達到送鉆功能的。國內主要以中國石油勘探開發研究院機械所和中國石油大學（北京）的研發技術為基礎；控制方式有機械式盤剎和電子式盤剎。

1.2 國外現狀

在國外，除了上述電機自動送鉆和盤剎自動送鉆外，帶剎自動送鉆也是目前應用較多的一種自動送鉆系統。該系統主要應用于帶剎控制的機械或直流鉆機，尤其適用于5 000m以下的鉆機。

早期的帶剎自動送鉆采用的是純機械氣動控制方式，代表品牌是馬丁戴克（NOV M／D Totco）的WILDCAT／SATELLITE。隨著微機自動化和數字技術的發展普及，數字化的電氣液控制及變頻伺服驅動技術已成熟運用于各種驅動方式的帶剎自動送鉆系統上。這些數字化的帶剎自動送鉆與盤剎自動送鉆的控制原理和功能基本相同，都是由PLC或嵌入式系統通過驅動介質控制剎車力矩，實現鉆柱下放的微量控制，同時兼具安全控制功能。

國外能提供數字化帶剎自動送鉆的主要有馬丁戴克（NOV M／D Totco）、銳設（RIGSERV）、創新（Innovative Electronics）、LIDAN ENGINEERING等公司。這些公司在送鉆的驅動技術（介質）上有所不同，馬丁戴克采用的是變頻伺服驅動技術，而后3家偏重于數字化電氣液比例控制技術。

由于變頻伺服驅動相比電氣液比例控制具有響應速度快、精度高、可控性好等優勢，而帶式剎車具有成本低、維護方便等優點，因此，利用最新技術而不改變現有機械結構在輕型帶剎鉆機上實現自動送鉆應是鉆機自動化的一個發展方向。

2 伺服帶剎自動送鉆的設計

2.1 控制原理

伺服帶剎自動送鉆系統原理如圖1所示，采用伺服電機拉動鋼絲繩作用于經剎緊彈簧拉緊的帶剎剎把部分，對絞車的懸持載荷進行控制。

圖1 伺服帶剎自動送鉆控制原理

在恒鉆壓鉆進時，將拉力傳感器采集到的鉆具實際懸重（PVw）送入PLC的模糊控制器，經與懸重設定值（SVw）進行比較后求出偏差ew＝PVw－SVw。同時，對偏差進行微分處理得到ecw＝dew／dt，即偏差的變化率，進而根據模糊控制規則計算出調節值u，籍此對伺服電機進行定位控制。伺服電機根據調節信號轉動，拉動鋼絲繩，克服反作用拉緊彈簧的拉力，從而改變剎把相應的剎車力，使鉆具的實際懸重根據要求改變，形成懸重的閉環控制。正常情況下，當擾動因素作用到鉆具上使PVw值較大程度地偏離SVw值時，控制器會產生一個適當的調節量u，將PVw值重新拉回到SVw值附近，這樣便實現了恒懸重（鉆壓）鉆進。

在恒鉆速鉆進時，將滾筒編碼器采集到的滾筒轉速信號轉換為游車鉤速（PVr）送入PLC的PID控制器，經與鉆速設定值（SVr）進行比較后求出偏差er＝PVr－SVr，進而根據PID控制規則計算出調節值u，控制伺服電機對鋼絲繩的拉力，實現恒鉆速鉆進。此時由于處于疏松地層，并不關心鉆壓的波動。

2.2 硬件構成

數字化伺服帶剎自動系統的硬件結構如圖2。由PLC、I／O模塊、主令控制器、傳感器、觸摸屏、伺服驅動系統、伺服電機、執行機構、輔助元件等組成。

觸摸屏作為人機界面，實現各種操作功能的轉換及參數設置，實時顯示各種參數和故障報警。

伺服驅動系統通過現場總線與PLC通訊，接收從控制系統發來的脈沖序列，驅動伺服電機實現帶速度反饋的速度和位置控制，確保電機快速、精確定位，并通過現場總線接口將數據實時發送到PLC參與處理和控制。伺服電機帶有編碼器，采用無火花型式的防爆電機。

