（电力电子与电力传动专业论文）基于现场总线的交流变频钻机电气系统设计与研究.pdf

西华大学硕士学位论文 d e s i g na n dr e s e a c ho na c v a r i a b l ef r e q u e n c yr i g e l e c t r i c a ls y s t e mb a s e do nf i e l d b u s m a j o ro fp o w e re l e c t r i ca n dp o w e rd r i v e p o s t g r a d u a t e ：u u h u i t u t o r ：h ej i a n - p i n g a b s t r a c t ：w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to f m i c r o e l e c t r i c t e c h n o l o g y 、 c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , i n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e mi s a l w a y st r a n s f o r m e d a tt h es a m et i m e ，a st h ei m p o r t a n tc o m p o s i t i o no ft h ec o n t r o l s y s t e m ，i n d u s t r i a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki sd e v e l o p e dc o n s t a n t l y e n t e r p r i s ea u t o m a t i ct e c h n o l o g yr e q u i r e sm o r ei n f o r m a t i o na p p l i e dt of a c t o r y a d m i n i s t r a t i o n ，a i m i n g a t i n t e g r a t i o no fa d m i n i s t r a t i o na n dc o n t r 0 1 i n f o r m a t i o n e x c h a n g ed o m a i nc o v e rw i t hf r o mt h es c e n ee q u i p m e n tt oc o n t r o la n ds u p e r v i s e ， f r o mw o r k s h o ps e c t i o n 、p l a n tf a c t o r y 、e n t e r p r i s et ot h em a r k e ti nt h ew o d d a st h e b a s i so ff a c t o r y d i # t a l c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k , f i e l d b u se s t a b l i s h e sr e l a t i o n b e t w e e n p r o d u c t i o np r o c e s sw i t hc o n t r o le q u i p m e n ta n dc o n t r o la d m i n i s t r a t i o n ，a n d m a k e se n t e r p r i s es y n t h e s i sa u t o m a t i cs y s t e mb a s e do ni n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r k f o r m e dg r a d u a l l y w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nn e t w o r kt e c h n o l o g ya n dt h em a t u r i t y o fc o r r e l a t e dt e c h n o l o g , o i lr i g sc o n t r o ls y s t e mi si m p a c t e dg r e a t l ya n dd e v e l o p e d f r o mt r a d i t i o n a lr e l a yc o n t r o ls y s t e mt ot h ec o n t r o ls y s t e mt h a ti n t e g r a t e sc o n t r o l n e t w o r ka n di n f o r m a t i o nn e t w o r k b a s e di t s e l fo i li n t e r n a t i o n a lm a r k e t ，t h es u b j e c tr e s e a r c h sa n dd e s i g n se l e c t r i c a l s y s t e mo fa cv a r i a b l ef