（电气工程专业论文）顶部驱动钻井装置电控系统的设计研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 y8 7 8 2 左2 顶部驱动钻井装置电控系统的设计研究 摘要 顶部驱动钻井装置( 简称顶驱) 是以电动机从钻杆顶 部驱动钻具钻杆取代柴油机带动钻机转盘的一种新装置，具 有上下起动灵活、操作安全方便、生产效率高等优点。顶驱 是2 1 世纪钻井三大技术装备之一，是当今钻井装备中技术含 量较高、结构复杂的机电液一体化的设备，已成为现代钻机 的重要配置，由于顶驱装置科技含量高、制造难度大，至今 国外也只有5 家公司能够生产。北京石油机械厂与西门子工 厂自动化工程有限公司合作研制开发的我国首台交流变频 d q 7 0 b s c 型项部驱动钻井装置的研制成功研制和批量生产， 不仅打破了国外对顶驱技术的垄断，而且性能先进，操作 使用方便可与国外产品媲美，价格大低于国外产品。它结 束了我国钻井项驱装置长期依赖进口的历史，加快了钻井 装备现代化的进程，为中国石油钻井队大步走出国门做出 了贡献。 北京交通大学硕士学位论文 顶驱电控系统全部采用s i e m e n s 产品，由西门子工厂自 动化工程有限公司设计、制造。主电机传动采用两个功率为 4 0 0 h p 的r e l i a n c er p ma c 异步感应电动机( 油田专用变频 电机) ，由交流变频系统驱动，根据整流单元和逆变器的组 合不同，有a h i 等几种不同的驱动结构，可满足不同用户 的要求。a 和h 结构可以实现单、双电机运行。 项驱控制系统采用采用s i e m e n s 可编程控制器( p l c ) 和 p r o f i b u s 现场总线( 光、电网络) 等先进技术，可完成钻 井、旋扣、上卸扣、管子处理、i b o p 的遥控控制和井喷时的 快速应急操作等顶驱工艺要求的所有功能，并自动实现转矩 限幅与控制方式的切换。上位监控软件w i n c c 功能强大，界 面友好，具有较强的自诊断和历史数据记录功能，保证顶驱 系统的工作安全可靠。 关键词：顶部驱动钻井装置；变频；p l c & 上位监控w i n c c 论文类型：应用研究 2 北京交通大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho fe l e c t r i c a lc o n t r o if o rt o pd n v e d r i l l i n ge q u i p m e n t a b s t r a c t t o pd r i v ed r i u i n ge q u i p m e t ( s h o r tf o rt o pd r i v e ) ， i ti san e w t y p ep e t r o l e u md r i l l i l l ge q u i p m e n tw h i c h r e p l a c e sr o t a r ) ，t a b l e i t s ah i 曲- t e c hp r o d u c tw h i c hi s i n t e g r a t e dw i t hm a c h i n e r y ，e l e c t r i ca n dh y d r a u l i cs y s t e m i th a sm u c ha d v a l l t a g e ，s u c ha sm a k e u p n e x i b l e ，o p e r a t i o n s a f e 够，h i g he m c i e n c y 0 n l y5c o m p a l l yc a nm a n u f a c t u r e i to nt h ew o r df o rc o m p l e xa j l dm u l t i - t e c h b e i j i n g p e t r o l e u m m a c h i n e 巧f a c t o r y ( b p m ) a n d s i e m e n sf a c t o r ya u t o m a t i o ne n g i n e e r i n gl t d ( s f a e ) h a v es u c c e s s 血lr e s e a r c h e da i l dm 钺m f a c t u r e dt h e1 8 t t o p 埘v ed e v i c e i nc h i n a t h ed e v i c eh a st 1 1 es 锄e r m c t i o na si 瑚【p o r ta n dh a s1 0 w p r i c e 3 北京交通大学硕士学位论文 t h ee l e c t r i c a l s y s t e m o ft 1 1 e t o p d r i v e ri sa c 丘e q u e n c yc o n v e r t e rs y s t e m ，也e 锄r os t a n da l o n ec o n v e r t e r d r i