（电气工程专业论文）钻头试验台架电气控制系统的研究与设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 钻头试验台架是石油钻头生产企业必须具备的试验测试设备，它能模拟实地工 况，是测试钻头质量、研制新产品最有效的手段，钻头试验台架的性能水平也直接影 响了测试效果。钻头集中监控系统是台架设备的核心组成部分，本文研究的电气传动 控制系统主要由直流调速系统、信号采集系统、可编程序控制器控制系统、微机监控 系统、液压控制系统、低压配电系统组成。其主要设备包括：扭矩位移测量装霞、信 号转换装置、工业控制计算机、可编程序控制器控制台、直流调速器柜、液压工作站 等。集中监控系统由于关系到试验的连续性、高扭矩、高转速和破坏性，故对其测量 精确性、工作可靠性要求很高。 本文从集中监控目的和要求分析入手，确定了系统的功能；通过对电气传动的工 艺和设备要求的理论分析，提出了监控设备的研制方案。重点研究了直流调速器使用 电路和参数设计、p l c 程序设计和闭环控制软件设计、监控计算机系统接口和计算机 监控软件的设计。 本文研制的p l c 控制系统，能满足试验台架的全部试验要求，能进行加载力恒 钻压控制、加载力恒钻速控制，以及压力、位移、扭矩信号的即时采集。研制的微机 监控系统能实现集中监测、控制、分析和管理的目标。 本文，进行了设备联调试验分析研究，对试验中发现的问题进行了分析并找到了 解决措施。联调试验表明，系统设备工作可靠、性能稳定，满足设计要求。 关键词：微机集中监控系统直流调速可编程序控制器扭矩 钻压闭环控制 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t b i tt e s t - b e di st h e i n d i s p e n s a b l ee q u i p m e n tv e r i f y i n g b i tf o r p e t r o l e u m b i t m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e ，i tc a ni m i t a t et h eo p e r a t i n gm o d eo nt h es p o t t h et e s t b e di st h e m o s te f f e c t i v ei n s t r u m e n to ft e s t i n gt h eq u a l i t yo ft h eb i ta n dd e v e l o p i n gn e wp r o d u c t s a n d p e r f o r m a n c eo f t h eb i tt e s t - b e di n f l u e n c e st h er e s u l to ft e s t i n gd i r e c t l yt o o t h ec e n t r a l i z e d m o n i t o r i n gs y s t e mc o n c e r n i n gi nt h i st e x t ，a st h em a i np a r to f b i tt e s t b e d ，i sc o m p o s e dw i t h d cs rs y s t e m ，t h es i g n a l sg a t h e r i n gs y s t e m ，p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r , c o m p u t e r m o n i t o r i n gs y s t e m ，t h eh y d r a u l i cs y s t e m ，a n dt h el o w v o l t a g ed i s t r i b u t i o ns y s t e m t h e c a p i t a le q u i p l m e n t i n c l u d e s ： m e a s u r i n gs e t f o rt o r s i o na n dd i s p l a c e m e n t ，s i g n a l s c o n v e r s i o n d e v i c e ，i n d u s t r i a lc o m p u t e r , p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r , d cs r a r k ， h y d r a u l i cw o r k s t a t i o n ，e t c f o rc o n c e r n i n gt h ec o n t i n u i t y ，h i g ht o r s i o n ，f a s tr e va n d d e s t r u c f i b i l i t yo f l e s t ，h i g ha c c u r a c ya n dh i g hr