DQ90BSC頂驅高轉速閉環控制編碼器丟脈沖故障研究

摘" " 要：介紹了DQ90BSC頂驅用西門子S120變頻器驅動主電機控制系統硬件拓撲結構，結合在轉速閉環控制模式下，頂驅給定轉速超過120 r/min時，頂驅變頻器報“F31118 編碼器1：轉速差超公差”故障停機現象，深入剖析轉速閉環和開環控制原理及轉速閉環和開環模式切換原理。利用STARTER軟件trace功能，實時分析給定轉速和實際轉速曲線，借助示波器測量編碼器A、B通道實際反饋波形，綜合分析了由于編碼器線路電磁干擾導致丟脈沖的原因，按照EMC電磁兼容性規范，重新采購屏蔽雙絞電纜，對編碼器線路重新進行鋪設后，徹底解決了轉速閉環控制模式下高轉速丟脈沖的故障，大大提高了設備運行穩定性和可靠性，且減少了設備故障停機時間。

關鍵詞：頂驅；高轉速閉環控制；編碼器；丟脈沖故障；維修

Pulse loss fault of high-speed closed-loop control encoder in DQ90BSC top drive

XIN Congbing， LI Huiyan， WANG Xilu， REN Xinwen

Drilling Branch of CNPC Offshore Engineering Company Limited， Tianjin 300451， China

Abstract：This study mainly focused on the hardware topology of the main motor drive control system of the Siemens S120 frequency converter for the DQ90BSC top drive. In speed closed-loop control mode， “F31118 encoder 1： speed difference exceeding tolerance” fault shutdown occurred on the top drive frequency converter when the top drive′s given speed exceeded 120 r/min. Combining with the above phenomenon，" further analysis was conducted on the principles of speed closed-loop and open-loop control， as well as the principles of speed closed-loop and open-loop mode switching. The speed and actual speed curves were analyzed in real time by the STARTER software′s trace function. Actual feedback waveforms of encoder channels A and B were measured by oscilloscope. On this basis， reasons for pulse loss caused by electromagnetic interference in the encoder circuit were comprehensively analyzed. Then， according to EMC specifications， shielded twisted pair cables were purchased and the encoder circuit was relayed. Afterward， the problem of pulse loss in high-speed closed-loop control mode was completely solved， greatly improving equipment′s stability and reliability in operation and reducing equipment downtime.

Keywords：top drive; high-speed closed-loop control; encoder; pulse loss fault; maintenance

1" " DQ90BSC頂驅控制系統硬件介紹

1.1" " 硬件組成

DQ90BSC頂驅控制系統由PLC柜、司鉆控制臺、西門子S120變頻控制系統、本體控制柜組成，如圖1所示。西門子S7-300 CPU315-2DP做主控制器，安裝在配電室頂驅PLC柜內，與本體控制柜（安裝在頂驅本體上）內通訊模塊ET200M、司鉆控制臺內通訊模塊ET200pro、配電室頂驅驅動柜S120 CU320模塊組成PROFIBUS網絡。

圖1中，PLC柜①安裝在配電室；司鉆控制臺②安裝在鉆臺司鉆房內；S120變頻模塊、CU320控制單元和SMC30編碼器接口模塊③安裝在配電室傳動柜內；二層臺轉接箱④內有從配電室到二層臺通訊用的光纖通訊模塊、配電室頂驅傳動柜到二層臺轉接用的編碼器電纜；頂驅本體控制柜⑤安裝在頂驅本體上；游動電纜⑥從二層臺轉接箱接至頂驅本體接線箱，包括頂驅主電機動力電纜、風機和油泵電纜、光纖通訊電纜、編碼器電纜等；編碼器電纜⑦從傳動柜經電纜拖鏈、井架底座電纜橋架至二層臺轉接箱④。

1.2" " 硬件拓撲

PLC硬件組態如圖2所示，司鉆操作指令由司鉆控制臺IO模塊采集，用PROFIBUS網絡將所有操作指令傳送到配電室PLC柜內S7-300 CPU 315-2 DP，經CPU邏輯運算處理后，用PROFIBUS網絡控制頂驅本地控制柜內的IO模塊，IO模塊控制對應頂驅組件的電磁閥，實現頂驅的各項操作。

頂驅傳動系統S120硬件拓撲如圖3所示，S7-300 CPU與CU320 PROFIBUS通訊，采用通訊報文的方式控制和監控S120變頻器的運行，實現頂驅主軸正反轉、狀態監測、速度控制和扭矩控制。

