盘刹钻机自动送钻系统的研究毕业论文.doc

盘刹钻机自动送钻系统的研究摘 要：自动送钻系统是根据石油钻井工艺要求而开发的一种新型的控制系统。使用自动送钻系统不仅能够降低司钻工人的劳动强度，而且还可以提高钻井速度、降低钻井成本。本文首先介绍了自动送钻的发展状况以及石油钻机工艺，而后阐述了以西门子s7-300PLC为中心的控制系统。本文描述的自动送钻系统是一套基于液压盘式刹车的系统，即通过控制盘式刹车的刹车力，来维持钻头处的钻压基本稳定，实现自动送钻。在工程实际中，需控制的系统常常存在着不确定性、高度非线性、时变、时滞等特性，要建立精确的数学模型往往是比较困难的，钻井过程就具有这样的性质。因此，智能控制应运而生。其中以基于模糊规则、建立在模糊逻辑基础上的模糊控制在理论上较为成熟，在应用中行之有效。本文将模糊控制应用于石油钻井的自动送钻系统，以求获得良好的计算机实时控制效果。本文最后简要介绍了自动送钻监控系统的人机界面设计，设计宗旨是简单、明了、易操作。关键词：自动送钻，PLC，模糊控制， Abstract：The auto-driller is a kind of new control system according to the technology of oil-drilling .The working violence of worker during operating driller can be reduced ,the velocity of oil-drilling can be improved and the cost of oil-drilling can also be reduced if we use the auto-driller system to drill oil .In this paper ,I described development of the auto-driller system and the technique of driller ,then the composing of control system that as the center to siemens s7-300PLC is described .The auto-driller system which the paper described is based on the disc brake ,the skid strength from the disc brake can maintain the press of the drill ,thus the drilling can operated at approximately a constant press .For many engineering control projects it is difficult to obtain a precise mathematical model of the system because the system is very complex ,nonlinear and uncertain ,drilling has this Characteristics .In order to overcome these difficulties ,intelligent control emerge as times require as basis of the intelligent automation .The theory of fuzzy control ,including fuzzy rules and fuzzy logic ,is relatively mature ,and used effectively .This paper proposes to use adaptive fuzzy control in field of auto-driller system to obtain favorable real time control effect .At the last of the paper ,I described the HMI of the auto-driller system ,the aim of the design is simple ,clear and easy to operate .Keywords: Auto-driller PLC Fuzzy control 目录1 绪论11.1 课题背景11.2 国内外发展现状21.2.1 国外发展现状21.2.2 国内发展现状41.2.3 我国自动送钻系统存在的问题及改进意见51.3 本论文的主要内容62 石油钻机的设备和工艺72.1 石油钻机设备72.1.1 概述72.1.2 钻机的组成72.2 钻机工作原理92.3 钻井过程简述93 钻机控制系统设计103.1 控制系统概述103.2 控制系统硬件组成123.3 控制系统监控点数统计133.4 主要硬件设备选型153.4.1 工控机的选用153.4.2 触摸屏的选用163.4.3 PLC的选用173.4.4 主要传感器的选用183.4.5 手把电位器223.4.6 滚筒编码器224 系统控制算法244.1 概述244.2 绞车控制算法244.2.1 钻压控制原理244.2.2 自动送钻策略254.3 钻压调节器的控制算法264.3.1 数学模型分析264.3.2 控制策略的选择274.3.3 模糊控制概述294.3.4 钻压控制的模糊控制器设计324.4 游车控制原理354.4.1游车大钩的特点354.4.2游车防碰模型364.5 转盘控制算法374.5.1 控制策略的确定374.5.2 转盘转速控制算法的实现385 自动送钻系统软件设计405.1 概述405.2 监控系统结构415.3 s7-300与组态软件Wincc之间的通信415.3.1 Wincc组态软件简介415.3.2 通信方法425.4 控制系统人机界面（HMI）设计436 系统硬件接线497 结论50致 谢51参考文献521 绪论1.1 课题背景石油和天然气是宝贵的能源和化工原料，它们埋藏在地下几百米，上千米甚至超过万米的岩石中。为了寻找油气藏和开采石油天然气，需要钻井。因此，一套技术先进、工作可靠的钻井设备对油田开发是至关重要的。自动送钻系统是钻井体系的一个重要组成部分，它的投入使用不仅能降低司钻工人的劳动强度，还能提高钻井速度，降低钻井成本。因此研发一套技术先进、工作可靠、功能强大的自动送钻系统已成为许多科技工作者追求的热点课题之一。自动送钻是指钻机(采用旋转式钻井法)在正常钻进过程中，不依靠司钻调节，而是按钻井工艺要求，让送钻装置在给定的条件下实现钻头的自动进给。这里的给定条件是指钻压、转速、扭拒等，自动送钻装置维持恒条件钻井。国内外广泛采用的是进行恒钻压钻井。由于钻进是钻井工艺过程中最主要的功能之一，因此自动送钻装置的研制在实现钻机自动化的历史使命中占有十分重要的地位。之所以采用自动送钻装置，是因为传统的人工控制给进钻井存在以下的缺点：1. 司钻长时间注意力高度集中，如观看指重表、钢绳放出情况，频繁地抬起与下放刹把，其精神、体力劳动强度大，极易疲劳，因此也就不可避免地发生溜钻或顿钻事故，钻井是不安全的；2. 司钻手持刹把控制给进是间断的，特别是每个司钻的操作技术水平不同，送钻质量也因人而异，直接影响了钻井质量。人工控制给进钻井，井壁质量较差、取芯率较低、容易发生井斜和卡钻事故；3. 司钻控制给进时，凭经验进行操作，这导致钻头的轴承负荷变化较大，加快了钻头的磨损，从而缩短了钻头的使用寿命。随着微机技术与机、电、液一体化的发展普及，钻井技术逐步向高效率、高精度、低劳动强度，高度自动化方向发展。作为钻机自动化部件之一的自动送钻装置，在国外，尤其是在美国已经得到广泛应用。近年来，由于钻井技术不断发展与革新，对钻井速度和钻井质量提出了更高的要求。.尤其是四合一钻头(镶齿、密封、滑动轴承、喷射)出现后，钻头寿命大大提高了，相应地延长了司钻的操作时间。此刻，如何确保钻井过程安全可靠、不溜钻、不顿钻等，则有必要要求钻机配备自动送钻装置，让司钻从繁重的体力劳动中解放脚来。这是钻井工艺发展的必然。所以，目前各国都重视自动送钻的研制与应用。在国外，如美国、前苏联、前西德、罗马尼亚等在钻机上使用自动送钻装置的实践表明，自动送钻能减轻工人的劳动强度；送钻质量提高，钻井事故减少；钻头使用寿命提高，增加了每只钻头进尺量;提高了机械钻速及综合效益。在现代的钻井过程中，世界各国广泛采用自动送钻装置，以替代人工送钻，钻井过程正从人工控制阶段向采用自动送钻技术自动控制阶段发展。在我国，自动送钻技术也在逐渐推广应用，经过多年的研制和发展，现在自动送钻装置种类繁多。当前，钻机不配备自动送钻装置已被认为是一种落后的表现，可以预见，不久，它就会成为钻机不可缺少的组成部分。