e l i a b i l i t yo f t h e b i tt e s t - b e da r en e e dd u et oi t f i r s t ，t h ef u n c t i o n so f t h i ss y s t e ma r ed e f i n e db ya n a l y s i so f t h ec e n t r a l i z e dm o n i t o r i n g a i m sa n dr e q u i r e m e n t si nt h i sd i s s e r t a t i o n a sar e s u l tf r o mt h eb a s i ct h e o r yo fc e n t r a l i z e d m o n i t o r i n ga n dt h ed e m a n do fe q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r i n g ，ar e s e a r c hs c h e m eo f t h ec e n t r a l i z e dm o n i t o r i n gs y s t e mi sp r o v i d e d a n dt h e nt h ed e s i g n so fd cs rc i r c u i t ，p l c p r o g r a m ，c l o s e - c y c l e c o n t r o lp r o g r a m ，m o n i t o r i n gs y s t e mi n t e r f a c ea n dt h ec o m p u t e r m o n i t o r i n gs o f t w a r ea r er e s e a r c ha se m p h a s i s 。 p l cc o n t r o ls y s t e mt h a tt h i ss u b j e c td e v e l o p e d ，c a l lm e e ta l ld e m a n d so ft e s t - b e d ，i t c a r lc o n t r o lt h el o a d i n gp r e s s u r ew i t hi m m u t a b l ed r i l l i n gp r e s s u r eo ri m m u t a b l ed r i l l i n gr a t e ， a n da l s oc a np r o c e s st h es i g n a l so fp r e s s u r e ，d i s p l a c e m e n ta n dt o r s i o na t t r u e t i m e c o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e mt h a tt h i ss u b j e c td e v e l o p e dc a na c h i e v et h ep u r p o s eo f c e n t r a l i z e dm o n i t o r i n g ，c o n t r o l l i n g ，a n a l y s i sa n dm a n a g e m e n t i nt h ee n d ，a l ld e v i c e sa r ec o n n e c t e da n dt h es y s t e mi st e s t e d ，t h ep r o b l e m sa p p e a r e d d u r i n gt e s t i n ga r ea n a l y z e da n ds o l v e d t h et e s t i n gr e s u l t si n d i c a t et h a tt h es y s t e mo p e r a t e s r e l i a b l ya n dt h ep e r f o r m a n c e sa r es t a b i l ea n dm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ed e s i g n k e y w o r d s ：m i c r o c o m p u t e rc e n t r a l i z e dm o n i t o r i n gs y s t e m d cs r p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r t o r s i o n c l o s e c y c l ec o n t r o lo fd r i l l i n gp r e s s u r e i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容夕卜，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 棒嘎 e 1 , - 期：瑚s 年5 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印侔和电子版，允许论文被壹阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属予， 不保密由。