2" " 轉速閉環與轉速開環控制模式

S120變頻器驅動主軸電機可以配置兩種控制模式：帶編碼器轉速閉環控制模式和無編碼器轉速開環控制模式[1]。設計兩種控制模式的目的是設備冗余功能，兩種模式互為備用，從而提高了設備穩定性和可靠性，正常情況下采用帶編碼器轉速閉環控制模式，該模式對轉速控制和扭矩控制精度高。

2.1" " 帶編碼器轉速閉環控制模式

在如圖4所示的帶編碼器轉速閉環控制模式下，頂驅主電機實際轉速由安裝在主電機轉子上的連接軸編碼器采集，比較給定轉速與實際轉速，根據負載波動，用直接轉矩控制算法，采用PID實時調節主電機轉矩電流，達到精確控制電機轉速和扭矩的目的。

圖4中，轉速給定通道①有兩種配置模式。模式一，通過配置CU320的IO通道，實現啟停控制和速度給定；模式二，通過配置CU320通訊報文的命令字和狀態字，實現啟停控制、速度給定和反饋、扭矩限制以及故障復位等功能。編碼器速度反饋通道⑤如圖5所示。

頂驅變頻模塊配置兩組驅動數據組DDS1和DDS2。DDS1參數配置中，驅動數據組DDS1有效時，圖5中標號①處DDS顯示為“0”且處于激活狀態，標號②選擇開關在“0”位置，PID控制器主電機速度實際反饋值采集編碼器通道。

參數p1300配置如下：p1300[0]Open-loop/closed-loop control operating mode = [21] Speed control（with encoder）。

2.2" " 無編碼器轉速開環控制模式

在正常鉆井作業工況時，如遇編碼器損壞導致轉速閉環控制模式故障，頂驅無法正常運行，在應急情況下可以切換至無編碼器轉速開環控制模式下運行，如圖6所示。

在無編碼器轉速開環控制模式下，驅動數據組DDS2有效，圖6中標號①處DDS顯示“1”且處于激活狀態，標號②選擇開關在“1”位置。

參數p1300配置如下：p1300[1]Open-loop/closed-loop control operating mode=[20] Speed control（encoderless）。

2.3" " 驅動數據組切換原理

2.3.1" " 帶編碼器與無編碼器模式切換原理

帶編碼器閉環控制模式切換到無編碼器開環控制模式時，對應的驅動數據組由DDS0切換至DDS1。配電室頂驅PLC控制柜上的帶編碼器與無編碼器切換開關，通過PLC DI口I7.3切換無編碼器模式。如圖7所示，標號①中輸入I7.3，對應切換開關；標號②DB18.DBX21.1對應圖8中標號①控制字第2位CU_S_008 ： r2090.1。

圖8標號①中，驅動數據組切換參數p820配置如下：p820[1]BI： Drive Data Set selection DDS bit 0 CU_S_008： r2090.1。

如圖9所示，CU320通訊報文控制字中的每一位可以自由配置，標號①對應控制字第2位。

2.3.2" " A編碼器與B編碼器切換原理

DQ90BSC頂驅主軸由雙電機驅動，A、B電機上各安裝一只編碼器。在頂驅運行時，只能一只編碼器參與速度反饋，另一只編碼器處于備用狀態，當在用編碼器故障時，可以手動切換至備用編碼器運行。A、B編碼器切換時，不用切換驅動數據組，驅動數據組DDS0激活。

A、B編碼器切換原理如圖10所示，圖10（a）中標號①I13.3和I13.4為PLC柜上編碼器切換開關連接的數字輸入模塊DI口，I13.4為“1”時，標號②DB18.DBX21.0置“1”，對應圖10（b）標號②程序段編碼器B參與速度反饋；圖10（a）中標號①I13.3為“1”時，標號②DB18.DBX21.0置“0”，對應圖10（b）標號④程序段編碼器A參與速度反饋。DB18.DBX21.0對應控制字第1位CU_S_008： r2090.0。

TM31 數字輸出DO9參數配置如圖11所示，圖11（a）配置參數p4039 BI：TM31 signal source for terminal DI/DO9 = CU_S_008： r2090.0；圖11（b）標號①處配置，TM 31的數字輸出DO9控制中間繼電器K80見圖12標號①，切換編碼器A和B脈沖信號反饋通道。

