石油鉆機絞車永磁直驅電機智能送鉆控制研究

張炳義，劉 凱，陳亞千，馮桂宏，劉家榮，李 超

（1.沈陽工業大學電氣工程學院，沈陽110870；2.北京探礦工程研究所，北京100083）

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石油鉆機絞車永磁直驅電機智能送鉆控制研究

張炳義1，劉 凱1，陳亞千1，馮桂宏1，劉家榮2，李 超2

（1.沈陽工業大學電氣工程學院，沈陽110870；2.北京探礦工程研究所，北京100083）

摘要：針對石油鉆機絞車自動送鉆系統具有多變量、大時滯和難以建立數學模型等特點，分析送鉆系統鉆壓控制不穩定的問題。將智能模糊控制算法應用到絞車自動送鉆系統中，提出了基于永磁直驅電機絞車的新型自動送鉆系統結構的設計方案，并對永磁直驅電機進行現場試驗，驗證其送鉆時低速帶載能力。根據設計方案完成智能控制自動送鉆系統的搭建，并將模糊理論與可編程邏輯控制器相結合應用到送鉆系統中，給出智能模糊控制算法及基于可編程邏輯控制器的實現方法。結果表明：新型絞車永磁直驅電機能夠為自動送鉆系統的穩定運行提供保障；應用智能模糊控制算法能夠克服傳統算法下送鉆鉆壓波動大的問題；智能控制送鉆系統鉆壓控制效果良好。

關鍵詞：絞車；永磁直驅電機；智能控制；自動送鉆

21世紀以來，全球油氣勘探難度越來越大，勘探對象日益復雜［1］。為提高鉆井速度及鉆井的綜合效益，開發了一種新型控制系統——自動送鉆系統［2-3］，該系統中自動送鉆技術是整個系統的核心。隨著勘探開采業的快速發展，鉆機對自動送鉆的控制要求變得更高。但是，傳統控制算法面對多變量、大時滯和非線性的自動送鉆系統時所整定的參數適應性很差，導致鉆壓波動較大，自動送鉆控制效果不理想。

為了提高自動送鉆系統的控制性能，實現科學鉆井，國內外學者對鉆機自動送鉆展開了深入的研究。文獻［4］論述了自動送鉆鉆進過程中鉆壓、轉速與鉆速、鉆頭磨損的關系，指出自動送鉆系統具有時滯和高度非線性的特點。文獻［5-6］論述了基于異步電機、減速箱與液壓工作鉗組成傳統絞車系統的自動送鉆技術?；趥鹘y絞車系統的自動送鉆約占我國鉆機的90%～95%，系統具有組成龐雜、傳動效率較低、日常維護工作量大、設備成本高等特點。文獻［7-8］提出將PID控制算法應用到自動送鉆控制中，其能按設定的鉆壓自動鉆井，減輕司鉆工的勞動強度。但是，受地層的軟硬程度改變、泥漿水力參數的變化和鉆頭磨損等因素影響，絞車鉆機送鉆系統是變參數的非線性系統，致使傳統PID算法在建立數學模型非常困難，系統鉆壓控制效果較差。

鑒于傳統算法在處理多變量、時變和非線性的送鉆系統時難以建立數學模型的難題，利用智能控制中的模糊控制算法不需要建立準確數學模型的優勢［9-10］，將智能模糊算法應用到自動送鉆系統中。筆者完成了基于永磁直驅電機的新型絞車自動送鉆系統的設計，驗證了永磁直驅電機低速送鉆穩定輸出轉矩的能力［11］；給出了基于PLC的模糊控制算法的實現方法，完成了自動送鉆系統的建模和仿真，驗證永磁直驅電機能夠為自動送鉆系統穩定運行提供保障，應用智能模糊控制算法的送鉆系統對鉆壓控制效果良好。

1 PMDM絞車自動送鉆系統結構

新型鉆機絞車自動送鉆系統如圖1。數據采集監控系統主要負責自動送鉆鉆壓的顯示、記錄和系統的常規外設；智能控制單元是整個自動送鉆的核心，擔負著自動送鉆鉆壓穩定控制的重任；變頻器單元控制絞車的提送鉆工作，其內含的制動斬波器和制動電阻用來消耗絞車下放時產生的電能；緊急制動單元主要負責當送鉆系統出現不正常運行時緊急制動絞車，避免事故發生。司鉆工可根據實時鉆井的要求設定不同的鉆壓，系統通過死繩拉力傳感器和鉆壓傳送系統將鉆壓值反饋到智能控制單元。智能控制單元的輸出信號控制絞車永磁直驅電機實際的送鉆速度，進而控制送鉆鉆壓。