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 彬竣 日期：训s 年5 月7e t 指删币签名御编 日期：榔，月夕日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 概述 油田的石油钻井平台使用的钻头主要采用三牙轮钻头，特殊地质采用金刚石钻 头，钻头的质量水平直接影响到油井成本，经过专家测算，虽然钻头仅占油井建井费 用的3 ，但就钻进时间和设备寿命来说，钻头效率对油井成本的影响却高达7 5 ， 纯钻时间越短，平均钻速越高，进尺越深，机械钻速越高，钻井成本则越低。 钻头的质量制造水平的高低必须通过科学的手段进行检测、试验，检测环境必须 与实际工作类似，并且试验参数必须是关键变量，才能取得可靠的数据，因此钻头生 产厂家拥有一台现代化的钻头试验台架是代表厂家产品质量保证和新产品研发的强 有力的手段。钻头试验台架可以模拟实际工况，在线即时检测，记录分析数据。 在已占有国内7 5 钻头市场并步入世界四大钻头生产企业的前提下，江钻股份 公司准备进一步提高试验测试手段，6 0 0 k n 钻头试验台架是专门用于石油钻井钻头模 拟井下工况，通过计算机控制，对钻头进行综合性能测试的大型试验设备，其中包括 钻头的轴承寿命试验、钻头的密封系统和锁紧装置的可靠性试验、钻头断齿和掉齿率 的对比试验以及在设定的条件下测量钻头的钻速、钻压、钻头的轴承温度和牙轮的转 速。 钻头试验台架电气控制系统是对试验台架设备在进行各种试验时实施手动、自动 监控的系统。能在各种工况下对钻杆的旋转和升降进行控制，能对模拟钻井条件下的 恒钻压和恒钻速进行p i d 控制，能实时地检测和动态的显示各项参数以及各设备的工 作状态，能实现对故障的报警显示和应急控制。 这个技改课题的完成可以使江钻股份公司有了现代化的钻头试验平台，对进一步 改进产品不足之处，加速新产品研发进程是有十分重大意义的。 1 2 选题背景 近年来，世界石油市场对原油的需求越来越大，各个出产石油的国家纷纷加大本 国油田的钻井、开采，同时为了获得最大利润，对开采的成本严格控制，钻头质量和 性能直接影响钻井成本，因此各个钻头生产厂家迫切需要研制试验设备来检测钻头和 华中科技大学硕士学位论文 研发新产品，江钻股份有限公司作为国内钻头龙头企业一直对自己的产品质量十分重 视每年在科研技改上投入较大。改造旧台架，使之全面满足主流产品和研发产品的 技术要求成为江钻股份公司研发部的重要任务。 原有钻头试验台架研制距今已有二十多年，目前设备已经老化，电气控制系统全 部瘫痪，机械零件磨损较大，且多年来的使用表明，台架性能远未达到最初设计指标， 有些关键性能不能满足目前钻头性能测试的要求。江钻股份公司计划通过改造恢复原 设计建造时的功能和指标并新增加部分功能以及提高部分原性能指标。 根据江钻股份公司的要求，经多次技术探讨，与我单位签署技改项目。本课题的 研究目标是研制一套用于适用于三牙轮和金刚石钻头试验、测试的台架集中监控系 统，能模拟实地工况，按设定曲线自动控制台架系统工作进程，采集、记录相关参数， 自动生成分析曲线、报表。 1 3 国内外技术现状 国内外早期设备，主要是由成套的独立设备和独立监测仪表组成，例如：电机 起动柜、转速测量仪、电压表、电流表、压力表、模拟调速装置等，它们各自是独 立的，一台仪表一般由检测一个信号，试验人员较多，不能保证测试时间的同步， 同时，扭矩、钻压、工进长度等关键参数无法测量或只能短时间隔测量，因此只能 作为参考。 近年电力电子技术的飞速发展，国外新一代钻头试验台架已经向更大试压和扭 矩、无级调速、p l c 集控、计算机管理、现场总线以及多面手方向发展，一台试验台 架可以处理多个系列钻头产品的测试，全部关联信号，例如钻压、扭矩、牙掌温度、 牙轮转速、钻深、电机工作电流、钻头工作振幅等最有代表性的信号直接或通过现场 总线传送进可编程序控制器，再经过程序滤波、运算处理，经总线输入计算机。新 研制钻头试验台架系统应能具备以上优点，具有下述特点： ( 1 ) 应该具有高速采集通道的监测信号处理能力，以适应高速高压工作状态下 的瞬变波峰或波谷信号需要。 ( 2 ) 直流驱动系统具备无级调速能力，对负载突变报死具有转矩、电流保护， 综合处理多种不同类型的装置信号的能力，以适应监测对象的需要。 ( 3 ) 监测数据应能有机的结合起来，以便对试验过程进行综合判断。 ( 4 ) 应具有数据综合分析、故障自动诊断并自动报警输出的能力。 华中科技大学硕士学位论文 ( 5 ) 应具有综合显示、数据存储和数据管理等扩展功能。 ( 6 ) 设备要有较好的抗干扰性能、可靠性要求高，重要测量部分必需在下位机 ( p l c ) 和上位机同时备份，以提高系统的可靠性。 