編碼器A、B的接線原理如圖13所示[2]，圖中標號①處每只編碼器的接線由3對屏蔽線組成，端子1和2、7和8分別為編碼器供電，端子3和4、5和6、9和10、11和12分別接A、B兩個通道信號；按照EMC電磁兼容性規范，每對電源線和信號線屏蔽層PE均采用雙端接地方式。

3" " 故障案例

3.1" " 故障現象

“中油海11”平臺頂驅空載運行測試時，在無編碼器模式下主軸轉速給定0～200 r/min運行正常；切換至帶編碼器模式時，主軸轉速給定0～120 r/min運行正常，從120 r/min加速至150 r/min，然而運行不到2 min，頂驅變頻器就報“F31118編碼器1：轉速差超公差”故障進而停機，報警信息如圖14所示。

3.2" " 原因分析

根據上述故障現象，結合《SINMATIC S120參數手冊》第3.2節故障和報警列表中關于“F31118 編碼器1：轉速差值超出公差”的原因和處理措施，初步判斷編碼器及編碼器反饋回路有問題，用西門子STARTER軟件在無編碼器模式下監控編碼器實際反饋速度與給定速度曲線如圖15所示，對圖中曲線進行分析得知，主電機給定速度在0～1 800 r/min時，編碼器反饋速度正常；主電機給定速度從1 800 r/min加速至2 400 r/min，運行2 min左右編碼器反饋速度突降至0，幾毫秒后又恢復至2 400 r/min，頻繁波動導致變頻器報“F31118編碼器1：轉速差超公差”故障，如圖16所示。

故障原因分析過程如下：

第一步，排除編碼器損壞問題，更換同型號新編碼器一只，再次跟蹤編碼器反饋曲線，故障依舊，可以排除編碼器損壞原因。

第二步，排除最大轉速差值參數配置p492，根據圖17所示，p492=100 r/min。結合圖15所示，在主電機給定轉速2 400 r/min時，編碼器反饋速度頻繁波動至0，轉速差為2 400 r/min，遠遠大于p492設置的最大轉速差值100 r/min，可以完全排除p492參數配置問題。

第三步，在頂驅本體編碼器接線箱處、二層臺轉接箱處及配電室SMC30編碼器接線處，用示波器分別測量編碼器的通道波形。在轉速為1 800 r/min（每個脈沖周期為16.8 μs）時，編碼器通道反饋波形正常；在轉速為2 400 r/min時，編碼器通道反饋無脈沖波形，如圖18（a）所示，進一步判斷為編碼器接線箱至編碼器接口模塊SMC之間電纜的問題。

主電機轉速n的計算公式如下：

n = 60 f /1 024

式中：n為主電機轉速，r/min；f為頻率，Hz；數字1 024為編碼器轉一圈的脈沖數。

用示波器監測編碼器A、B通道的脈沖波形，當頻率為50 kHz時，對應50 000個脈沖/s，編碼器每轉一圈為1 024個脈沖，約等于50 r/s，對應電機轉速為3 000 r/min，對應主軸轉速250 r/min，脈沖頻率、脈沖周期與主電機轉速、主軸轉速對應關系見表1。根據圖18（b），示波器上顯示每個脈沖周期為16.8 μs，對應電機的實際轉速為1 740 r/min。

第四步，從配電室編碼器接口模塊SMC30，臨時鋪設一根編碼器電纜至頂驅本體編碼器接線箱處，屏蔽層采用雙端接地。在無編碼器模式下，再次監控編碼器實際反饋速度與給定速度曲線，無掉轉速現象，用示波器測量編碼器通道波形，無丟脈沖現象。切換至帶編碼器模式運行，給定轉速2 400 r/min，運行2 h，無故障報警，基本確認從配電室至頂驅本體，編碼器線路存在電磁干擾問題[3]。

第五步，從配電室編碼器接口模塊SMC30，臨時鋪設一根編碼器電纜至二層臺轉接箱處，按照步驟三再次監控編碼器反饋速度曲線和通道脈沖波形，均正常，進一步確認從配電室至二層臺轉接箱編碼器線路存在電磁干擾問題，排除游動電纜電磁干擾問題。