r e q u e n c yr i gb a s e do np r o f i b u sf i e l d h u s ，w h i c hm e e t st h e r e q u i r e m e n to fd e e pw e l lt e c h n o l o g ya n ds p e c i a la r t e s i a nw e l lt e c h n i c s r i g sp o w e r c o n t r o ls y s t e ma n dv a r i a b l ef r e q u e n c yt i m i n gc o n t r o ls y s t e ma p p l i e sa d v a n c e d d i 班a ln e t w o r kc o n t r o lt e c h n o l o g y , p o s s e s s i n go u t s t a n d i n gc a p a b i l i t y o ft i m i n g ， o v e r l o a d ，r e l i a b i l i t ya n da n t i - i a m m i n g 西华大学硕士学位论文 d i g i t a lo p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e mo fr i gi sr e a l i z e dt h r o u g ht o u c h e r , i n d u s t r i a l c o m p u t e r ，p l ca n de e n t e r a lc o m m u n i c a t i o n ，w h m hg a t h e r sa r t e s i a nd r i l l i n gw e l la n d e l e c t r i cp a r a m e t e r , a n dc o n v e r t si n t od i 舀t a ls i g n a la n dd i g i t a lo p e r a t i o nf u n c t i o nt o m e e td i s p l a y 、s t o r a g e 、p r m 、r e m o t ew a t c ha n da d m i n i s t r a t i o n k e y w o r d s ：p l c ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，t o u c h e r ，h e l d b u s ，o i lr i g ，e l e c t r i c a l s y s t e m i i i 西华大学硕士学位论文 申明 本人申明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得西华大学或者其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表明谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期问在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此申明。 作者签名：声、协涛 导师签名：( 可吱千 矽7 年莓具 黾 撕7 年p 月和 f 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 石油钻机的电气系统概述 1 1 1 石油钻机电气设备构成 石油天然气勘探与开发用钻机是由动力机、传动机与多工作机组成的成套性 联合机组，属于重型机械装备。它主要包括旋转钻进系统、钻井液循环系统、 钻具起升系统、动力机组、传动和控制系统、底座和其他辅助设备等。电驱动 钻机是目前高性能大型钻机的主要型式和发展方向，其基本构成如图1 - 1 所示。 作为钻机核心的电传动控制系统属于投资大、技术含量高的技术资金密集型设 备，而绞车、转盘、泥浆泵是石油钻机的主要电气传动设备。 1 ) 绞车 图1 1 石油钻机系统分布 西华大学硕士学位论文 绞车装置主要用于起升，下方井架、底座、大钩及钻杆，钻井过程分为起落 井架，钻进，泥浆循环，钻具更换，下套管，测井等几大工序。 绞车由滚筒、齿轮箱、离合器、制动器、电机和控制设备组成，用来起落 井架，提升和下方钻杆、套管。随着井深的增加，钻具越来越长，重量迅速加 大，绞车的负载也越来越大。我国目前已有7 0 0 0 m 深的油井，其钻具 近6 0 0 t 重。由于每钻进约9 m 就要提升下放钻杆1 次，因此绞车作业时间 也随着井深的增加而占整个作业时间的比例越来越大。为降低成本，希望在野 外或海上的作业时间越短越好，这不仅要求绞车能高速运行，平稳起停，以保 证不损坏钻井设备并提高井的质量，还要求驱动设备具有良好的动态特性。 2 ) 转盘 转盘装置用于钻杆的上扣、卸扣以及旋转钻杆带动钻头切削岩石，实施钻 进作业，司钻工通过调节转盘转速和压力来改变钻进速度。转盘正常工作时为 正转，处理卡钻时需反转以收回钻头，为防止钻杆正转时折断或反转时脱扣， 要求电机输出转矩平稳，调节灵活且设定限幅值；同时，电机的刹车部件也是 必不可少的。 3 ) 泥浆泵 泥浆泵相当于整个钻井设备的心脏，它所输出的泥浆的作用类似于人体内 的血液。