1 4 本文主要研究内容 本文研究的主要内容包括： ( 1 ) 直流调速应用技术的研究 由于直流电动机具有良好的启、制动性能，且能在宽广范围内平滑调速，所以直 流调速系统在自动调速系统中得到广泛的应用。 调速器由微处理器芯片控制，全数字式，可完成许多种模拟技术无法完成的控制 算法，稳定性好，控制精度高，具有丰富的可组态控制软件，可灵活组成各种控制方 式1 2 1 。 但是，对试验台架而言，外部线路设计、软件参数设定、钻头破岩调速优化、钻 头轴承报死时过载过流保护以及试验过程参数监控是需要深入研究的。 ( 2 ) p l c 控制技术的研究 可编程序控制器( p l c ) 是近年广泛应用的工业产品。 本课题中，p l c 作为核心控制单元，既要实现各个系统的协调控制，又要采集 试验数据，特别是对钻压、工进的过程控制，在p l c 控制软件编制、调试上对这种 特殊试验设备要求较高，如工进位移，在破岩过程中位移信号波动剧烈，必须结果算 法、滤波处理。由于钻头试验是一种破坏性试验，出现紧急情况时，必须及时处理， 并显示、报警、上传。 本文重点研究p l c 信号处理和闭环控制功能的实现方法，通过硬件和软件设计， 实现其信号处理、控制、显示、报警、报警记忆、自检、故障各通讯等功能。 ( 3 ) 上位机监测数据综合采集、综合处理技术的研究 通过监控台计算机系统的软件设计，实现钻头试验测试数据的采集和开关量信号 的采集、过程参数设置，进一步实现监测数据的处理、图表显示、自动报警、监测数 据自动存储、数据库管理、报表处理等功能，实现集中监测、控制和管理的目标【3 1 。 ( 4 ) 设备联调试验分析与研究 通过联调试验，发现设计中的问题，并予以解决，同时大量的模拟试验验证系统 设计的合理性、实用性、可靠性。 华中科技大学硕士学位论文 1 5 本章小节 本章首先对本文的研究对象一钻头试验台架集中监控系统的应用领域、重要性、 系统作用和特点等概貌进行了描述；随后通过对钻头试验台架集中监控系统的国内外 技术现状的分析，指出了其发展趋势；接着简要介绍了本课题的选题背景和研制目标： 最后对本文的主要研究内容和需要解决的问题进行了陈述。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 系统设计要求 2 系统总体方案设计 技改课题的研究应满足下述要求： ( 1 ) 钻杆和下转盘转速由目前1 2 0 r r a i n 提高到3 0 0r m i n ( 精度2r r a i n ) ，以便 科研人员可以在高转速时开展指标测试和寿命对比； ( 2 ) 系统在钻秆工进的工况下，通过对比例溢流阀和流量伺服阀的p i d 控制实 现匿钻压或恒钻速的测量模式； ( 3 ) 钻杆扭矩测量范围由0 - 8 5 5 0 n m 提高到1 2 0 0 0 n m ( 1 5 ) ： ( 4 ) 钻杆上下有效行程由目前4 4 0m m 提高到1 2m o 0 1 m m ： ( 5 ) 钻杆升降速度由目前6 0r a m r a i n 提高到1 3 m m i n o 0 1 m m i n ； ( 6 ) 电机直流调速系统、自动控制系统、计算机数据采集系统应满足工况运行 要求： ( 7 ) 下转盘增加扭矩测量仪、钻杆冷却水系统增加流量测量仪并更换钻杆顶部 冷却水接头、增加牙掌轴承温度( 共三点) 测量和牙轮转速( 共三处) 测量、以及钻 头上下振动幅度和频率测量等； ( 8 ) 重新进行控制软件编制，使其具有1 0 0 小时内连续记录钻压、转速、温度、 扭矩、钻深、振幅等数据的功能，并可实现一次钻井条件下恒钻压测钻遽、恒钻速测 钻压的测量模式转换； ( 9 ) 钻头加载时，能稳定实现恒压控制； ( 1 0 ) 钻头在3 0 0 转分的工况下，能进行1 5 0 小时的连续试验。 2 2 系统方案概述 台架系统框图如图2 。l 所示。 原台架控制系统采用的是直流电气传动方式，直流电动机具有良好的速度调节特 性和良好的转矩控患4 特性。目前直流电动机的凋速一般采用晶闸管供电的直流调速系 统来实观。在这次台架技术改造中，采用直流电气传动控制方式是一种减少技术改造 投资的途径。可以通过对原有的电气传动控制系统进行改造，将新型的晶闸管直流调 华中科技大学硕士学位论文 速系统取代原有的系统，可提高电气传动系统工作的可靠性和稳定性，满足钻头试验 的需求【4 】。采用直流传动控制方式，拟选用s i e m e n s 公司的s i m o r e g6 r a 2 4 系列 1 2 0 0 a 全数字式晶闸管直流调速装置，并它为主体，配以s 7 3 1 4 i f m 可编程序控制器 和相应的辅助配套设备构成高性能的全数字式晶闸管直流传动控制系统【5 i 。该系统可 根据钻头的试验模式，实现直流电动机的速度控制和转矩控制。 需要说明的是根据江钻股份公司测试中心提供的有关资料，目前系统的1 6 0 k w 直流电动机的功率能够满足钻速3 0 0 r m i n 的转矩需要。按照我们的计算，1 6 0 k w ， 1 5 0 0 r m i n 的直流电动机所能够提供额定转矩为1 0 1 8 n m ，若要提供8 8 0 0 n n l 钻杆扭 矩，链杆都分魏机械传动欧整体效率按o ，6 5 计算，钻杼的钻速为1 1 3 r r a i n ，若要提供 3 0 0 r r a i n 的钻速，所能提供的钻杆的扭矩约为2 9 0 0 n i t i 。 