v e 栅o4 0 0 h pa cm o t o r ( o i ln e l ds p e c i a l ) ，t h e yc a l l w o r kt o g e t h e r ( m a s t e r s l a v ef 嘶c t i o n ) o rw o r ks 印a r a t e l y t h e yh a v ea 任 it y p ed e p e n do nd r i v es t r u c t u r e t h e m a i np o w e rs u p p l y 行o md i e s e le n g i n ei s6 0 0 va c t h ep l cc o m m u n i c a t e dw i t he a c hl o c a ls t a t i o na n d e a c hd r i v e rs y s t e mb yp r o f i b u s ；t h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nm a i np l ca 1 1 dd r i v e rs u b s t a t i o ni so p t i c a lc a b l e ， a n do 也e r sa r et w o w i r et w i s tc a b l e t h e yc a l lf m i s h e dt h e n e e d e da c t i o no fd r i l l i n ge n g m e e r i n g t h eh m is o 行w a r e i sw i n c c a tl a s t ，t h em e s i sb r i n g sf o r w a r ds o m ea d v i c ef o rt 1 1 e t o pd r i v ee q u i p m e n tc o n 扛o ls y s t e ma n ds o m ep r o b l e m si 1 1 c o m m i s s i o n i n gw o r k k e y w o r d s ：t o pd r i v ee q u i p m e n t ； i n v e r t e r i n v e i t e r ；p l c & w i n c c ； 4 北京交通大学硕士学位论文 第一章顶部驱动钻井装置简介 1 1 顶驱项目背景 石油钻机是完成油井钻进施工的主机，它带动钻具钻杆和钻头向 地层深部钻进，并通过钻机上的升降机构来完成起下钻具钻杆和套 管、提取岩心油样标本、更换钻头等辅助工作。石油钻机是油田钻井工 程最关键的设备之一。目前国内使用以转盘式钻机居多，国外以顶部驱 动钻井装置居多。 顶部驱动钻井装置( 简称顶驱) 是以电动机从钻杆顶部驱动钻具取 代柴油机带动钻机转盘的一种新装置，和传统的通过转盘旋转带动钻具 钻杆旋转相比顶驱具有上下起动灵活、操作安全方便、生产效率高、 便于处理突发事件等优点。由于顶驱是当今钻井装备中技术含量较高、 制造难度大，结构复杂的集合机电液一体化的综合装备，至今国外也只 有5 家公司能够生产。目前顶驱已成为现代钻井机械的重要配置，是 2 1 世纪钻井三大技术装备之一。从2 0 世纪8 0 年代初美国v a r c 0 ( 华 高) 公司第一台顶驱装置问世到现在，它一直是当今石油钻井工程的重 大前沿技术与装备，已经成了深井、复杂井旋工的必选装备之一。在海 外钻井工程的投标中，是否配备顶驱装置成了能否中标的重要条件，因 此“顶驱”成了制约我国钻井队伍开拓海外市场的“瓶颈”。 7 北京交通大学硕士学位论文 1 2 国内外顶驱的技术发展及现状 2 0 0 4 年北京石油机械厂与西门子工厂自动化工程有限公司合作研 制开发了我国首台交流变频d q 7 0 b s 型顶部驱动钻井装置。北京石油机 械厂( b p m 简称北石) 是中国石油天然气集团公司( c n p c 简称中石油) 钻采装备专业生产厂家，拥有雄厚的技术力量与科技开发能力、先进的 加工设备、现代科学的检测手段、完善的质量保证体系。北京石油机械 厂是中国石油天然气集团公司( c n p c ) 石油钻采设备一级供应网络成员 单位、中国石化各品配件资源市场成员厂、中国石油物资装备出口网络 成员，也是中油集团公司井控设备液压装置定点生产厂。产品覆盖中石 油、中石化所属陆上油气田和中海油所属海上油田，出口到近2 0 个国 家和地区。企业被中国技术监督情报协会评为”全国石油专用设备质量 过硬放心品牌企业”。 始建于一九九三年的西门子工厂自动化工程有限公司( 简称s f a e ) 是德国西门子股份有限公司在中国自动化领域投资的第一家合资公 司。从组建至今，本公司在国内外自动化领域已向3 0 0 0 多家用户提供 了技术支持、自动化与驱动系统的工程应用、生产线更新改造与新自 动化工程项目实施。公司可提供优质充分的备件供应、低压电柜产 品、以及数控、驱动与可遍程控制器( p l c ) 等多种产品的技术支持与服 务。