泥浆从钻杆内部自上而下注入，流过钻头后，再从钻杆和井壁的缝隙 自下而上流出，在这一过程中，泥浆协助钻头冲击地壳，冷却钻头，带出碎屑， 而更重要的是通过在泥浆中渗入重晶石粉等物质可保持井下一定的压力，以避 免井喷，象血液在人体内循环，运送营养，带走废物。泥浆泵的压力和冲数分 别与驱动电机的输出转矩和速度成正比。 2 1 【3 l 1 1 2 石油钻机的电传动控制系统分类 1 ) 机械驱动钻机 早期的国产石油钻机主要是机械驱动钻机，传动形式为柴油机一万向轴一液 力变矩器一万向轴一通风式离合器一皮带并车装置，通过链条传动绞车，通过 万向轴传动钻井泵。驱动转盘的动力由绞车高速端链轮输出，传动路线为下角 传动箱一万向轴一上直角箱一转盘传动装置一万向轴一转盘。绞车主刹车采用 2 西华大学硕士学位论文 带式刹车或液压盘式刹车，辅助刹车采用电磁涡流刹车，转盘传动装置设计为 两档，采用手动换档。机械驱动的钻机特点：控制系统以气、液控制为主，电 控系统简单，钻机价格较电驱动钻机低。其缺点也很明显，工作人员劳动强度 大，风险大，效率低。 2 ) 直流电驱动钻机 a ) 直流调速系统概述 直流电机具有良好的起、制动性能，而且直流调速系统发展较早，无论在 理论上还是实践上都比较成熟，所以在大部分调速领域还在使用。直流电机的 物理模型较为简单，通过控制电机的电流就可以十分方便的控制电机的转矩， 增加速度传感器以后可以满足高精度、高动态性能、宽调速范围等高性能调速 的要求。这样在很长一段时间内，直流调速系统得到广泛的应用。直流调速系 统分为模拟直流调速系统和全数字直流调速系统。 b ) 模拟直流调速系统 模拟直流调速系统是直流控制系统发展历史初、中期的产品。当时由于工 艺水平不高，元件集成化程度不高，系统只能由很多分立元器件通过焊接或导 线连接组成。模拟直流调速系统是将各控制单元集成为更大一级的标准控制 板，不同的控制板再组成不同的控制系统，也有直流调速系统采用若干标准控 制单元板组成，不同的标准控制单元板组成不同功能的模拟控制系统。以后也 发展了半数字半模拟系统又称“三代半”模式系统，即直流传动调节部分采用 模拟量控制，工艺、操作、保护、检测等部分采用微机控制。模拟直流调速系 统因为其制造王艺的限制，一不但体积庞大，而且调试周期长，出现问题也不容 易诊断。 c ) 全数字直流调速系统 全数字直流调速系统的操作、监控、保护及电动机的调速和制动均采用高性 能微处理器实现，具备完善的本机自诊断功能、保护功能和系统保护功能，以 及一目了然的电压、电流、转速等运行参数显示、故障代码显示，使操作和维 护都更加方便。因为采用微处理器，控制系统的各个环节的控制参数均可以非 常方便的进行调整，组态更加灵活。优良的凋节性能可以更好的满足钻机的钻 井工况。系统还具有自适应调节功能可以完成控制参数的自动或手动优化，使 西华大学硕士学位论文 控制系统性能达到最佳状态。 与模拟系统相比，数字系统高度的集成化降低了系统故障率，模块化减少了 处理故障的时间，而且自动优化功能使调节特性更加优良，可靠性也大大增强。 此外，全数字直流调速装置具有的各种扩展和接口功能可以与其他智能仪表和 上位机进行通讯，为实现钻井机械的自动化创造了条件。 d ) 直流数控钻机电驱动系统 直流数控电驱动钻机驱动系统采用a c s c r - d c 电驱动方式，由几台的柴油 发电机组并联后统一向电压等级为6 0 0 v 的交流母线供电。几个可控硅整流柜分 别控制泥浆泵电机、绞车电机和转盘电机。绞车辅助刹车采用电磁涡流刹车， 设置断电、断水( 或失风) 保护及高温报警保护。母线通过一台变压器向交流 电机、照明和生活区供电。司钻台能对绞车、转盘、泥浆泵等进行监视和控制。 直流数控电驱动钻机的特点：s c r 驱动系统采用一对一方式驱动，保证了 绞车和泥浆泵满负荷工况的功率需要；转盘的扭矩限制可以从0 1 0 0 范围内 任意调节；采用s c r 驱动系统实现了对绞车、转盘和泥浆泵的无级调速，获得 良好的钻井特性；系统的传动效率增高。 3 ) 交流变频电驱动钻机 a ) 交流变频调速系统 交流传动与数字控制技术是目前发展最为迅速的技术之一，这是和电力电 子器件制造技术、变流控制技术、自动控制技术以及微型计算机和大规模集成 电路的飞速发展密切相关，并随着以上这些基础技术的发展而得到不断完善。 控制柜可以是单柜方式，也可以是多传动系统和共用直流母线方式。在钻机中 首先利用变频技术的特性，使绞车系统在零转速时实现最大转矩输出，保证钻 机提升系统的悬持功能，彻底改变了传统的司钻操作方式。交流变频技术根据 控制原理的不同，又分为矢量控制和直接转矩控制。 b ) 矢量控制 矢量控制，也称磁场定向控制。它是七十年代初由西德f b l a s s c h k e 等人 首先提出，以直流电动机和交流电动机比较的方法分析阐述了这一原理，由此 开创了交流电动机等效直流电动机控制的先河。它使人们看到交流电动机尽管 控制复杂，但同样可以实现转矩、磁场独立控制的内在本质。矢量控制的基本 4 西华大学硕士学位论文 点是控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流，使之成为转矩和磁 场两个分量，经过坐标变换实现正交或解耦控制。但是，由于转子磁链难以准 确观测，以及矢量变换的复杂性，使得实际控制效果往往难以达至0 理论分析的 效果，这是矢量控制技术在实践上的不足。此外它必须直接或间接地得到转 予磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制，在这种矢量控制系统中需 要配留转子位置或速度传感器，这显然给许多应用场合带来不便。 