台架电气传动控制系统的操作控制方式基本上分为三种：计算机设定控制、监控 台手动设定、现场就地控制。控制方式的选择由系统集中监控台上的选择开关和控制 柜面板上的选择开关共同选择确定。 计算机系统软件的作用是实现监控台计算机系统对整个试验台架主要监测数据 的集中采集和处理并建立测量数据库。监测试验数据越限报警情况并同时实现对某些 典型事故的及时自动诊断和应急保护功能；实现数据库管理；监视系统液压站电磁阀、 冷却水工作状态；提供对控制台及其外部相关接口的报警输出功能，见图2 1 。 婪塾垃一一一 图2 i 台架系统框图 华中科技大学硕士学位论文 2 3 系统组成 2 。3 1 直流调速系统组成 台架电气传动控制系统由电动机调速装置、上下驱动转换控制、配电设备、测速 发电机、电流电压检测传感器、保护装置等部分组成。 台架电气传动控制系统功能包括：对转盘电动机的速度进行控制、在恒钴压试验 过程中保证钻杆扭矩的稳定、在恒钻速试验中保证钻杆转速的恒定。 在这次技术改造中，选择了直流传动方式。采用双电机传动，公用一台直流调速 装置。电机采用z k g 1 3 1 - 1 b 电机，单机功率为1 6 0 k w ，传动效率按0 9 5 计算，电机 转速在4 0 0r m i n 时( 相应钻秆钴速为1t 2r r a i n ) ，转盘的输出扭矩为1 2 9 9 2n m 。电 机转速在1 0 7 4r m i n ( 相应钻杆钻速为3 0 0r r a i n ) ，转盘的输出扭矩为4 8 3 8n m t 5 1 。 电气传动系统是钻井试验台架的重要组成部分。台架电气传动控制系统对转盘电 动机的速度进行控制，以实现钻头转速的无级调速。在钻井试验中，有恒钻压试验和 恒钻速试验。在恒钻压试验过程中，传动控制系统需保证在试验过程中钻杆扭矩的稳 定，也就是保证转盘电机的输出转矩维持一定的数值；在恒钻速试验中。传动控制系 统保证钻杆转速的恒定。因此，台架电气传动控制系统应能实现转速控制和转矩控制 两种控制功能。 电气传动控制系统的组成框图如图2 - 2 圈2 - 2电气传动控制系统框图 华中科技大学硕士学位论文 直流闭环调速系统采用的是西门子直流调速器s i m o r e g6 r a 7 0 系列，整流装 置为三相交流电源直接供电的全数字控制装置，用于可调速直流电机电枢和励磁供 电，装置额定电流范围为6 0 0 a ，单象限工作，装置本身带有参数设定单元【6 j 。 进线主回路： 快速熔断器 r t l 6 5 0 0 ，8 0 0 a 3 台 进线电抗器l 台 隔离变压器3 8 0 v 1 1 0 v1 台 电机电枢回路： 直流接触器 励磁回路； 直流接触器 直流电机： 直流电动机 测速发电机 c z 2 8 。6 3 0 1 0 ，6 3 0 a2 台 c z 2 1 - 4 0 ，4 0 a2 2 0 v 控制2 台 z 4 - 3 1 5 4 1 ，1 6 0 k w 2 台 c e f 型永磁直流测速发电机，作为钻速的反馈元件。 2 3 2p l c 控制系统组成 传动控制可编程序控制器采用s i e m e n s 公司的s 7 3 0 0 可编程序控制器，根据电 气传动控制系统的控制要求，我们初步确定可编程序控制器的c p u 模块选用 s 7 3 1 4 i f m 。可编程序控制器的配置有： 电源模块6 e s 7 3 0 71 e a 0 0 a b 0 c p u 模块c p u 3 1 4 一i f m ( 子站) 带有m p i 接口，1 2 8 k 主储存器。 数字量输入6 e s 7 3 2 1 1 b h 0 2 0 a a 0 - - - - - - 1 6 点，2 4 v d c ，光耦隔离。 数字量输入6 e s 7 3 2 1 1 b l 0 1 0 a a ( n - - - - - - 3 2 点，2 4 v d c 。 数字量输出6 e s 7 3 2 2 1 h f 0 1 0 a a 0 - - - - 1 6 点，2 4 v d c ，光鹅隔离，2 a 。 模拟量输入6 e s 7 3 3 1 7 k f 0 2 o a b 卜8 点，输入范围电压 士i v - + _ 2 5 v 士5 v 士l o v ，电流士l o m 舭2 0 m a 1 2 0 m a 4 2 0 m a ，热电阻 p t l 0 0 n i l 0 0 ，热电偶e n j k t 6 l 。 2 3 3 显示仪表 除系统监控计算机对系统的运行参数和试验参数进行实时检测外，在系统集中监控 台上还设置了一套显示仪表，对一些廷* - - 仃z - - 爹裂删试短琴裂】荭, 1 z - - j 伏* 衣亚不- - t 显示内容有： 华中科技大学硕士学位论文 钻杆扭矩 钻头加载力 液压站压力 泵电机温度 钻头轴承温度 试验累计时间 系统电源电流 钻头转速 钻杆进给量 冷却水压力 转盘电机电流 钻头牙轮转速 系统电源电压 转盘电机电压 2 3 4 加载电液伺服控制系统 加载电液伺服控制系统由钻压伺服控制器、钻压加载电磁伺服阀、电磁换向阀、 钻压加载液压缸、压力检测传感器等组成。 