執行機構由減速裝置和鋼絲繩組成，連同電機一起固定在剎把附近的井架或絞車頂部，與剎車彈簧共同作用在剎把上，通過伺服系統控制其轉動位移，進而調整帶剎剎車力矩，實現有效制動和均勻送鉆。這種電機與彈簧反作用的機構同時保證了系統故障或斷電時的安全剎車。

2.3 控制策略的應用

2.3.1 閉環控制器的選用

圖2 系統硬件結構

PLC、I／O模塊、主令控制器、觸摸屏、伺服驅動系統、開關及指示燈等元件安裝在司鉆控制臺上，控制各種功能轉換及參數的設置，實現系統的操作和監控。控制臺安裝在鉆臺或司鉆房，采用正壓防爆處理。

控制系統的核心是采用帶技術功能的PLC控制器，內置PID、高速計數器、定位功能塊，并集成模糊控制功能，對采集的信號、數據做實時的數據運算、分析和處理，控制和驅動各執行機構。

I／O模塊接收主令控制器的給定信號，控制伺服系統實現開環手控剎車，通過傳感器得到懸重、滾筒轉速信號等反饋信號，用于閉環自動控制的參數采集計算；并根據工藝要求輸出信號，控制相關的比例閥和開關閥，實現系統的聯鎖功能。

從控制理論上分析，自動送鉆系統的控制和誤差調節由剎車力矩內環、鉆進速度中環和鉆壓外環3個閉環組成。3環構成串級控制，以保證較好的控制精度和收斂度。而在實際的工程應用中，更側重于被控量的快速反應，減化閉環的多重結構，用簡單、快速有效的控制方法保證鉆壓精度和鉆進速度。因此，在恒鉆壓送鉆時，采用鉆壓和力矩雙環串級控制方式，在恒鉆速送鉆時，采用鉆速和力矩雙環串級控制方式。

力矩環由閉環的伺服控制系統實現并保證速度和精度，剎車力矩對應伺服電機的轉動位移，其穩態誤差由系統通過高精度的編碼器進行糾正。

鉆速環自身為I型系統，加入校正環節后不存在穩態誤差［5］，故采用只帶比例項的增量型PID控制器進行調節。

對于鉆壓環，由于被控量受到多種擾動因素的影響，同時系統本身也存在時滯、時變、非線性現象，利用傳統的PID控制方法很難做到穩定控制，即使能夠穩定控制也難以達到控制要求（控制精度、超調量與響應速度），而模糊控制正是適合處理這些復雜系統的有效方法。

2.3.2 鉆壓模糊控制器的設計

目前，送鉆系統的模糊化控制已成為一種趨勢。如圖3，模糊控制器由3部分組成：①模糊量化處理用于使二維精確變量（鉆壓偏差值e和偏差變化率ec）模糊化；②模糊推理用于完成模糊過程的運算和判斷；③非模糊化處理使模糊運算結果轉變為精確控制量u，從而通過伺服系統對鉆具懸重實施控制。

圖3 鉆壓模糊控制原理

實際應用時，利用PLC的Fuzzy Control功能包軟件，將計算好的控制作用表按格式輸入到存儲器上。控制算法采用表格查詢方式，為減少功能塊對PLC運行速度的影響，模糊控制程序塊采用SCL結構化語言編制。

模糊控制器參數設計包括確定輸入及輸出變量的論域、合理解決模糊控制器的量化因子和比例因子。鉆壓的誤差e允許范圍是［－5，＋5］kN，根據實踐確定，誤差變化率ec的基本論域為［－2，＋2］，控制量（伺服電機的轉動位移）按增量型△u的基本論域為 ［－5，＋5］。綜合考慮論域的量化等級，把誤差e和變化率ec的模糊論域量化為13檔（－6～＋6），為提高控制精度，把控制量的模糊論域量化為15檔（－7～＋7）。這樣就可以利用對應的除法確定量化因子和模糊因子。