1.2 国内外发展现状1.2.1 国外发展现状随着钻机的日益发展和完善，钻机给进机构的自动化问题，在国外早已受到了人们的重视。前苏联早在1924年就在阿塞拜疆油田第一次实现了钻头给进自动化。美国于1938年在开特尔门油田首次使用了自动送钻装置。经过多年来的研制和发展，现在自动送钻装置类型繁多，而以美国的技术和装置最为先进。如:1. 美6-B型自动送钻装置其特点是:钻压讯号的变化转化为气马达转速的改变，滚筒转速采用机械式反馈系统，使用安全可靠，不受环境的影响，能正常连续钻井。如图1-1所示。图1-1 美6-B型自动送钻装置2. 美卫星型自动送钻装置其特点是：气压驱动，机械反馈，使用安全可靠，适应各种地层岩石钻井的需要可以连续自动钻井。如图1-2所示。图1-2 美卫星型自动送钻装置3. 美G.P.公司自动送钻装置和美国Cat型自动送钻装置其特点是：气驱动，气反馈，是一种全气动自动送钻装置。4. 美国VarcoM/DTote公司新型电子自动送钻装置近几年来，美国VarcoM/DTotco公司在现有自动送钻装置的技术基础上开发创新，试验成功新型电子自动送钻装置，实现了连续均匀自动送钻，大大地提高了钻井质量、效率和速度，成为目前世界上较先进的新型自动送钻装置。这种新型电子自动送钻装置，由电子触屏输入输出开关、控制器、信息(钻压等钻井参数)反馈系统和计算机控多盘刹车等4个部分组成。在电子触屏面上，可选择的钻井参数有钻压、压差、机械钻速、钻杆扭矩、游车最高和最低限位。这些参数可以以坐标和数字两种形式同时在电子触屏面上显示。还可以以数字形式显示顶驱的工作转速。控制器接受电子触屏输入输出开关的指令，同时接受反馈系统传递的钻井参数变化信息，并进行计算、分析和比较之后，再发出指令给计算机控多盘刹车，改变刹车的工作转速或保持一定的匀速转速进行自动送钻。其具有优良的钻井性能；自动送钻均匀；起下钻和下套管作业性能良好:电子控制系统动作灵敏；监控钻井参数多等优点。另外，其它国家也研制开发了多种自动送钻装置。如:1. 原苏联M-1型自动送钻装置原苏联M-1型自动送钻装置的特点：气驱动，输出气讯号控制增速箱上面的。400mm摩擦轮，再通过传动比为276.3的增速箱和传动比为1.7的链条传动副驱动绞车的滚筒轴，进行自动送钻;有一个14KW的事故电动机，当钻机传动系统出现故障时，为了确保井下安全，可用该电机以较慢的速度将井下钻具提起来，以防止可能发生的卡钻事故。2. 原苏联P-3型自动送钻装置原苏联乌拉尔重型机械制造厂和巴里卡德厂生产，用于大钩最大载荷8000 KN，1250KN，2000KN的石油钻机。经过现场使用效果较好，自动给进精度较高，使用安全可靠。但是结构复杂，造价高。这种装置的总体方案是一种带磁力放大器的发电机电动机直流电驱动式自动送钻装置。其主传动方式为电气式。3. 罗马尼亚DAAS-G型自动送钻装置DAAS-G型自动送钻装置是一台电动减速器，主传动方式为液动式。电动机在处理事故时，可以22m1h提升速度提升钻柱。还用于在井场具备电力而没有钻机动力机组时起升井架。电动机功率22KW，转速1300r/min，减速器为直齿行星齿轮，速比为60.72,输入轴扭矩为40N.m输出轴扭矩为26600 N . m.齿轮油泵供油润滑。DAAS-G型自动送钻装置，使用于最大钻柱重量250t、钻压变化范围。0.10.3t，自动送钻速度为0. 3m/h-1.5m/h的上况。4. 德国自动送钻装置德国德马克公司生产的自动送钻装置工作原理如下:在指重表上面有三个仪表盘，L指示大钩负荷，X指示钻头施加给地层岩石的钻压，Xw表在零点时，为司钻给定的特定值钻压。当指针偏离零点时，表示实际钻压值超过或小于给定的特定值钻压。Xw讯号经过放大器放大之后，输入电动机，使滚筒加速或减速旋转。电动机与绞车之间用齿轮减速箱联接。放大器包括一组初级电子阀和一组磁力放大器。自动送钻电动机为3kw直流并绕电动机，并带有蜗杆蜗轮减速箱，有两挡速度。该减速箱设计时，还考虑到用于提升钻具作业的要求。操纵台包括电位计、操纵机构、断电器、指示灯、人工控制给进和自动控制给进的转换开关，用于自动送钻装置的手轮。该手轮可用于控制自动送钻速度和提升钻具速度。装在大钩上的筒形传感器用电缆插头联接，不用时可以拔出插销。在不需要精确控制钻压的钻井中，可以把插销与死绳固定器或传感器相联接。