c ) 直接转矩控制 1 9 8 5 年德国鲁尔大学d e p e n b r o c k 教授首先提出直接转矩控制理论 ( d i r e c t t o r q u e c o n t r 0 1 简称d t c ) 。直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过 控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。转 矩控制的优越性在于：转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息： 控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好；所引入的定子磁链观 测器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地实现无速度传感器化。这种 控制被称为无速度传感器直接转矩控制。然而，这种控制依赖于精确的电机数 学模型和对电机参数的自动识别( i d e n t i f i c a t i o n 向你i d ) ，通过i d 运行自动确 立电机实际的定子阻抗互感、饱和因素、电动机惯量等重要参数，然后根据精 确的电动机模型估算出电动机的实际转矩、定子磁链和转子速度，并由磁链和 转矩的b a n d - - b a n d 控制产生p w m 信号对逆变器的开关状态进行控制。这种系统 可以实现很快的转矩响应速度和很高的速度、转矩控制精度。 1 9 9 5 年a b b 公司首先推出的a c s 6 0 0 直接转矩控制系列，已达到小于2 m s 的转矩响应速度在带p g 转速反馈时的静态速度精度达到0 0 1 ，在不带转速反 馈的情况下即使受到输入电压的变化或负载突变的影响，同样可以达到正负0 1 的速度控制精度。a b b 公司最新a s c 8 0 0 系列性能有了进一步提高。 d ) 交流变频钻机电驱动系统 全数控变频电动钻机的动力控制系统，变频调速控制系统均采用先进的数 字化网络控制技术。钻机具有优异的调速性能，过载能力强，可靠性高，抗干 扰能力强。整套系统采用优化设计、合理布局，使得操作简便、可靠，易于维 护与维修。为提高电控系统的可靠性，主传动部分采用变频器多传动系统和共 用直流母线方式，包括整流系统和逆变系统。整流系统把交流电整流成直流电， 5 西华大学硕士学位论文 为绞车逆变装置、泥浆泵逆变装置、转盘变频装置提供直流电源，通过逆变为 相应的交流变频电机提供电源，进行钻井作业。通过切换系统实现1 台转盘交 流变频电机和1 台顶驱交流变频电机的控制。利用变频技术和全数字控制技术 可以实现钻机自动送钻，送钻时由变频调速系统按照设定恒力矩反拖滚筒，速 度自动跟随，达到恒压稳速送钻目的。全数控变频电动钻机还具备能耗制动功 能，即钻具下放使绞车电机工作在发电状态，形成制动力矩，钻具下放能量通 过逆变系统、制动单元和制动电阻转化为热能消耗掉，从而实现钻具平稳下放。 1 1 2 1 【1 6 】 1 7 1 1 1 3 交流变频和直流数控电传动钻机特点比较 1 ) 共同特点 a ) 直流数控电传动和交流变频电传动钻机的绞车、转盘可实现无级调速，调速 范围宽，这样不仅可去掉绞车、转盘的内变速系统，而且使绞车结构简化、 质量减轻、体积缩小，为工程作业提供了非常优越的施工条件。 b ) 直流数控电传动和交流变频电传动钻机可使电机短时过载倍数达2 倍以上， 提高了钻机提升能力和处理事故的能力。对于井下钻具的事故处理、侧钻、 小泥浆排量作业、优选参数作业十分有利；在带负载情况下，可平稳启动、 制动和调速，具有软启动性能，可降低供电电源的容量。 c ) 直流数控电传动和交流变频电传动钻机可采用计算机自动控制技术；对起下 钻工况和钻进工况实时监控记录，采用计算机远程通迅技术，可对钻机进行 远程数据传输，并可进行远程故障检测，快速解决钻机使用过程中出现的控 制系统问题。 d ) 直流数控电传动和交流变频电传动钻机体积小，单机容量大，具有转盘扭矩 限制功能，可防止钻具扭断。 e ) 直流数控电传动和交流变频电传动钻机钻井泵排量、冲数，转盘转数、扭矩 等参数，能与自动化及仪表系统紧密结合，可实现全数字显示，实现钻机的 自动化、智能化和对外界变化的自适应控制。 2 ) 不同特点 a ) 交流变频电传动钻机具有能耗制动功能，可实现辅助刹车。即交流变频器系 6 西华大学硕士学位论文 统可通过电动机、变频器、制动单元、制动电阻等将位能转换为热能以实现 对重力负载的定量、定位的自动控制，不需要安装电磁刹车，使绞车结构进 一步简化，质量减轻。s c r 电传动钻机无法实现辅助刹车功能。 b ) 交流变频电传动钻机可简化掉绞车、转盘内变速系统，实现无级调速。s c r 电传动系统从理论上讲也可简化掉绞车的内变速系统，但国内夕h 还没有这样 的应用实例。 c ) 交流变频电传动钻机具有辅助刹车功能，采用计算机自动控制技术，可实现 主电机自动送钻。直流数控电传动钻机无法实现主电机自动送钻功能。 d ) 电机维护交流电机没有碳刷换向器，维护费用低，使用安全可靠，易于操作 管理，具有安全保护功能，可实现电机的免维护运行。直流电机有碳刷及换 向器，有换向火花、需定期维护。 e ) 交流变频电传动系统负载功率因数高，能耗低、传动效率高，而直流数控电 传动钻机电传动系统在低速运行时功率因数极低。1 1 8 1 1 2 石油钻机电气系统的发展现状 近年来，随着石油价格的持续走高，各国都在增加原油产量和开采效率上 下工夫，而提高开采效率的关键在于提高石油钻机的自动化程度。