检测的钻压的压力传感器采用a k 4 f 型压阻式压力传感器。压力传感器输出信 号经过压力变送器和信号隔离单元，输出至可编程序控制器a d 模块的输入端。 2 3 s 现场传感器变送器 2 3 s 1 转矩转速测量 转矩转速传感器：j n 3 3 8 a 测量范围：0 - 5 0 0 0 n m 输出信号：脉冲，在零扭矩时，脉冲频率为i o k h z + 5 0 h z ，当扭矩为正向满量程 时，脉冲频率为1 5 k h z + 5 0 h z ，转速为6 0 个脉冲，转。 信号转换板：输入上下电机的二组信号，输出为一组信号，转速脉冲信号通过 光耦隔离输出，扭矩脉冲信号转换成o 5 v 电压信号输出【7 】。 2 3 5 i 位移的检测 台架位移的检测采用n s w d c 型差动变压器式位移传感器。其线形量程为o 1 5 0 0 m m ，线性度为0 5 。 2 3 5 2 冷却水压力检测 冷却水压力检测采用a k 4 f 型压力传感器，量程范围0 2 5 m p a l 7 1 。 2 3 5 3 冷却水流量检测 冷却水流量采用流量开关进行检测。当流量小与某一数值时，流量开关动作，流 量状态信号输入到p l c 和系统报警装置。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 3 5 4 钻头轴承温度检测 钻头轴承温度检测采用p t l 0 0 温度传感器，钻头轴承温度用温度显示仪表显示， 温度显示仪表安装在系统集中监控台，共有三点。 2 3 5 5 钻头牙轮转速检测 通过高速接近开关检测牙轮上的钢齿，以获得响应的脉冲信号，检测钻头牙轮的 转速。 2 3 6 计算机监控系统及其接口 系统监控计算机采用台湾研华公司的i p c 6 1 0 p ：p i l 3 0 0 工业控制计算机，基本配置 是c p up 1 1 6 0 0 ，硬盘2 0 g ，内存2 5 6 m ，2 4 倍速光驱，1 7 ”彩色显示器。为建立与现 场控制可编程序控制器之间的数据通信，在工控机内配置了高速多协议通信板卡，采 用s i e m e n s 公司的c p 5 6 1l ，它支持p p i 、m p i 、p r o f i b u s d p 通讯协议。 监控计算机设置在监控台内，使用总线端子6 e s 7 9 7 2 0 b a 4 1 0 b a 0 和总线电缆 6 x v l 8 6 0 与p l c 的c p u 3 1 4 相连。， 计算机安装如下软件： 、7 l ，矾d o w s 2 0 0 0p r o f e s s i o n m i c r o s o f to f f i c e 2 0 0 0 v b 6 o p r o d a v e 5 o s t e p 7 v 50 n o r t o n 2 4 本章小节 本章系统地阐述了钻头试验台架集中监控系统的主要系统组成。 通过对设计要求的分析，进而提出直流调速系统、p l c 控制系统、信号采集处理 装置、计算机监控系统及其接口等各部分选型、配置方案，并阐述了配置方案的特点 和优越性、实用性。 华中科技大学硕士学位论文 3 电气传动控制系统 3 1 直流调速系统的工作原理 闭环调速系统的主控设备是一台直流调速柜，整流装置为三相交流电源直接供电 的全数字控制装置，采用的是西门子直流调速器s i m o r e g6 r a 7 0 系列，用于可调 速直流电机电枢和励磁供电，装置额定电流范围为6 0 0 a ，单象限工作，装置本身带 有参数设定单元。 整个台架分为上转盘电机和下转盘电机，上转盘电机带动减速箱，通过机械传动 装置驱动钻杆，钻杆下发安装试验钻头，下转盘电机带动减速箱。通过机械传动装置 驱动转盘，转盘上放置岩石块，直流调速装置分别控制两台直流电机的正反转，电机 功率为1 6 0 k w ，为此，在电枢回路做了两路切换主回路，每一路又可实现正反转控制， 励磁回路也采用同样设计。根据实际试验负载需求，我们配各了网侧进线电抗器t l l ( 接入l u l 、1 v l 、1 w 1 ) ，它的作用是限制变流器换向时电网侧的电压降，抑制谐波 以及并联变流器组的解耦，限制电网电压的跳跃或电网系统操作时所产生的电流冲 击。励磁供电需要a v 2 2 0 v ，接入隔离变压器3 8 0 v 2 2 0 v ( 端子3 u i 、3 w 1 ) 。直流电 机转速通过测速发电机反馈给直流调速器，直流测速发电机c e f 型永磁试，作为钻 速的反馈元件，测速发电机对应最大转速的输出电压允许在8 2 7 0v 范围内，因 需要进行选择控制，先通过一块设计的选择控制板再接入调速器a s k 8 1 。需通过参数 设置使电压最大速度规格化。实际转速和设定转速经内部转速调速器处理，形成闭 环控制电机转速，如图3 1 所示。 基本参数的设定，如电机工作电压、工作电流、过载倍数、爬坡时间、限幅、内 部调节器等由o l p 面板设定，其它给定控制参数由上位机通过控制总线下传到p l c ， 再送给调速器。所有的控制、调节、监视及附加功能都由调速器的微处理器来实现。 