1.2.2 国内发展现状20世纪90年代以来，国内自动送钻的研究随石油钻机的发展而逐渐发展起来。1995年由兰州石油机械研究所与胜利石油管理局共同研制的ZJ32SL1型钻机，其自动送钻系统具有如下的特点:刹车机构采用液压盘式刹车，能顺利完成接单根、送钻、起下钻等各项作业，司钻可坐在司钻房内远距离操作，改善了司钻的工作环境，减轻了司钻的劳动强度。90年代中后期，我国科技人员和有关单位将交流变频调速技术用于自动送钻系统的试验和研究工作。1998年由宝鸡石油机械厂研制生产的第一台ZJ15DB型浅井数控交流变频钻机，采用交流变频装置控制电动机实现对钻机的驱动，其自动送钻系统具有如下特点:能将下钻过程中的势能反送到电网，节约能源，且实现了恒钻压自动送钻的控制。1999年，由兰州石油化工机械厂、辽河油田等单位共同研制的我国第一台中深井JZ40/2520DB型交流变频调速电驱动石油钻机，其自动送钻系统具有如下特点:采用数字控制技术，可靠性高，自诊断和保护功能强，易于实现自动控制;绞车配有电磁涡流刹车，下钻平稳，省力，并能延长刹车轮的使用寿命，此项研究的成功，标志着我国石油机械及其控制系统又迈上了一个新台阶。1.2.3 我国自动送钻系统存在的问题及改进意见1. 存在的问题（1）绞车结构与选择盘式刹车不协调。除车装钻机外,在我国生产的最先进的交流变频钻机和传统钻机上,绞车所配备的主刹车几乎全是液压盘式刹车,同时又采用了VARCO公司的绞车结构形式,即电机放置在滚筒轴后部。由于液压盘式刹车自身径向尺寸大,再加上后部安放的电机,使得盘式刹车外壳凸起很大一块,绞车结构比例失调。钻机绞车虽然实现了交流变频的功能,但失去了设计美感,结构很不协调。（2）自动送钻装置使绞车结构更加零乱。采用的自动送钻系统均为BENTEC和WIRTH公司的辅助小电机反拖结构,但有些将其设计在滚筒轴的一端,与滚筒轴平行；有些设计在滚筒轴后位。但无论怎样放置都使绞车的整体结构十分零乱。（3）气推水冷盘式刹车仍依赖进口,国内还没有生产。（4）对自动送钻系统的作用认识不足,投入不够,研究不深。2. 系统改进意见（1）研究开发VARCO电子司钻形式的自动送钻系统：采用VARCO公司绞车的结构形式,即目前采用的结构形式,电机放置在滚筒轴后部,主刹车配备ETAON公司的气推水冷盘式刹车,取消液压盘式刹车和自动送钻小电机,研究开发以气推水冷盘式刹车为刹车的自动送钻系统。ETAON公司盘式刹车的价格目前可以接受,但VARCO公司的电子司钻价格昂贵,国内钻井承包商无法承受,需自行研制。应用气推水冷盘式刹车,由于钻机控制气压通常在1 MPa左右,在调压范围非常小的情况下来精确控制钻压十分困难,需进行专项研究开发。（2）研究开发以液压盘式刹车为刹车的自动送钻系统：采用VARCO公司的绞车结构形式,改进液压盘式刹车,取消自动送钻辅助小电机。为了克服液压盘式刹车径向尺寸大,向前凸出的问题,可考虑减小刹车盘径向尺寸；为了保证足够制动力矩,液压盘式刹车可由目前的2组增加到多组,也可适当提高液压压力。多组盘式刹车可设计在滚筒轴一端、两端或目前的位置,具体结构需研究和优化。（3）主刹车和辅助刹车一体化：在绞车使用带刹车的时代,为了减轻司钻的劳动强度,延长刹车副寿命,通常需配备辅助刹车水刹车。如今司钻是在操作手柄,劳动强度和工作环境大大改善,在这种情况下,没有必要再把主刹车与辅助刹车分得一清二楚,让2套刹车系统独立运作。也就是说,如果所应用的盘式刹车非常可靠,其寿命又达到了设计要求,可以把主刹车与辅助刹车合二为一。当绞车在不同工况下运行时,可通过控制系统使多组盘式刹车的其中1组、2组或3组工作,在这种情况下盘式刹车发挥了主刹车和辅助刹车的作用,从而可取代能耗制动辅助刹车和常规辅助刹车,简化钻机结构和部件配置。（4）简化绞车结构：在应用交流变频、能耗制动等成熟技术的情况下,不应再设计专门的辅助刹车。1.3 本论文的主要内容本论文的主要目的是进行自动送钻系统的研究，对自动送钻系统的国内外发展现状做详细的了解。确定监控系统设计，以西门子公司的s7-300PLC为监控基础，确定监控点数以及硬件设备选型。由于钻井工艺的复杂性和参数的不确定性，本文采用模糊控制法来控制钻压，以达到恒钻压钻井的目的，这是本文的中心内容。最后本论文完成了自动送钻的人机监控画面，并简要介绍了硬件设备的接线。2 石油钻机的设备和工艺2.1 石油钻机设备2.1.1 概述石油钻机主要是用于钻油气井的一套重型联合机组。目前，国内外的钻井方法主要是旋转钻井法。