公司不仅能向中国的用户提供高性能、高品质的西门子自动化产 品，而且还能向中国市场提供先进的自动化技术、为各个工业领域提 供最先进的控制系统、革新化的解决方案，以及高附加值的服务及彻 底的解决方案及优良的售后服务。 8 北京交通大学硕士学位论文 在充分调研国内外同类产品技术水平和钻井作业需求的基础上， 北石顶驱树立了全球采购的先进理念和用科技打造精良装备的思想，使 产品的质量、外观和技术性能均达到国际水平，同时使我国顶驱装置设 计制造技术水平与国际同类产品同步，一跃跻身国际先进水平的行列。 北石顶驱采用先进的设计手段和完善的试验装置，运用多项自主知识产 权技术，已通过专家鉴定和有关部门的验收；目前已生产出三十多台该 型号的顶驱装置。广泛使用于国内外各油田钻井队，和国外顶驱设备相 比在实现同样功能的情况下普遍反应使用相对简单，便于维护保养。而 且售后服务和培训比较有保障。 1 3 本文所做的工作 针对国外顶驱对中国石油钻井机械市场的垄断，自2 0 0 4 年北京石油 机械厂和西门子工厂自动化工程有限公司联合研制开发了国内第一台 d q 7 0 b s c 型顶部驱动钻井装置。本文主要论述顶驱电控系统的方案设 计和组成，包括上位监控软件w i n c c 的界面介绍和使用，可编程 控制器p l c 通过p r o f i b u s 现场总线技术对司钻台予站，液压源子 站，本体子站和各驱动子站的控制，实现电控系统要求的所有功 能。驱动部分采用整流柜和逆变柜组合方式通过矢量控制方式实现 对两台4 0 0 h p 主电机的控制。同时对系统调速方案的原理和选择 进行了阐述。 本文还介绍了顶驱电控系统中所使用的两种通讯协议，即 p r o f i b u s 和s i m o l i n k 的原理和应用。文后还介绍了在调试过程 中所遇到的问题和对远程诊断新技术的展望。 9 北京交通大学硕士学位论文 第二章顶部驱动钻井装置构成简介 21 顶部驱动钻井装置构成简介 顶部驱动钻井装置主要由动力水龙头( 泥浆处理及泥浆泵) 、管子 钻具处理装置、电气传动与控制系统、液压控制系统、司钻操作台、辅 助操作控制盒、单导轨与滑车虬及运移架等辅助装置几大部分组成。图 2 1 是项驱系统组成示意图： 图2 一l 顶驱系统组成示意图 图2 一l 顶驱系统组成示意图 1 0 北京交通火学硕士学位论文 下面分别介绍顶驱系统备部分组成及作用： ( 1 ) 井架 井架是井队各种设备的安装载体，由平台、架子、绞车、大钩 等部分组成，通常架子距离地面约5 0 米左右。顶驱本体是挂在井 架大钩上通过垂直导轨上下滑动的。 ( 2 ) 本体 本体是顶驱系统的最终执行机构，下图是顶驱本体组成示意图：主 要由主电机、齿轮减速箱、液压回转机构、液压倾斜机构、液压阀组等 组成。本体站控制箱是通过螺栓安装在本体电机旁边的。见图2 2 ： 图2 2 顶驱本体结构示意图 1 1 北京交通大学硕士学位论文 ( 3 ) 司钻控制台 通过司钻控制台可以实现顶驱的各种动作和要求，类似于顶 驱系统的控制盒，辅助控制盒是它少部分控制功能的分解。具体 结构将在后面详细介绍。 ( 4 ) 液压站 液压站的主要作用是通过液压泵运转给整个顶驱系统的液压 动作提供压力。 ( 5 ) 电控房 电控房是顶驱电控系统的核心部分，主要是通过p l c 按照要 求控制变频调速系统。图23 是等待运输的电控房示意图。 图2 3 组柜型电控房示意图 1 2 北京交通大学硕士学位论文 ( 6 ) 发电机 因为实际钻井位置多位于比较偏远，没有市电的地方，所 以大部分都是通过发电机供电。发电机由大功率柴油机驱动。 通常发电机输出电压为3 a c 6 0 0 v5 0 h z 。 1 3 北京交通大学硕士学位论文 2 2 顶部驱动钻井装置电控系统组成 2 2 1 顶驱电控系统主要组成 ( 1 ) 驱动系统简介： 顶驱电控系统全部采用s i e m e n s ( 西门子公司) 产品，由西门子工厂 自动化工程有限公司设计制造。电气控制系统主要包括交流变频驱动系 统和p l c m c c 系统，主要由驱动柜、p l c 控制柜、司钻操作台、辅助控 制盒、本体站、液压站等几大部分组成。驱动采用s i e m e n ss i m o v e r t m a s t e r d r i v e r s6 s e 7 0 系列产品，通过交流变频调速系统，驱动两台 4 0 0 马力交流变频电机。两台电机既可以联合驱动( 通过西门子专利技 术s i m o l i n k 通讯技术使用主从控制方式，可实现两台电机运行的完全 同步) ，也可分开独立工作。 主传动采用两个功率为4 0 0 马力的r e l i a n c er p ma c 异步感应电动 机( 油田设备专用电机) ，交流变频驱动，电机采用强制通风散热方式， 每个主电机配备5 5 k w 的散热风机。有a h i 等几种不同的驱动结构， 可满足不同用户的要求。a 型结构是一个整流单元配两个逆变单元分别 驱动两台电机。h 型是两个整流单元配两个逆变单元分别驱动两台电 机。i 型是一个整流单元配一个逆变单元共同驱动两台电机。三种型号 只是整流和逆变的功率不同，控制原理和方式完全相同。因为a 和h 结 构是单个逆变器驱动单个电机所以可以实现单、双f 乜机运行。