而我国利用 自身的资源优势，己逐渐成为国际石油钻机的主要生产和出口国。目前，无论 是国外还是国内，机械行业都在加快机电一体化进程，利用高新技术特别是信 息技术，提高石油钻机的自动化水平，也是石油钻机的发展方向。 1 2 1 国外石油钻机电传动控制系统发展情况 当前，国际石油钻井技术发展的总趋势是以信息化、智能化、自动化为特 点，向自动化钻井阶段发展。国际钻井界自2 0 世纪8 0 年代以来，在随钻测量和 随钻地层评价技术，实时钻井数据采集、处理与应用技术，复杂结构井的产业 化技术，闭环旋转导向钻井技术以及自动化钻机的研制，海洋钻井技术等方面 不断取得突破性进展。这些都是为了最终实现自动化钻井。 德国b e n t e c 公司推出的f o c s 石油钻机电控系统，通过设置基本钻机参数， 7 西华大学硕士学位论文 无需手动控制和操作制动手柄即可完成钻井作业，大大提高了钻机的安全水平 和钻井的经济性。美国p o o l 公司研制的一种集顶部驱动回转钻井、绞车升降、 钻具自动排放、遥控操作钻井泵等设备以及宽大舒适、以透明玻璃罩与井场设 施隔开的控制室组成的全自动钻机，仅由两人在控制室操作，钻井效率和安全 性能非常高。全自动钻机依赖于自动送钻的实现，国外自动送钻大多由绞车完 成，通过对钻压w o b 、钻速r o p 、压差等参数的精确控制，实现自动送钻。【2 1 l 【冽 1 2 2 我国石油钻机电传动控制系统发展现状 4 0 多年来，我国石油钻机经历了仿制、引进、消化、吸收的过程，现已进 入以自主开发为主的阶段。近l o 年来，我国石油钻机技术得到较为快速的发展， 制造能力得到极大提高。特别是近几年，国产电驱动钻机发展迅速，控制水平 从早期的模拟控制上升到目前国际流行的典型三级控制，即上位监控级、p l c 过 程控制级和全数字级构成通信网络。国产石油钻机自动控制技术在钻机上的应 用已达n 2 0 世纪9 0 年代中期国际钻机先进水平，电传动系统达到美国2 0 世纪9 0 年代第四代产水平。但与国外钻机相比还有一定的差距，主要体现在系统的可 靠性和自动化集成上。【3 】【卅 1 2 3 控制技术背景 自2 0 世纪6 0 年代以来，控制室和现场仪表之间开始采用电气信号传输，电 动组合仅表如控箭器显示仪表记录仪也开始大量使用i 1 厂自动化控制体 系初步形成。2 0 世纪7 0 年代中期出现的集散控制系统( d c s ) ，是控制体系结构 的一次大变革。几十年来，d c s 已由以分散控制为主的早期产品发展到了以全面 信息管理为特征的新型综合控制系统，网络通信协议趋于标准化，系统的功能 及性能得到了大幅度的提高。 现场总线是8 0 年代末、9 0 年代初在国际上发展形成的，用于过程自动化、 制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数 字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理 层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布 8 西华大学硕士学位论文 控制系统。这项以智能传感、控制、 合技术，已经受到世界范围的关注， 领域己开始被广泛应用， 计算机、数字通讯等技术为主要内容的综 成为自动化技术发展的热点，在工业控制 现场总线技术由于其本身的巨大优势、并能领导今后自动化技术的发展， 世界各大公司都投入了大量的人力、财力在市场上展开激烈地竞争，目前常用 的、较有生命力的有十多种。为高速传输用户数据而优化的p r o f i b u s d p 总线， 由于特别适用可编程序控制器p l c 与现场分散外设间的通讯，传输速度快，而适 合石油钻机现场电气传动装置多、控制系统分散的特点。 石油钻机是油田生产的主要设备之一。随着油田井深的增加，钻杆会越来 越长，重量越来越重。在钻进的过程中，随着钻井地质条件的变化，要相应调 节钻进的钻压和转速，以提高钻进的速度和防止卡钻的发生。因此对钻机的电 气传动系统的性能有很高的要求，采用高性能的交流传动是解决这一问题最理 想最有效的途径。【2 4 1 2 0 世纪6 0 年代以后，随着电力电子学、微电子技术和现代电机控制理论的 发展，为交流电气传动产品的开发创造了有利条件。当前国际著名的变频器生 产厂家如西门子公司、a b b 都己开发出了大功率的交流变频产品，为石油钻机应 用交流变频电气传动系统奠定了基础。 1 3 石油钻机电气系统发展趋势 石油钻机控制系统的发展是由用户的需求和相关科学技术的发展所推动的。 2 0 世纪9 0 年代以来_ 随着世界经济的持续发展和油气勘探难度的不断增加。国 外在石油钻机型式及其控制技术方面发展很快，并着重在节约原材料、节省钻 井成本、降低开发费用、提高钻井速度、提高单井产量和油田采收率、加速油 田开发、缩短产油周期、延长油井寿命等方面加大相关技术开发力度。同时， 由于油气钻井是一个融多学科的复杂系统工程，钻井过程中变量和数据异常多， 过程结构和数学模型也很复杂，要满足上述对新型钻机的要求，单凭人工经验 和操作熟练程度判断和处理是很不现实的。因此，广泛应用控制领域最新科技 成果，依据积累的经验( 包括钻井专家、现场技术人员和富有经验的操作者等) 和知识( 钻井的基本要求、规范、标准和仿真模型等) 进行在线运算，完成钻井 9 西华大学硕士学位论文 全过程的智能化控制系统，是未来石油钻机控制系统的发展方向。 