模糊集中，鉆壓誤差e、誤差變化率ec和伺服電機轉動位移增量△u根據經驗都取為7個語言值，分別為 NB（負大）、NM（負中）、NS（負小）、ZE（零）、PS（正小）、PM（正中）和PB（正大）。根據鉆壓控制的實際經驗，合理確定隸屬函數并建立模糊控制規則，如表1所示。

3 應用情況及分析

表1 鉆壓模糊控制規則

經過方案論證、圖紙設計及對系統模型的MATLAB仿真測試，南陽二機石油裝備（集團）有限公司已試制出1臺數字伺服帶剎自動送鉆系統，應用在3 000m車裝鉆機上。該系統采用0.75kW的伺服電機，伺服控制系統供電電源為220VAC，并配置有24VDC／220VAC的正弦波逆變電源，利用車上24 VDC電源即可工作。

通過現場跟蹤驗證，系統的送鉆精度滿足±5 kN的要求，可實現以下控制功能：

1） 鉆進控制 具備主控鉆壓、輔控鉆速功能，可選擇性地實現恒鉆壓或恒鉆速自動鉆進，同時監控最大鉆壓和最大鉆速、游車位置、井深、剎車力矩等，防止溜鉆、放空等事故發生。

2） 起下鉆控制 在起下鉆以及下套管期間，實現游車安全控制，具備電子防碰、游車高度指示及游車動能控制功能。在游車到達上行或下行預警點時，分別控制發動機或輔助剎車，逐漸降低游車的速度，使其準確地在剎車點停車。

3） 手動控制 司鉆像操作盤剎一樣操作控制臺上的電子剎車手柄手動剎車，控制游車的下放和手動鉆進，減少司鉆的工作強度。

4） 遠程監控 通過系統的以太網通訊接口，可實現遠程的數據監測和故障診斷功能，通過互聯網和SCADA技術，實現“遙控司鉆”。

根據模糊條件語句“if Aand Bthen C”的形式，其三元模糊關系R為

R＝（A×B）T1×C

式中，（A×B）T1為由模糊關系矩陣（A×B）n×m構成的維列向量；n和m分別為模糊集合A與B的論域元素數；其中A、B、C分別對應于鉆壓誤差e、鉆壓誤差變化率ec、伺服電機轉動位移增量△u。

由于系統中m＝n＝7，所以共應有7×7＝49條規則，而每條模糊控制規則就確定一個模糊關系R［6］。根據上述表格進行模糊推理，即可以得到控制作用總表。

4 結語

帶剎自動送鉆的出現使帶剎鉆機的司鉆擺脫了長期操作剎把的負擔，同時使司鉆也可以像操作盤剎一樣操作帶剎，它不僅克服了電機自動送鉆系統價格昂貴的缺點，而且也彌補了盤剎自動送鉆系統液壓系統復雜、不方便維修、剎車片的剎車力同步性差等缺陷。而數字伺服帶剎自動送鉆由于采用了高精度、高響應速度的伺服控制系統和模糊控制理論，非常適合于帶剎控制輕型鉆機的自動化鉆井。隨著數字化控制技術的持續發展，數字伺服技術在鉆機自動化領域將擁有更為廣闊的應用前景。

［1］ 任宏彪，張大志，張勇軍.基于S7-300型PLC的變頻自動送鉆系統模糊控制［J］.石油礦場機械，2010，39（4）：24-27.

［2］ 張新旭，趙 敏.自動送鉆技術研究進展［J］.石油礦場機械，2010，39（11）：84-86.

［3］ 王 平，趙清杰，楊汝清.石油鉆機智能送鉆技術研究［J］.石油機械，2006（12）：54-58.

［4］ 史玉升.盤式剎車自動送鉆技術［J］.石油機械，1999（4）：51-53.

［5］ 王益群，鐘毓寧.機械控制工程基礎［M］.武漢：武漢理工大學出版社，2001.

［6］ 王曉華，林 立.鉆機盤式剎車自動送鉆的模糊控制研究［J］.制造業自動化，2000（5）：52-55.