我们选定采用的是选择外部给定值和反馈值模拟量。s i m o r e g6 r a 7 0 系列整流装置 外部信号的连接( 开关量输入输出，模拟量输入输出，脉冲编码器等) 通过插接端子排 实现f 9 1 。 参数号为p 1 0 0 p 5 9 9 的参数及其它几个参数共分为4 组，通过开关量连接器 可选择哪一组参数有效。这样一台装置最多便可交替地控制4 台不同的电机，为保持 华中科技大学硕士学位论文 系统的可靠性，采用的是外部硬件线路电枢、励磁切换，调速器内部参数控制，实现了 传动转换【9 】。 a b c 母缄兄目qs m i t l0o2 08 一o0 3 。1 。+ 。+ 。+ 1 l _ i 莉萄 _ )。 d 旧， l il 司 1 鞒k r 3 _ 一、： ：d 。i i 弋q f l 2、； 1 。 。 。l 刊 t l l 畦f f f m m 。li i 峪ss1 一 llll【 1 u 1w 1j w l3 u 1j _ w 15 u 1s w l d 1 v 1 w 1 电桓厣磁控蒯电番且机 a s k sj n o r e 6 6 0o a 够电檑肇 刊速辕电橇詹礴 1 9埋11 旦31 蝉 3 i 一t 二 控椭 l _ - 1 1 im 藤o k m 2 。 正k 向h & 榔l n + f 、 jj 3 l 砖 uv l 2 ； uv 国 m ) 2 1 。2 1 i ，j 。 1。1 4 4 川睫野jj i i 闰3 1直流调速器电路图 华中科技大学硕士学位论文 3 1 1 本地o l p 预先设定功能 电流和转矩限幅 转速调节器实际值处理 转速调节器 励磁电流调节 转速极限 监控和极限值 数字给定值 3 1 2 转速给定值 转速给定值和附加给定值的给定源可通过参数设定自由选择，定义为外部选择： 模拟量给定0 1 0 v 4 2 0 m a ，实际使用0 l o v 通过具有固定给定值，点动，爬行功能的开关量连接器设定外部给定 当设定1 0 0 给定值( 主给定值和附加给定值之和) 对应电机最大转速1 2 0 0 转。 给定值可由参数设定或连接器限制其最大值和最小值。 转速调节器将转速给定值与实际值进行比较。根据它们之间的差值输出相应的电 流给定值送电流调节器( 原理：带有电流内环的转速调节) 。转速调节器是带有可选择 的p i 调节器。此外尚有可参数设置的可接通速度软化1 0 】。调节器的所有识别量都可 分别设定。k p 值( 放大系数) 同一个连接器信号( 内部) 相适配。同时，转速调节器的结 构及工作方式直流调速装置系数要与转速实际值、电流实际值、给定值实际值的差 值相匹配【9 1 。此外，在运行过程中可通过选择功能“主动随动转换”来切换转速调节 ，转矩调节。这个功能是作为通过开关量设置端子选择。可以实现下列功能： 通过参数分别设定正、负转矩极限。 通过参数设置的切换转速的开关量连器实现转矩极限的切换。 通过上位机自由给定转矩极限，最小设定值总是作为电流限幅。 由参数分别设定的正、负电流极限值( 设定最大电机电流) 。 通过模拟量输入口自由给定的电流限幅值。 通过使用停车和急停参数分别设定电流限幅值。 与转速有关的电流限幅： 通过参数设定可以实现当转速较高时，电流极限值随转速的升高按一定规律自动 华中科技大学硕士学位论文 减小( 电机的极限换向曲线) 。 功率部分的1 2 t 监控：在所有的电流值下计算晶闸管的温度。当达到有关参 数设定的晶闸管极限温度时，或者装置电流减小到额定电流值或者装置使用故障信 号断电。该功能用于保护晶闸管。电流调节器是具有相互独立设定的p - 放大值和积 分时间的p i 调节器。p 或i 部分可被切断( 纯粹的p 调节器或i 调节器) 。电流实际 值通过三相交流侧的电流互感器检测，经负载电阻，整流再经模拟数字变换后送 电流调节器。p 和i 部分可分别设定，或作为纯粹的p 调节器或i 调节器被使用。 预控制器根据转速和自动测取的励磁特征曲线( 见优化过程) 产生励磁电流预给定 值。 3 1 3 优化过程 对6 r a 7 0 系列整流装置通过专门的关键参数进行自优化选取。下列调节器功能 在自优化过程得到设定： 电流调节器的优化：设定电流调节器和预控制器( 电枢和励磁回路) 。 转速调节器优化：设定转速调节器的识别量。 自动测取用于转速调节器预控制器的摩擦和惯性力矩补偿量。 此外可经操作面板改变自动优化过程中所设定的所有参数( 7 1 。 3 1 4 监控与诊断 监控的参数主要来自两个地方，首先是台架上的传感器，电机扭矩转速传感器、 位移传感器、牙轮测速接近开关、热电偶、压力变送器等，另一个就是直流调速柜内 的反馈信号，这些反馈值因控制对象的不同进入p l c 控制器前必须经过判断筛选， 设计的模拟量信号控制转换板用来实现这个功能，如图3 2 所示。 扭矩、转速的脉冲信号由4 个端口输入，k l 、k 2 控制信号的选择判断，通过高 速光耦隔离，信号放大器转换电路，输出一1 0 v 斗1 0 v 扭矩信号进p l c 模拟量输入端， 输出转速脉冲信号进p l c 高速脉冲口。 调速柜运行的每个故障信号都有一个编号，此外对于故障信息存储了事件发生的 时间t 以便能尽快找出故障原因。