随着科学技术和制造工艺的提高，人们对自动化的期望日益增加，各种集 成微处理器具有指令处理和程序控制功能的智能元件或单元应运而生，控制系 统正向着小型化、模块化、集成化、智能化发展。由于功效的改善和系统能力 的提高，相关功能区域最大可能集成化，对其它技术、方法和适应性( 转换的可 能性1 以及技术上的简化，无论在近期或未来控制技术都会继续创新，将会推动 石油钻机智能化控制系统进一步发展。【1 1 j 与直流传动系统相比，交流变频电传动钻机具有能耗制动功能，可实现辅 助刹车；采用计算机自动控制技术，可实现钻机的自动送钻。交流电动机没有 碳刷换向器，维护费用低，使用安全可靠，易于操作管理，具有安全保护功能， 可实现电动机的免维护运行；负载功率因数高，能耗低、传动效率高。它突出 的优点决定了在驱动方面交流变频电传动钻机将是未来石油钻机发展的主要方 向。【2 q 1 4 课题的意义 国产石油钻机在利用信息技术方面，与国外和国内其它行业相比，有着较 大差距，在很大程度上影响了石油企业的经济效益。而提高石油钻机的自动化 水平对降低生产成本，提高企业效益是一个非常重要的因素。另外，提高石油 钻机的自动化水平以满足在国外钻井市场竞争的要求，开拓国内外石油市场也 具有十分重要的意义。【1 3 】 本课题将立足国际钻井市场，研究设计出基于p r o f i b u s 现场总线技术 的交流变频电驱动钻机的全集成控制系统。钻机动力控制系统，变频调速控制 系统均采用先进的数字化网络控制技术。钻机操作控制系统实现了全数字化， 系统采集电气参数和钻井参数转换为数字信号，通过触摸屏、工控机、p l c 和 总线通讯进行计算并控制电气参数和钻井参数，实现钻机的数字化操作功能， 满足参数( 信号) 的显示、存储、打印、远程监控和管理。 钻机的数字控制系统将在硬件上为开展智能化钻井搭建了一个坚实的平 台。随着钻井经验数据库的建立和应用软件的开发，以及融有钻井专家系统的 远程钻井系统的建立，智能优化钻井将变成现实，使油气钻井产生崭新的发展 西华大学硕士学位论文 和飞跃。 1 5 课题的任务 课题主要任务就是将现场总线技术、变频技术应用到石油钻机的电传动系 统中，从而设计出一套符合现代控制理念的，全集成自动化的交流变频电传动 钻机的电气控制系统。本课题将主要完成以下研究： 1 ) 钻机交流变频电气传动系统设计及控制系统通讯网络设计； 2 ) 变频电传动钻机控制系统主要设备选型与系统集成： 3 ) p l c 控制程序设计； 4 ) 司钻触摸屏人机操作界面设计； 5 ) 基于w l n c c 组态软件的钻机监测系统设计； 6 ) 变频电传动钻机电气性能工业试验报告。 1 6 小结 本章主要阐述了石油钻机电气控制系统在国际国内的现状及发展，同时也 对石油钻机的电传动系统做了较全面的介绍，而结合现场总线技术的全集成自 动化的交流变频电传动钻机将是现阶段石油钻机发展的主要方向。最后说明了 课题的意义及需要完成的任务。 1 1 西华大学硕士学位论文 2 p r o f i b u s 现场总线理论基础 2 i 现场总线概述 2 1 i 现场总线概念 目前，公认的现场总线技术概念描述如下：现场总线是安装在生产过程区 域的现场设备、仪表与控制室内的自动控制装置、系统之间的一种串行、数字 式、多点通信的数据总线。其中，“生产过程”包括断续生产过程和连续生产过 程两类。或者，现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备 作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的 网络系统与控制系统。 2 i 2 现场总线技术产生的意义 现场总线( f i e l d b u s ) 技术是实现现场级控制设备数字化通信的一种工业现 场层网络通信技术；是一次工业现场级设备通信的数字化革命。现场总线技术 可使用一条通信电缆将现场设备( 智能化、带有通信接口) 连接，用数字化通 信代替4 - 2 0 m a 2 4 v d c 信号，完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。 传统的现场级自动化监控系统采用一对一连线的4 - 2 0 m a 2 4 v d c 信号，信 息量有限，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，使自控系统成为 工厂中的“信息孤岛”i 严重制约了企业信息集成及企业综合自动化的实现。 基于现场总线的自动化监控系统采用计算机数字化通信技术，使自控系统 与设备加入工厂信息网络，构成企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆盖范 围一直延伸到生产现场。在c i m s 系统中，现场总线是工厂计算机网络到现场 级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。图2 1 是基于现 场总线技术的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统。 西华大学硕士学位论文 f i g 2 - i r o b o t i c i z c dc o n t r o la n di n f o r m a t i o ni n t e r g r a t i o ns y s t e mb a s e d0 nf i c l d b u s 图2 - 1 基于现场总线的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统 2 1 3 基于现场总线的自动化监控及信息集成系统主要优点 要使用同一总线标准，就具有互操作性、互换性，因此设备具有很好的可 集成性。