下面以h 型为例介绍驱动系统的主要装置参数： 电动机参数额定功率：4 0 0 h p3 0 0 k w 额定电压：a c 5 7 5 v 额定电流：4 6 0 a额定频率：5 8 h z 额定转速：1 1 5 0 r p m 1 4 北京交通大学硕士学位论文 逆变器参数额定功率：4 5 0k w额定电压：d c 8 1 0 v 额定电流：6 5 0 a 整流器参数额定功率：6 3 0k w额定电压：a c 6 0 0 v 额定电流：6 7 0 a 发电机参数额定功率：1 4 0 0k w 额定电压：a c 6 0 0 v 额定电流：1 6 0 0 a ( 2 ) p l c 控制系统简介： p l c 控制系统采用采用西门子( s i e m e n ss i m a t i cs 7 3 0 0 ) 可编程 控制器通过p r o f i b u s 现场总线( 光、电网络) 等先进技术进行控制， 可完成钻井、旋扣、上卸扣、管子钻具处理、i b o p ( 内防喷器) 的遥控 控制和井喷时的快速应急操作等顶驱工艺要求的所有功能，并自动实现 转速限幅和转矩限幅。具有较强的自诊断和保护功能，保证系统工作安 全可靠。 ( 3 ) 主电缆简介： 从电控房到本体主电机采用油田专用交流变频电机专用电缆， 采用带有清楚标识的快速连接接插件，现场作业安全方便，避免错 误连接。 ( 4 ) 整机简介： 整机采用模块化设计和包装运输，现场安装方便快捷。 2 2 2 顶驱电控系统能流及单线图 顶驱电控系统驱动部分的能量流向为发电机输送3 a c6 0 0 v5 0 h z 电 源到电控房，经主空气开关、进线电抗器连接到整流单元，转换为d c 8 1 0 v 输出到直流母线。逆变器工作在该直流电网上，利用脉冲宽度调 1 5 北京交通大学硕士学位论文 制方法( p w m ) ，生成三相频率可调的供电电源，经过输出电抗器，输 出到顶驱主电机，然后驱动装置运转。同时，发电机输出6 0 0 v 交流电 经空气开关连接到辅助变压器，转换为3 8 0 v 交流电，作为辅助电源， 通入p l c m c c ( m o t o rc o n t r 0 1c e n t r e ) 柜。由p l c m c c 柜分别为主电 机风机、液压站、电控房工业空调等提供三相a c3 8 0 v 电源，为主电机 加热器、进线柜、整流柜、逆变柜提供a c2 2 0 v 辅助系统电源和控制电 源，为c p u 、液压站、本体站、司钻操作台提供d c2 4 v 控制电源。 h 型系统采用二对二的驱动方式，即有两个整流柜，两个逆变柜。 这种结构可靠性高，可作为两套独立的系统单独工作。单电机工作时， 系统所能承受的工作扭矩和最大扭矩为双电机运行时的一半。主结构如 下 蒜：嚣：；然黑：8 ；器 m ，太* wm ，) ! ( m w 埘义1 0 卅 bb 。i4 1 i 。肉一z 由“学器由 黜6 l “嚣“鬻e卜 6 船 i 口i u 器6 l j i f0 口 一m 、 ， 1 嚣0 紫 一h 一 h 图2 4 顶驱电控系统单线图( h 型) 1 6 北京交通人学硕士学位论文 a 型系统采用一对二的驱动方式，即有一个整流柜，两个逆变柜。 这种结构也具有较好的可靠性，并且结构更为紧凑。主结构如下图2 5 所示： 5 叫j x 自h 1 ” 口14 口k 1 呲 1 8 0 m x 一1 “_ ”裂由j “良 一 l 拶 拶巨卜 同 u 州 删u 蕊6 l r h 一、，、一、 图2 5 顶驱电控系统单线图( a 型) 交流变频驱动柜和p l c m c c 柜安装在顶驱电控房内，电控房主要 包含1 号整流柜、l 号逆变柜、2 号整流柜、2 号逆变柜，1 号制动单元 和2 号制动单元放在相应的逆变柜中，1 号制动电阻和2 号制动电阻放 在电控房的右侧，当中是6 0 0 v 3 8 0 v8 0 k v a 的辅助变压器。电控房配有 进线箱、出线箱、办公桌和2 台特灵2 2k w 工业空调机组。电控房办公 桌上方配有温湿度计1 个，可供用户随时观测室内的温度和湿度变化。 1 7 北京交通大学硕士学位论文 电控房的外形尺寸为：( 长x 宽x 高) 8 0 0 0 唧x2 9 0 0 mx2 9 0 0 姗。图 2 6 是h 型顶驱电控房布局示意图。 剖黼 罄藏挺2 撼 埘啦i 嘲自# # 鞠奢抖 恩 * 嘲d 娥 匝蕃引勰 整漉挺l # h 忭骤吨 ! # 辨! j i 糙e f 妣e c 由。l 蒜8 丑 图2 6h 型顶驱电控房布局示意图 2 3 交流变频驱动柜的组成 交流变频驱动系统包括整流柜、逆变柜以及相关控制电路，为顶驱 装置的两台交流交频电机提供动力。 2 3 1 整流柜的组成 整流柜由进线部分和整流单元组成。进线部分包括主空气开关、绝 缘检测仪、电压表、电流表、进线电抗器等元器件，给整流部分和 p l c ，m c c 柜提供电源。安装进线电抗器减小了整流单元对电网的谐波 电流，进线电抗器也限制了由于电源电压的突变对整个系统产生的冲击 电流。 整流部分包括整流器、电流表、电压表等。 主空开合闸后，来自进线部分的6 0 0 v 主电源，经整流后输出d c 8 1 0 v 电压到直流母线。