为了便于诊断，最后出现的8 个故障信号，包括故 障编号，故障值及工作时间被存储。 4 华中科技大学硕士学位论文 5 匝劁隧璀r转妒迎警谜删杂辎好峨群曙qn匝 华中科技大学硕士学位论文 3 2 液压站控制设计思想 加载电液伺服控制系统由钻压伺服控制器、钻压加载电磁伺服阀、电磁换向阀、 钻压加载液压缸、压力检测传感器等组成。 检测的钻压的压力传感器采用a k 4 f 型压阻式压力传感器。压力传感器输出信号 经过压力变送器和信号隔离单元，输出至可编程序控制器a d 模块的输入端。 系统在钻杆工进的工况下，能选择恒钻压或恒钻速测量模式。 在恒钻压试验时，控制流量伺服阀信号为最大，比例溢流阀的控制信号按预定的 曲线要求和压力的实时反馈值，通过p l c 的p i d 控制，输出0 - 1 0 v 的加载压力给定 信号，经比例阀控制器输出0 - 7 7 0 m a 信号控制比例溢源阀工作，实现恒钻压的闭环控 制。如图3 3 所示。 图3 - 3 恒钻压闭环控制框图 在恒钻速试验时，控制比例溢流闼信号为最大，流量伺服阀的控制信号按预定的 益线要求和位移进给量的实时反馈值，通过p l c 的p i d 控制，输出1 0 v 的恒速流 量给定信号，经放大驱动板输出1 5 m a 信号控制流量伺服阀工作，实现恒钻速的闭 环控制。如图3 - 4 所示。 华中科技大学硕士学位论文 钻头的加载力通过压力变送器检测的有杆腔压力和无秆腔压力，计算得钻杆加载 力。能在数显表上实时显示。 当要求钻杆快进( 下降) 时，比仞溢流阀控制信号为最大；流量伺服阀的控制信 号为正向最大；当要求钴杆快退( 上升) 肘，比例溢流阀控制信号为最大；流量伺服 阀的控制信号为反向最大。当要求钻杆暂停时，比例溢流阀和流量伺服阀的控制信号 都为0a 当钻杆运行到上限位或下限位时，行程开关动作使钻杆停止运行，钻杼上 下移动时，位移传感器实时输出位移值电磁阀信号控制，如表3 1 所示。 表3 - 1 液压站比例伺服阀控制 信号恒钻压试验恒钻速试验 运行工况 行程 按钮1 d t ( m a l 2 d t ( r n a ) l d t ( m a )2 d t ( m a ) 开关 钴杆快进( 下降) + 7 7 01 57 7 01 5 钻杆工进( 自动) + o 7 7 01 57 7 0 o 1 5 钻杆暂停 + o000 钻杆快退( 上升) +7 7 01 57 7 0 1 5 钻杆停止 + oooo 3 3p l c 控制系统的工作原理 p l c 控制系统是试验台架的核心控制单元。它起到承上启下的作用，既要完成各 个分系统的控制、信号采集，也要实时进行工业网络通讯、数据上传。我们选用的是 s i e m e n s 公司的中级产品s 7 - 3 0 0 i f m ，全部数字量输入输出、模拟量输入输出均由 扩展的各个模块组成。 为保证控制的正常进行，各个分系统的指令信号、动作信号、相关变量必须可靠 接入p l c 控制台，它们是液压控制柜、直流调速柜、配电柜、远程操作台、低压控制 柜、冷却水泵控制柜、扭矩位移信号箱、以及其它行程开关、接近开关信号箱。 配电柜供电后，分别给各个分系统通过动力电源和控制电源，在p l c 控制台可显 示状态，当p l c 运行后，首先启动程序自检，执行信号采集、网络通讯初始化子程序， 全部完毕后，当前系统的各个状态由控制台上指示灯、仪表显示出，如当前位移、系 统压力、调速器状态、冷却水状态，当无报警、故障信号时，控制系统进入试验等待 状态如图3 5 所示。 1 7 华中科技大学硕士学位论文 显示饺表 系统集中监控 系统监控计算机h 通讯适配器 电气传动控制p l ( 电渣加载控制p l 僦置旧懈元1 怕元2 胱制器懒蝴 掣刮 信鬻 信鬻压缸m 洲压缸 钻井试验台架 圈3 - 5p l c 控制系统框图 每个功能均有对应的子程序控制，如液压站功能块、电机调速功能块，按下相关 指令开关，p l c 的c p u 立即调用对应功能块f c 。数据采集是个中断过程，由中断程 序定时采集模拟信号，进行a d 转换调用数据格式功能块，压力转换成钻压值，位 移转换成工进尺寸，电机扭矩换算成作用点的钻杆转矩和转盘转矩。 一旦执行恒钻压试验，p l c 将调用编制的专业闭环控制模块f b l 0 0 ，按照上位机 设定的压力曲线，控制比例阀开度，保证破岩过程的压力值恒定( 在设计波动压力范 围内) ，当执行恒钻速试验时，p l c 将调用编制的专业闭环控制模块f b l 0 1 ，按照上 位机设定的工作时间，控制比例阀开度，保证破岩过程的工进速度恒定。 p i d 控制表示比例一积分一微分控制。比例控制可以提高系统的动态响应时间， 减小稳态误差。积分控制可以消除稳态误差，提高控制精度。微分控制能够预测偏差， 产生超前的校正作用。较好地改善动态性能f l 。 p i d 算法大致分为位置型和增量型两种，由于位置型p i d 算法需要较多的计算机 存储单元去存储过去时刻的数值，因此将占用较多的系统资源而不便于使用【。采用 增量型p i d 算法，首先将p i d 算法进行离散化处理，算式如下： 华中科技大学硕士学位论文 舯帮 ”也 + 孕 铲砟争j k i 喝号称为积分系数 ( 3 1 ) k 。= 足，争称