系统为开放式，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、 工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，市场上将有许多面向行业特点 的监控系统。它们具有一些共同优点： 1 ) 系统可靠性高、可维护性好 西华大学硕士学位论文 基于现场总线的自动化监控系统采用总线连接方式替代一对的i o 连 线，对于大规模i o 系统来说，减少了由接线点造成的不可靠因素。同时，系 统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程 参数设定、修改等参数化工作，也增强了系统的可维护性。 2 ) 降低了系统及工程成本 对大范围、大规模i o 的分布式系统来说，省去了大量的电缆、i o 模块及 电缆敷设工程费用，降低了系统及工程成本。 2 2 现场总线标准 现场总线技术得以实现的一个关键问题，是要在自动化行业中形成一个制 造商们共同遵守的现场总线通信协议技术标准，制造商们能按照标准生产品， 系统集成商门能按照标准将不同产品组成系统。这就提出了现场总线标准的问 题。国际上著名自动化产品及现场设备生产厂家，意识到现场总线技术是未来 发展方向，纷纷结成企业联盟，推出自己的总线标准及产品，在市场上培养用 户、扩大影响，并积极支持国际标准组织制定现场总线国际标准。能否使自己 总线技术标准在未来国际标准中占有较大比例成份，关系到该公司相关产品前 途、用户的信任及企业的名誉。而历史经验证明：国际标准都是采用一个或几 个市场上最成功的技术为基础。因此，各大国际公司在制定现场总线国际标准 中的竞争，体现了各公司在技术领先地位上的竞争，而其最终还是要归结到市 场实力的竞争。 目前国际上现有各种总线及总线标准不下二百多种。其中以p r o f i b u s 现场 总线在国内自动化领域的应用最为普遍。具有一定影响和己占有一定市场份额 的总线有如下几种： 2 2 1 p r o f i b u s 现场总线 1 9 9 6 年3 月1 5 日批准为欧洲标准。p r o f i b u s 产品在世界市场上己被普遍 接受，市场份额占欧洲首位，年增长率2 5 。目前支持p r o f i b u s 标准的产品超 过1 5 0 0 多种，分别来自国际上2 5 0 多个生产厂家。在世界范围内已安装运行的 1 4 西华大学硕士学位论文 p r o f i b u s 设备己超过2 0 0 万台，到1 9 9 8 年5 月，适用于过程自动化的 p r o f i b u s - p a 仪表设备在1 9 个国家的4 0 个用户厂家投入现场运行。1 9 8 5 年组 建了p r o f i b u s 国际支持中心；1 9 8 9 年1 2 月建立了p r o f i b u s 用户组织( p n o ) 。 目前在世界各地相继组建了2 0 个地区性的用户组织，企业会员近6 5 0 家。1 9 9 7 年7 月组建了中国现场总线( p r o f i b u s ) 专业委员会，并筹建现场总线p r o f i b u s 产品演示及认证的实验室。 p r o f i b u s 主要应用领域有：制造业自动化、过程控制自动化、屯力、楼字、 铁路交通等。 2 2 2 f f 现场总线 1 9 9 4 年由i s p 基金会和w o r l df i p ( 北美) 两大集团合并成立f f 基金会， 其宗旨在于开发出符合i e c 和i s o 标准的、唯一的国际现场总线( f u n d a t j o n f i e l d b u s ) 。低速总线( h 1 ) 协议己于1 9 9 6 年发表。己完成开发的高速总线( h 2 ) 在1 9 9 8 年发表。1 9 9 7 年5 月建立了中国现场总线( f f ) 专业委员会，并筹建 f f 现场总线产品认证中心。目前，f f 现场总线的应用领域以过程自动化为主。 如：化工、电力厂实验系统、废水处理、油田等行业。 2 2 3 l o n w o r k s 总线 l o n w o r k s 现场总线全称为l o n w o r k sn e t w o r k s ，即分布式智能控制网络技 术，希望推出能够适合各种现场总线应用场合的测控网络。目前l o n g w o r k s 应 用范围广泛，主要包括工业控制、楼字自动化、数据采集、s c a d a 系统等。国 内主要应用于楼宇自动化方面。 2 2 4 c a n b u s 现场总线 c a n b u s 现场总线己由i s 0 t c 2 2 技术委员会批准为国际标准i o sl1 8 9 8 ( 通 讯速率小于1 m b p s ) 和i s 01 1 5 1 9 ( 通讯速率小于1 2 5 k b p s ) 。c a n b u s 主要产品 应用于汽车制造、公共交通车辆、机器人、液压系统、分散型i o 。另外在电 西华大学硕士学位论文 梯、医疗器械、工具机床、楼宇自动化等场合均有所应用。 2 2 5 w o r l d f i p 现场总线 9 0 - - 9 1 年f i p 现场总线成为法国国家安全标准。9 6 年成为欧洲标准( e n 5 0 1 7 0v 3 ) 。下一步目标是靠近i e c 标准，现在技术上已做好充分准备。