圖1　絞車自動送鉆系統

2 PMDM低頻帶載試驗

絞車低頻帶載運行時，能否穩定地輸出轉矩是自動送鉆系統穩定運行的先決條件和保障。傳統絞車包含異步電機、減速箱和工作鉗，送鉆系統龐大，傳動復雜，造成前期制造成本和后期檢修維護成本高，且增加了系統的故障率。當負載率小于50%時，異步電機運行效率與功率因數大幅下降，在用電的進線端必須加功率補償裝置以保證電網的品質因數。PMDM轉子上無感應電流，不存在轉子損耗，只此一項可提高電機效率4%～50%。由于轉子上無感應電流，其功率因數幾乎為1，不需要再安裝功率補償裝置。本文設計完成了PMDM對滾筒進行直驅的新型絞車驅動系統，利用PMDM的直驅特性省去了龐大的減速裝置和工作鉗。PMDM的額定參數如表1所示。

表1　永磁電機額定參數

為了驗證絞車PMDM的低速帶載能力，對PMDM進行了試驗，鉆機現場試驗如圖2所示。試驗時通過V A C On變頻器設置PMDM的運行頻率為0.01 H z，該值也是變頻器的最小分辨率。監測絞車電機在該頻率下運行時電機輸出電流的曲線如圖3所示。PMDM的輸出電流在30～60 s時穩定在140.1 A，電機輸出電流平滑穩定。試驗結果表明：基于PMDM的絞車系統省去龐雜的減速箱和復雜的液壓機構，實現對鉆具的直驅，提升了絞車送鉆的控制精度。PMDM低頻帶載運行穩定，證明基于PMDM的絞車系統能夠為自動送鉆穩定運行提供保障。

圖2　鉆機絞車永磁直驅電動機試驗現場

圖3　永磁直驅電機輸出電流曲線

3 智能控制器的設計

模糊控制器輸入量為鉆壓的誤差e和誤差變化率ec?？刂破鞯妮斎胄盘柦涍^PLC模糊化、模糊決策和解模糊運算后輸出頻率指令u，其經過O P T-C3板卡被傳送給變頻器，變頻器根據輸入信號自動控制鉆具的下放速度進而控制鉆壓。鉆壓誤差e、誤差變化率ec和輸出量u的隸屬函數如表2所示。

表2　智能控制器的隸屬函數

模糊論域量化為｛－6、－5、－4、－3、－2、－1、0、1、2、3、4、5、6｝，確定鉆壓誤差e、誤差變化率ec和輸出控制量u的語言值為N B（負大）、N S（負?。E（零）、PS（正?。?、PB（正大）。控制器采用模糊條件語句表示為“if E＝A and EC＝B than U＝C”的形式。該模糊關系的算法為R（e，ec，u）＝E（e）∩EC （ec）∩U（u）。模糊關系矩陣R（e，ec，u）是一個（（13× 13）×15）維的F矩陣，可通過式（1）算得，即

智能模糊控制器的控制規則是根據實際送鉆過程中司鉆工的手動控制策略擬合的，而司鉆工的手動控制策略是經過長期的學習與經驗累積形成的一種知識和技術的結合。借鑒模糊控制理論的發展成果和實際自動送鉆控制的現場經驗與反復試驗，最后總結得出模糊控制規則，共有25條控制規則，如表3所示。

表3　模糊控制規則

由模糊推理獲得的控制量是模糊語言變量論域上的模糊子集，得出的模糊控制器輸出U的曲面如圖4所示，它是多條模糊控制規則所得結論的綜合，需將其轉換成實際控制清晰值。常用的清晰化方法有面積重心法（centroid）、面積平均法（bisector）和最大隸屬法（maximum）3類。本文中自動送鉆模糊控制器清晰化方法選用centroid方法。

圖4　模糊控制器的輸出U曲面

4 智能控制算法的PLC實現

隨著自動控制技術的發展，可編程序控制器因其卓越的工作性能而得到廣泛的應用。本文將模糊控制算法與西門子S7-300PLC相結合，應用到自動送鉆系統中。根據鉆井需要，井底鉆壓應在鉆進的過程中保持不變，鉆壓W允許的誤差范圍即誤差e的基本論域是［－5，5］k N。由于鉆井過程中各種干擾很多（例如地層變化、各種摩擦、井底的凈化程度等），都會使鉆壓偏離給定值，所以選定鉆壓實際誤差變化率ec的基本論域為［－2，2］。根據經驗將鉆具下放速度最大設置為36 m/h，折算到變頻器的輸出頻率為7.18 H z，確定控制器輸出u的基本論域為［－7，7］H z，從而得到控制器的量化因子Ke、Kec、Ku，并分別寫入到數據寄存器中。利用S7-300PLC 中AI8 X12Bit（331-7 K F02-0 A A0）模塊將鉆壓采集到PLC中，將PLC輸出信號經過Profibus-D P總線傳到變頻器。然后計算e和ec，分別寫入到DB7. DBD0和DB7.DBD4中，將模糊化后的E和EC分別寫入到DB8.DBD0和DB8.DBD4中。將計算所得的模糊量U寫入到DB8.DBD8中，將解模糊化所得的精確量u寫入到DB7.DBD8中。將控制器的輸入量論域變換為｛0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13｝，所得的模糊控制決策狀態如表4所示。