面板如图2 7 和2 8 所示： 1 8 北京交通大学硕士学位论文 图2 7 进线部分仪表和指示灯示意图 图2 - 8 整流部分主空气开关和仪表及急停按钮示意图 下面是整流柜上具体每个部件的说明 【主回路电流】表：显示6 0 0 v 主电源电流值。 1 9 北京交通大学硕上学位论文 【辅助回路电流】表：显示3 8 0 v 辅助电源电流值。 【主回路电压】表：显示6 0 0 v 主电源每相电压值。 【直流电流】表：显示整流器输出电流值。 【直流电压】表：显示整流器输出电压值。 【控制电源】指示灯：进线柜2 2 0 v 控制电源正常时灯亮。 【绝缘故障】指示灯：进线系统绝缘出现故障时灯亮。 【合闸指示】指示灯：进线柜主空开合闸后灯亮。 【电压选择】开关：用来选择所需显示的相电压。 【急停】按钮：用于系统紧急停止( 常闭) 。 23 2 逆变柜的组成 逆变柜由逆变器、出线电抗器和制动单元等组成。制动单元用于顶 驱电机偶而或短时出现发电情况的场合，如在系统制动时( 例如事故停 车或快速停车) 等。这时候制动单元接通将发电反馈的能量消耗，从而 保护整个系统的正常工作。可以外接一个负载电阻，以加大制动功率或 提高长时问制动功率。项驱系统选用l o o k w 制动单元并外接电阻箱。 输出电抗器用于补偿在长导线时的容性再充电电流及限制在相应电机导 线长度下电机端子上的d v d t 保护电机的绝缘。顶驱系统从电控房逆 变器输出端到电机接线盒的距离大约为1 0 0 米左右，属于长距离导线范 围，故选用输出电抗器。 2 0 北京交通大学硕十学位论文 逆变柜面板如图2 9 所示 图2 9 逆变柜面板元件示意图 【输出电流】表：显示逆变器输出电流值。 【输出电压】表：显示逆变器输出电压值。 【编码器选择】开关：用于选择编码器信号。两台主电机上分别装 有一个编码器，用此开关选择那个编码器信号有效。因为两个电机在机 械上为硬连接，故两个编码器信号始终一样，这样一来可以用一备一， 使系统更可靠。 【急停】按钮：用于系统紧急停止( 常闭) 。 2 1 北京交通大学硕士学位论文 2 3 3p l c m c c 系统的组成 p l c m c c 系统包括各功能单元的逻辑控制和交直流配电系统，下面 介绍p l c m c c 柜上各部件的功能： 【卸扣次数】表：指示卸扣操作的累计次数。 【累计运行时间】表：指示顶驱主电机的累计运行时间。 【总起准备好】指示灯：当【系统总起】扳到“开”位置，但系统 未就绪时，指示灯闪烁；待主空开合闸，且系统就绪后，指示灯变为常 亮。 【电机加热】指示灯：主电机加热器运行时灯亮。 【故障】指示灯：系统有报警时闪烁，故障时常亮，正常状态不 亮。 【系统总起】钥匙开关：系统上电后，通过此开关来实现系统的总 起操作；启动整流器，主空开自动合闸等。 【通道选择】钥匙开关；通过此开关选择是通过p r o f i b u s 通讯( d p ) 控制还是通过电气通道( e l ) 控制。 【电机加热】开关：通过此丌关，加热器可以脱离p l c 独立工作。 系统正常运行时，加入连锁控制。可由“电机加热”指示灯观察加热器 运行状态。 【复位】按钮：具有复位和静音功能。 【急停】按钮：按下此按钮，系统紧急停止操作。电控系统中所有 的紧急停止开关联锁。 北京交通大学硕士学位论文 2 3 4 工控机和上位监控软件 p l c 柜门内侧安装有工控机，电控房中装有配套的显示屏及键盘鼠 标，用于运行顶驱系统监控系统w i n c c 与设备调试软件，见图2 1 0 。 图2 1 0 顶驱系统使用的工控机和显示器 2 3 北京交通大学硕士学位论文 2 4 本体子站的作用及组成 本体子站安装在顶驱装置的本体上，其功能是为主电机的冷却风 机、加热器、电磁阀组等提供交、直流动力电源或对其进行控制，读取 主电机温度传感器信号、减速箱信号( 如：油温) 等，以便系统监控。 本体子站采用的e t 2 0 0 x 模块，防护等级为i p 6 5 ，可直接安装在恶 劣环境中，而且每一个输入、输出通道都支持点诊断和点保护功能，具 有很强的自诊断能力。本体箱内部装有加热器，可在温度较低环境工 作。采用光纤与p l c m c c 柜中的c p u 进行通讯，抗干扰能力强。从本体 子站出来的阀控制电缆皆为屏蔽线，抗干扰能力强，控制准确可靠。 本体站外形如图2 一儿所示： 图2 一1 1 本体站外形图 2 4 北京交通大学硕士学位论文 2 5 液压源子站的作用及组成 液压源子站( 简称液压站) 安装在液压源箱体内，控制两台液压泵 ( 一用一各) 和一台冷却风机。两台液压泵既可以本地启动，也可以由 司钻台异地启动，但本地控制优先。液压泵电机前装有电动机保护器， 通过设定保护电流，可以对电机的断相、过载、堵转和漏电进行有效安 全的保护。 同本体子站一样，液压源子站也采用e t 2 0 0 x 模块。液压站内部装 有传感器，用于采集油温、油压信号，p l c 依据采集到的信号实现相关 控制。液压源子站控制面板如图2 1 2 所示： 图2 1 2 液压源子站控制面板元件示意图 北京交通大学硕士学位论文 下面介绍液压源控制箱上各部件的功能： 【控制电源】指示灯：2 2 0 v 辅助电源通入时灯亮。 【a 泵运行】指示灯：a 泵运行时，该指示灯亮。 【b 泵运行】指示灯：b 泵运行时，该指示灯亮。 【泵选择】开关：用于进行a 、b 泵切换。 