第六步，檢查從配電室SMC30模塊至二層臺轉接箱編碼器電纜，該電纜采用船用6*2*1雙屏蔽雙絞電纜，抗干擾能力強，檢查兩端屏蔽層均為雙端接地，由雙端接地改為單端接地后，繼續測試，故障依舊。考慮到該電纜的鋪設路徑是從配電室電纜橋架，經井架電纜拖鏈上鉆臺，然后經井架電纜橋架到二層臺轉接箱，電纜拖鏈和井架電纜橋架上鋪設有絞車、頂驅600 V動力電纜，該電纜從配電間變頻器模塊接至絞車電機和頂驅電機接線箱，動力電纜屏蔽層均采用雙端接地，但是與信號電纜間距小，甚至有交叉現象，未嚴格按照EMC電磁兼容性規范鋪設。

3.3" " 解決方案

根據《SIMOVERT MASTERDRIVES矢量控制使用大全》第3章，依照EMC導則進行傳動裝置設計的說明中EMC電磁兼容性規范要求，如果高頻噪聲電流有一條正確通道，則高頻噪聲發射能夠得到抑制。使用非屏蔽電機電纜，噪聲電流以一個不確定路線流回變頻器，例如通過基礎/基礎框架接地器、電纜管道、柜框架等。這些電流通道對于50～60 Hz的電流來說，有一個很低的電阻值。然而，噪聲電流感應高頻分量能夠產生有問題的電壓降。為使故障電流能沿確定路線流回到變頻器，絕對需要采用屏蔽電機電纜[4]。屏蔽層必須連接到變頻器外殼，且通過一個大表面面積接到電機外殼。當噪聲電流必須回到變頻器時，屏蔽層雙端接地形成最便利的通道。另外要求信號電纜與動力電纜必須分開獨立布線，最小距離為20 cm，屏蔽必須經最大可能面積雙端接地。所以從配電室至二層臺轉接箱編碼器電纜不符合電磁兼容性EMC規范的要求。必須按照EMC規范[5]，重新鋪設從配電室至二層臺轉接箱電纜，在電纜拖鏈處，盡可能遠離動力電纜；另外將原來的6*2*1雙絞屏蔽電纜改為兩根3*2*1獨立的雙絞屏蔽電纜，編碼器A和編碼器B電纜分開鋪設，減少編碼器之間信號干擾。

3.4" " 方案論證

按照上述方案重新鋪設編碼器電纜后，在帶編碼器模式下進行測試，頂驅主軸給定速度為200 r/min（對應主電機給定速度2 400 r/min）穩定運行3 h，運行正常，無故障報警現象，如圖19所示。編碼器實際反饋速度穩定無波動，徹底解決了頂驅變頻器報“F31118 編碼器1：轉速差超公差”故障而停機的問題。

4" " 結束語

本文結合“中油海11”平臺DQ90BSC頂驅，在主軸轉速120 r/min以上帶編碼器模式運行時，主電機變頻器出現“F31118 編碼器1：轉速差超公差”故障進而停機的問題，詳細論述了DQ90BSC頂驅電控系統硬件配置及接線、硬件拓撲結構、帶編碼器閉環控制模式與無編碼器開環控制模式原理及驅動數據組切換原理。利用西門子STARTER專業調試軟件，實時監測編碼器反饋速度曲線，借助示波器監測編碼器A、B通道波形，根據EMC規范要求，綜合分析故障原因為編碼器線路受600 V動力電纜電磁干擾，重新按照EMC規范鋪設編碼器電纜后，徹底解決了主電機變頻器出現“F31118 編碼器1：轉速差超公差”故障，大大提高了頂驅運行穩定性和可靠性。

參考文獻

[1]" 蘇雄華，謝永輝. 電機速度開環控制改閉環控制項目的改造[J]. 機電工程技術，2006，35（7）：133-135.

[2]" 劉建. 北石頂驅編碼器技術分析與應用[J]. 中國設備工程，2017（5）：135-136.

[3]" 俞凱. 電氣工程中自控設備電磁干擾分析[J]. 價值工程，2024（9）：119-121.

[4]" 賀海清，李紅英. 變頻器干擾探討[J]. 自動化技術與應用，2008，27（8）：128-130.

[5]" 于超. 淺析EMC風險評估技術[J]. 現代建筑電氣，2023（5）：57-61.

作者簡介：

辛叢兵（1982—），男，湖北荊州人，工程師，2006年畢業于中國石油大學（華東）電氣工程及自動化專業，現主要從事鉆井包設備的運維以及自動化設備升級改造工作。Email：56314347@qq.com

編輯：林" " 鮮