將表4所示模糊控制決策狀態按照從左到右、從上到下的順序依次寫入到PLC的掉電保存數據區D B1.D B D10－D B1.D B D682中，模糊控制量U的尋址采用基址＋偏移地址的尋址方式，可表示為10＋EC×13＋E。根據地質得到模糊量U后，經解模糊后就可得到精確量u。

表4　模糊控制決策狀態

5 鉆壓智能模糊控制自動送鉆系統試驗

本文利用Fuzzy Logic Toolbox軟件完成Fuzzy Logic Controller模塊的建立。鉆壓模糊控制器設計完成后，還需驗證該控制策略能否滿足要求，驗證智能模糊控制算法的有效性。設用M（s）來模擬井下鉆壓干擾（門閥鉆壓）。在自動送鉆模糊控制系統的運行過程中，首先設置門閥鉆壓M（s）＝0 k N，設置鉆進鉆壓值為20 k N，在該給定階躍信號作用下，系統送鉆鉆壓輸出曲線如圖5所示。

圖5　門閥鉆壓為0 k N時系統輸出鉆壓曲線

由圖5可以看出：自動送鉆系統響應速度約為0.13 s，自動送鉆系統存在超調量，超調量約為6%，系統響應速度較快超調量很小，自動送鉆系統存在穩態誤差，穩態誤差約為1%，其對于自動送鉆系統實際送鉆鉆壓可以忽略不計，智能模糊控制器的整體控制效果良好。為了檢驗自動送鉆模糊控制系統抗干擾能力，更改門閥鉆壓M（s）的值用來模擬井底巖層變化，將其從0 k N改為3 k N，此時系統鉆壓的響應曲線如圖6所示。對比圖6與圖5中輸出鉆壓曲線，可以看出：門閥鉆壓為3 k N響應曲線的初始超調量與閥鉆壓為0 k N時基本沒有變化，當鉆壓穩定后，2組曲線的穩態誤差基本相同，說明模糊控制系統有著很強的抗干擾性。結果證明，本文中自動送鉆智能模糊控制系統的設計滿足要求，控制效果良好。

圖6　門閥鉆壓為3 k N時系統輸出鉆壓曲線

6 結論

1） 基于PMDM的絞車系統省去了龐雜的減速箱和液壓工作鉗，簡化了系統，提高了傳動效率。絞車電機低頻帶載試驗結果驗證了其能夠平滑穩定地輸出轉速與轉矩，證明了基于PMDM的滾筒直驅新型絞車自動送鉆系統的合理性和優越性。

2） 智能模糊控制算法的應用，解決了傳統控制算法在處理多變量、大時滯和非線性的鉆機自動送鉆系統時難以建立準確數學模型的難題，克服了傳統控制算法下送鉆鉆壓波動大的問題。該自動送鉆系統響應迅速，送鉆鉆壓穩定，具有很強的抗干擾性，自動送鉆鉆壓控制效果理想。

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Researching on Intelligent Drilling Control of Petroleum Drilling Rig Winch Permanent Magnet Direct-drive Motor

ZHANG Bingyi1，LIU Kai1，CHEN Yaqian1，FENGG uihong1，LIU Jiarong2，LI Chao2
（1.Schoolof Electricɑl Engineering，Shenyɑng Uniυersity of Technology，Shenyɑng 110870，Chinɑ；2.Beijing Institute of Explorɑtion Engineering，Beijing 100083，Chinɑ）

Abstract：With respect to the features of Petroleumrig winch auto matic drilling system’smultiple variables，large time delay and difficult to establish mathematical model，the unstable problem of the drilling pressure’s control is analyzed. An intelligent fuzzy control method is proposed for winch auto matic drilling system. The novel winch system’sdesign scheme based on Permanent Magnet Direct-drive Motor（PMDM）is designed. For testing the operation performance of the PMDM，the experiment is executed on it under low speed with load. According the design scheme，the intelligent auto matic drilling system is founded. The com bination of fuzzy logic and Programmable Logic Controller（PLC）is applied to auto matic drilling system. An implementation method ofintelligent fuzzy control algorith m based on PLC is presented. The results confirm that the novel winch PMDM can guarantee the stable operation of auto matic drilling system.The auto matic drilling system with application of intelligent fuzzy control algorithm performs well at drilling pressure’scontrol.

Key Words：draw works；PMDM；intelligent control；auto matic drilling

作者簡介：張炳義（1954-），男，遼寧沈陽人，教授，博士生導師，主要從事特種電機及其控制和電子電氣機械一體化研究，E-mail：zby541108 @ vip.sina.com。

基金項目：國家重大科學儀器設備開發專項（2012 Y Q050242）

收稿日期：2015-07-16

文章編號：1001-3482（2016）01-0001-05

中圖分類號：T E928

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.01.001