【液压泵启停】开关：用于控制液压泵运行。扳到“启动”位置， 本地启动液压泵。扳到“停止”位置，液压泵停止运行。扳到“自动” 位置，由司钻台异地控制液压泵启停。 【冷却风机】开关：用于控制冷却风机启停。扳到“启动”位置， 本地启动冷却风机。扳到“停止”位置，冷却风机停止运行。扳到“自 动”位置，由p l c 根据检测到的油温信号及上位监控系统( w i n c c ) 中的设定值，自动控制冷却风机启停。 2 6 司钻操作台的作用及组成 司钻操作台( 简称司钻台) 是整个顶驱系统的操作控制台，具有钻 井所需的基本操作功能。通过i m l 5 3 接口模块和电控房p l cc p u 相连， 内部采用西门予e t 2 0 0 m 系列远程模块，可以设置顶驱装置的转速、转 矩、操作模式及钻井工况所需的各种辅助操作。操作台设有三个故障 报警指示灯，根据预先设置的灯光组合可用于各种故障或报警的指示。 这样可快速简单通过灯光组合并结合上位监控软件的故障报警提示查 找和解决故障，保证系统的正常运行。 顶驱装置的司钻台为正压防爆型e x p n i a i it 4 ，只能在保护气体压力 正常时( o 3 m p ) 才能工作。在其侧端装有气源元件，内部装有微压开 2 6 北京交通大学硕士学位论文 关。只有当司钻台内部气体压力达到一定值后，其控制电源才被允许通 入。满足井队相关区域内的防暴要求。 司钻操作台控制面板如图2 1 3 所示： 图2 1 3 司钻操作台控制面板示意图 2 7 北京交通大学硕士学位论文 a ) 指示灯介绍 瓣 霆麓。i 塞i 誉参j 愁? 毒j j 。名称类型 号 绿色通讯正常状态下，液压泵运行时灯亮。 【液压源 1 指示压力低于设定压力时闪烁。 运行】 灯通讯中断或液压泵停止时，该灯不亮。 红色 【回转头进行回转头锁紧操作时，如果接近开关检测到锁 2 指示 锁紧】紧销插好的信号，该指示灯亮。 灯 【内防喷 红色 指示灯亮表示p l c 发出关闭i b o p 指令。 3 器】 指示 指示灯灭表示发出打开i b o p 指令。 灯 红色 【刹车】 4 指示指示灯亮时表明电机刹车工作。 灯 绿色闪烁表不剜钻台控制电源接通但整流系统未就 【就绪】 5指示绪。 指示灯 灯常亮表示系统已总起且一切就绪。 6 【故障报红色通过亮、灭、闪烁三种状态组合，分类显示故障 7 警】指示或报警信息。 8 指示灯 灯 2 8 北京交通大学硕上学位论文 b ) 仪表介绍 标器名称类型麓憋。i ，j 碧能磐簿 o 以斟m 和b r 为单位显示主轴输出的 9【扭矩】表计量表 实际转矩值。 以r m i n 为单位显示主轴输出的实际转速 1 0 【转速】表 计量表 值。 曲操作元件介绍 标爨 名称。类黧 j 。功躲弑警；。 通讯正常状态下，液压站【液压泵启停】 位于“自动”位置时，操作此开关异地控 【液压源】 1 1 2 位开关制液压泵启停。 开关 扳到“运行”位置，启动液压泵。 扳到“停止”位置，液压泵停止运行。 【急停】蘑菇状按下此按扭，将停止驱动装置，延时后断 1 2 按钮按钮开主空开。 扳到“锁紧”位置，锁紧回转头。 扳到“松开”位置，松开回转头。 【锁紧销】 1 32 位开关须通过“回转头锁紧”指示灯观察动作执 开关 行情况。 回转头锁紧后，吊环回转操作无效。 【井控】红色按 按下此按钮，将启动液j 土泵，停止泥浆泵 1 4 按钮钮 ( 给出联锁信号) ，停止驱动装置，关闭 2 9 北京交通大学硕士学位论文 标号 ”名称、纛。 。类型 。劝籀 7 7警 i b o p 。 【吊环回弹簧复位旋钮，自动回中位。 3 位开关 1 5转】 控制回转头正( 顺时针) 转、反转( 逆时 自复位 开关针) 转。 【背钳】黑色按 与其他开关组合，实现背钳的兴紧或松开， 1 6 按钮钮从而完成扭矩模式下背钳的操作。 【辅助操扳到“开”位置，辅助操作盒操作有效， 1 7 作】2 位开关此时司钻台相同操作无效； 开关扳到“关”位置，辅助操作盒操作无效。 【吊环中 黑色按按下此按钮，吊环处于浮动状态，此时倾 1 8 位】 钮 斜油缸不出力。 按钮 【吊环倾弹簧复位旋钮，自动回中位。 3 位开关 1 9 斜】控制倾斜油缸推动吊环，带动吊卡前后移 自复位 按钮动。 控制主电机冷却风机启停。 【风机】开 扳到“自动”位置，由p l c 根据系统运 2 0 3 位开关行状态控制主电机冷却风机启停。 7 ( 扳到“开”位置，启动冷却风机。 扳到“关”位置，冷却风机停止运行。 【i b o p 】扳到“开”位置，打开i b o p 阀门。 2 12 位开关 开关扳到“关”位置，关闭i b o p 阀门。 3 0 北京交通大学硕士学位论文 标号。j 名称类烈 _ | 。1 0 功熊。 4 选择驱动的主电机。 【电机选扳到“a ”位置，a 电机单独工作。 2 2择】3 位开关扳到“b ”位置，b 电机单独工作。 开关扳到“a + b ”位置，a 、b 电机同时工 作。 扳到“制动”位置，刹车工作。 【刹车】扳到“松开”位置，刹车松开。 2 33 位开关 开关扳到“自动”位置，刹车按系统程序工 作。 【操作选3 位开关 选择顶驱装置操作模式。 2 4择】右位自 初始位置为“钻井”。 开关 复位 当扬声器鸣声时，按下此按钮将使扬声器 静音。 