w o r l d f i p 现场总线采用单一总线结构来适应不同应用领域的需求，不同应用领域采用不 同的总线速率。过程控制采用3 1 2 5 k b i t s ，制造业为1 m b i t s ，驱动控制为 1 - 2 5 m b i t s 。采用总线仲裁器和优先级来管理总线上( 包括各支线) 的各控制 站的通信。可进行1 对1 、1 对多点( 组) 、1 对全体等多重通信方式。在应用 系统中，可采用双总线结构，其中一条总线为备用线，增加了系统运行的安全 性。 2 3 现场场总线p r o f i b u s 技术特点 p r o f i b u s 的设计主要用于设备一级的高速数据的传送，在一般情况下，主 站通过高速串行线同现场设备进行通讯，这些数据交换多半是周期性的；但在 d p 的扩展功能也规定了非周期性的通讯，即如现场设备的报警、诊断等重要信 号可中断循环性的数据传送，进行平行的应答。 2 3 1 p r o f i b u s 概貌 1 ) p r o f i b u s 是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。 广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领 域自动化。 2 ) p r o f i b u s 由三个兼容部分组成，即p r o f i b u s d p ( d e c e n t r a l i z e d p e r i p h e r y ) 、p r o f i b u s p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) 、p r o f i b u s f m s ( f i e l d b u s m e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 。 3 ) p r o f i b u s p a ：专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线 上，并有本征安全规范。 4 ) p r o f i b u s f m s ：用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。 1 6 西华大学硕士学位论文 5 ) p r o f b u s 是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制 的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现 场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的 解决方案。 2 3 2 p r o f i b u s 基本特性 p r o f i b u s 协议结构是根据i s 0 7 4 9 8 国际标准，以开放式系统互联网络( o p e n s y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n s 1 0 ) 作为参考模型的。该模型共有七层，如下图2 2 所示： 1 ) p r o f i b u s o p ：定义了第一、二层和用户接口，第三到七层未加描述。用户 接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各 种不同p r o f i b u s d p 设备的设备行为。 2 ) p r o f i b u s f m s ：定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线信息规范 ( f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n f m s ) 和低层接口( l o w e rl a y e r i n t e r f a c e - l l i ) 。f m s 包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有 力的通信服务。l l i 协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接 口。 3 ) p r o f i b u s p a ：p a 的数据传输采用扩展的p r o f i b u s d p 协议。另外，p a 还 描述了现场设备行为的p a 行规。根据i e c l1 5 8 2 标准，p 的传输技术可确 保其本征安全性，而且可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在d p 上 扩展p a 网络。 2 3 3 p r o f i b u s 传输技术 p r o f i b u s 提供了三种数据传输类型： 用于d p 和f m s 的r s 4 8 5 传输。 用于p a 的i e c l l 5 8 2 传输。 光纤 1 ) 用于d p f m s 的r s 4 8 5 传输技术 1 7 西华大学硕士学位论文 由于d p 与f m s 系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因而， 这两套系统可在同一根电缆上同时操作。 r s 一4 8 5 传输是p r o f i b u s 最常用