【复位静 黑色按故障或报警消失后，再按下此按钮将使故 2 5音】 钮 障或报警复位。 按钮 持续按住此按钮超过3 秒，所有指示灯亮 ( 灯测试) 。 【旋转方 选择顶驱装置转向。 2 6 向】3 位开关 初始位置为“停止”。 开关 3 1 北京交通大学硕士学位论文 标辞名称类型 、曼 。； 功糍 j i - 了， 。 !“| 。 一 l 设定上扣允许的最大转矩值。 逆时针旋转手轮，将降低限定扭矩，到极 【上扣扭矩限位置时限定扭矩为零。 2 7电位器 限定】手轮顺时针旋转手轮，将提高限定扭矩，在双 电机模式下，手轮满量程对应扭矩值为 5 0 m 。 钻井作业中设定钻具允许的最大转矩值。 逆时针旋转手轮，将降低限定扭矩，到极 【钻井扭矩限位置时限定扭矩为零。 2 8电位器 限定】手轮 顺时针旋转手轮，将提高限定扭矩。在双 电机模式下，手轮满量程对应扭矩值为 5 0 m 。 正常钻井操作时，设定钻井转速值。 逆时针旋转手轮，将降低设定转速，到极 【转速设限位置时转速为零。 2 9定】电位器顺时针旋转手轮，将提高设定转速，到手 手轮轮满量程时，根据转速范围不同，设定转 速为1 1 0 q ) m 或2 2 0 r p m 。转速范围通过上 位监控系统设定。 3 2 北京交通人学硕士学位论文 2 7 辅助操作盒的作用及组成( 选件) 辅助操作盒通过电缆连接到司钻台，采用接插件快速连接，用于在 二层台操作顶驱本体的吊环回转机构和倾斜机构。司钻台【辅助操作】 开关位于“开”位置时，辅助操作盒有效，此时司钻台相同操作无效。 开关位于“关”位置时，辅助操作盒无效，此时司钻台相同操作有效。 辅助操作盒操作面板如图2 - 1 4 所示 图2 1 4 辅助操作盒操作面板示意图 3 3 北京交通人学硕士学位论文 辅助操作盒操作面板各部件功能介绍如下： 【使能】指示灯：司钻台【辅助操作】开关位于“开”位置时，指 示灯亮，表示辅助操作盒操作有效。 【吊环倾斜】开关：用来操作吊环倾斜机构。 【吊环回转】开关：用来操作吊环回转机构。 【吊环中位】按钮：用来实现吊环自动回到井眼位置( 中位) 。即吊 环倾斜机构的液压油缸相互导通。使吊环靠自身重量回到井眼位置( 中 位) 。 以上为顶部驱动钻井装置构成的介绍。 3 4 北京交通大学硕士学位论文 第三章上位监控系统( w in c c ) 设计 3 1 上位监控系统软件w in c c 简介 西门子视窗控制中心s i m a t i cw i n c c ( w i n d o w sc o n 廿0 1c e m e r ) 是 h m “s c a d a ( s u p e n ，i s o r yc o m r o la n dd a t aa c q u i s “i o n ) 软件中的后起之 秀，1 9 9 6 年进入世界工控组态软件市场，当年就被美国c o n t r 0 1 e n g i n e e r i n g 杂志评为最佳h m i 软件，以最短的时间发展成第三个在世 界范围内成功的s c a d a 系统。作为s “a t i c 全集成自动化系统的重 要组成部分，w i l l c c 确保与s i m a t i cs 5 ，s 7 系列p l c 连接的方便和 通讯的高效；w i n c c 与s t e p 7 编程软件的紧密结合缩短了项目开发的 周期。此外，w i n c c 还有与s i m a n cp l c 进行系统诊断的选项，给硬 件维护提供了方便。 w i n c c 基本系统是很多应用程序的核心。它包含以下九大部分： ( 1 ) 变量管理器( t a gm a n a g e m e m ) 管理所使用的外部变量，内部变量和 通讯驱动程序本项目共使用的外部变量数量为2 1 1 个。 ( 2 ) 图形编辑器( g r a p l l i c sd e s i 印e r ) 用于设计各种图形画面本项目共编 辑使用的图形画面数量为1 2 幅。 ( 3 ) 报警记录( a l a ml o g g i n g ) 负责采集和归档报警信息。 ( 4 ) 变量归档( t a gl o g g i n g ) 负责处理测量值并长期存储记录的过程 值。 ( 5 ) 报表编辑器( r 印o r td e s i 弘e r ) 提供许多标准的报表，也可以设计各 种的报表，并可按照预定的时间进行打印。 3 5 北京交通大学硕士学位论文 ( 6 ) 全局脚本( g l o b a ls c r i p t ) 是系统设计人员用c 及v b 编写的代码，以 满足项目的需要。 ( 7 ) 文本库( t e x tl i b 删可) 编辑不同语言版本下的文本消息。 ( 8 ) 用户管理器( u s e ra d m 础s t r a t o r ) 用来分配、管理和监控用户对组态 和运行系统的访问权限。 ( 9 ) 交叉引用表( c r o s s r e f e r e n c e ) 负责搜索在画面、函数、归档和消息 中所使用的变量、函数、o l e 对象和a c t i v e x 控件。 w i n c c 应用程序组成详见图3 1 ： 图3 1w i n c c 应用程序组成示意图 北京交通大学硕士学位论文 3 2 顶驱监控系统组成及主画面功能介绍 顶驱监控系统的硬件由s i e m e n sp c 6 2 0 和d e l l1 7 时液晶显示器 组成，工控机p c 6 2 0 集成了通讯处理器c p 5 6 1 3 ，工控机通过c p 5 6 1 3 和p l c 的m p i 接口相连接，在和p l c 的通讯过程中w c c 以变量和 过程值的形式进行交换信息的通讯，为了采集过程值，w i n c c 通讯驱 动程序发送任务消息给p l c ，然后p l c 把相应的包含有所请求的过程 值的回复消息发送给w i n c c 。图3 2 是上为监控系统通讯示意图： w i n c c 应用程序 图形运行系统，报警记录，变量记录运行等 _ w i n c c 变量管理器 w i n c c 通讯驱动器例如s tp r o t o c 0 1s u i t e 通道单元例如船i 硬件驱动器例如s 7 5 6 1 3 通讯处理器例如c p 5 6 1 3 通讯模块例c p 3 4 3 5 可编程逻辑控制器例如s i 触t i cs t 图3 2 顶驱监控系统通讯示意图 3 7 北京交通大学硕士学位论文 监控系统主要是通过画面对系统进行数据监控，由主画面和分画面 组成。主画面是进行各种操作的首要界面，它共分4 个区域，分别显示 以下不同的信息。 ( 1 ) 工具栏：在工具栏区内是画面之间的切换按钮。 ( 2 ) 显示区：显示画面区是进行系统监视及控制操作的主要区域。 ( 3 ) 报警栏：报警栏可显示系统当前最新的报警内容及相应的参考 解决办法。 ( 4 ) 状态栏：状态栏区显示当前的画面名称、当前系统时间等相关 信息。 通过单击工具栏上的按钮可以进入对应的监控画面，顶驱w c c 系统主要有如下监控画面： ( 1 ) “系统帮助”画面 ( 2 ) “电源系统”画面 ( 3 ) “顶驱系统”画面 ( 4 ) “网络结构”画面 ( 5 ) “控制状态”画面 ( 6 ) “辅助系统”画面 ( 7 ) “系统趋势”画面 ( 8 ) “报警记录”画面 ( 9 ) “系统设定”画面 ( 1 0 ) “系统登录”画面 ( 1 1 ) “退出系统”画面 现分别介绍如下： 3 8 北京交通大学硕士学位论文 3 2 1 系统帮助 点击主画面工具栏的同名按钮【系统帮助】按钮，即可以打开顶驱系 统操作帮助，查看相关帮助信息。具体见图3 2 所示： 图3 2 系统帮助画面 3 2 2 电源系统 点击主画面工具栏同名按钮【电源系统】，进入“电源系统”画面， 本画面同步反映顶驱系统电源开关和电气回路状态( 绿色代表已经合闸 或上电，灰色代表相关电路处于断开位置或未上电) ，这样可帮助操作 人员或维护】：程师及时准确发现和判断相关电源故障的位置和当前状 态。 3 9 北京交通大学硕士学位论文 图3 3 电源系统画面 3 2 3 网络结构 点击主画面工具栏同名按钮【网络结构】，进入“网络结构”画 面，通过画面可看到顶驱系统完整的网络拓扑结构和p r o f i b u s 现场 总线通讯状态，如果系统任一予站通讯中断，则对应子站会显示红色警 示符。下图显示顶驱系统除顶驱操作台，液压站和本体站通讯中断外其 余子站通讯正常。这样通过网络结构图可清楚准确得反映系统各子站的 实时通讯状态。 北京交通大学硕十学位论文 图3 4 网络结构画面 3 24 顶驱系统 点击主画面工具栏同名按钮【顶驱系统】，进入“顶驱系统”画面， 本画面实时反映顶驱系统运行状态显示和相关数据值，可通过此画面全 面了解顶驱系统的运行状态。 在登录后点击此画面可完成“输入值修正”和“速度选择”两个功 能。 “输入值修正”按钮只有在装置停止状态下才显示，运行状态自动 隐藏，用于更换手轮电位计之后，对输入量程进行量化。在系统“登 录”之后并且装置处于停止状态，首先将要修正的手轮回到机械零点， 4 1 北京交通大学硕士学位论文 点击“o ”按钮；然后，首先将手轮旋转到机械限位最大值，点击“1 0 0 ”按钮，修正完成，将手轮回到零位。 单击速度范围选择开关，可以实现“正常”和“全范围”之间的切 换。“正常”的速度范围是o 1 1 0r m i n ( 对应逆变器的输出频率为0 5 8 h z ) ，“全范围”的速度范围是o 2 2 0r m i n ( 对应逆变器的输出频率 为o 一1 1 6 h z ) 。 图3 5 顶驱系统画面 3 2 5 控制状态 点击主画面工具栏同名按钮【顶驱系统】，进入“控制状态”画 面。本画面显示驱动装置的控制字和状态字。通过右下方的文本列表控 4 2 北京交通大学硕士学位论文 件，可以查看相应整流和逆变装置的控制状态。此画面可以在顶驱电控 系统出现问题时及时准确显示相应的装置状态。 图3 6 系统帮助画面 3 2 6 辅助系统 点击主画面工具栏同名按钮【辅助系统】，进入“辅助系统”画面， 本画面反映了顶驱主系统以外的其余部分的操作状态和执行状态。并通 过画面模拟司钻台的操作。实时反应司钻的操作状态。 4 3 北京交通人学硕士学位论文 图3 7 系统帮助画面 3 2 7 报警记录 点击主画面工具【报警记录】栏按钮，进入“报警记录”画面，故障 报警通过p l c 程序分为3 类：a l a r m ( 报警) 、f a u l t