所用钻机主要由动力机、传动机、工作机及辅助设备组成。钻井工艺对石油钻机的基本要求是：1.起下钻具能力为了起下钻具及处理井下事故等，要有一定的起重能力和起升速度。由钻机的起升系统承担。2.旋转钻进能力为了带动钻具、钻头旋转钻进等，要有一定的转矩和转速。由钻机的旋转系统承担。3.循环洗井能力为了保证正常钻进、冲洗井底及携带岩屑等，循环钻井液要有一定的压力和排量。由钻机的循环系统承担。2.1.2 钻机的组成一部完整的陆地钻机由八大系统及其相应设备组成，如图2-1所示。1. 起升系统起升系统是由绞车(11)、井架(18)、天车(14)、游动滑车(游车)(15)、大钩(16)及钢丝绳(17)等组成。游动系统(天车、游车、钢丝绳)及大钩悬挂在井架内。绞车的起升工作是动力通过传动装置传递的，起升作业时还用一些辅助设备，如吊环、卡瓦、吊钳及钻具运移机构等。起升系统设备的主要功用是起下钻具、控制钻压送钻、更换钻头和下套管等。2. 旋转系统旋转系统是由地面的转盘(1)、水龙头(2)和井下钻具(5)、钻头(4)等组成。该系统的主要功用是带动井下钻具、钻头等旋转、破碎岩石(钻进)及连接起升系统和钻井液循环系统。3. 钻井液循环系统钻井液循环系统设备很多，主要由钻井泵(6)、地面高压(低压)管汇 (7)、立管、水龙带、钻井液循环、净化、处理、配置设备及井下钻具、钻头等组成。该系统设备的主要功用是通过钻井泵将钻井液送至立管、水龙带、水龙头(2)、方钻杆、井下钻柱及钻头后冲洗井底，携带岩屑从环空(即井眼与钻具之间的空隙)带出地面，以利正常钻井。4. 动力驱动设备目前一些老式钻机采用柴油机为动力;也有用柴油机带动交流发电机经过整流后，用直流电动机作钻机的动力;由于交流调速技术的发展，现在还有用交流电动机为动力直接驱动钻机设备。图2-1 石油钻机组成1. 转盘；2. 水龙头；3. 钻杆柱；4. 钻头；5. 钻铤与井底动力钻具6. 钻井泵；7.地面管汇；8. 钻井液池；9. 钻井液槽；10. 振动筛；11. 绞车；12.猫头；13. 滚筒辅助刹车；14天车；15.游车；l6.大钩；17.游动系统钢丝绳；18.井架；19. 动力机；20.钻台底座；21.井口装置防喷器人钩；5. 传动系统传动系统设备又称联动机组，指的是动力机与工作机之间的各种传动设备及部件。钻机的传动方式，一般是机械、电、液、气传动的联合使用。大部分转盘钻机目前是机械传动为主其它传动为辅的联合传动。机械传动主要包括齿轮、链轮、链条、皮带轮、皮带、轴及轴承等组成的减速、变速装置。6. 控制系统现在较先进的钻机多以机械、电、气、液联合控制。机械控制设备有手柄、踏板、操纵杆等;气动(液动)控制设备有气(液)元件、工作缸等；电控制设备有变阻器、电位器、继电器、微型控制器等。该系统设备的功用是根据钻井工艺的要求，使每台工作机操作时反应迅速、动作准确可靠、便于集中控制和自动记录等，使操作者能够按自己的意愿保证钻机各部件的安全、正常工作。7. 钻机底座钻机底座主要由钻台底座、机泵底座及主要辅助设备底座组成。一般是采用型钢或管材焊接成简单的几何体。钻机底座的功用是:便于安装固定钻机的各种设备，满足搬迁的要求。8. 钻机的辅助设备现代化的钻机还必须有大批的辅助设备，如供电，供气，供水，供油，防喷设施，钻井液的配制、储存、处理设施及各种仪器和自动记录仪表。还要有采暖等其它辅助设备。2.2 钻机工作原理上一小节介绍了石油钻机的组成，从中我们可以看出石油钻机的工作过程。参图2-1，钻进部分由纵向运动和水平旋转运动两部分组成，它们构成了钻机的主要运动部分。其中纵向运动部分由绞车(11)带动，并通过游车(15) (含滑轮组)带动整个钻具，负责钻具的上升和下降(在钻井过程中一般只有钻具下降，而钻具的起升一般是在更换钻头或增加钻杆的情况下才发生的)；而水平旋转运动由动力机组带动钻杆上的转盘(1)来驱使钻杆水平旋转从而带动井底钻头旋转，以破碎岩石，保证钻头的持续向下钻进。图中其余部分为辅助钻井部分，它们配合钻进部分工作从而达到更好的钻进效果，所以也是石油钻机必不可少的组成部分，但本文所论述的控制部分只是针对钻进部分而设计的，所以这里不多介绍辅助钻井部分。2.3 钻井过程简述石油埋藏在地下几百米乃至上万米的地下岩层中，为了勘探和开采石油、天然气，就需要进行钻井作业，即破碎岩石，取出岩屑，形成一个从地面到油气层的牢固的通道。一口井从开钻到完钻，需要经过3个过程：一是破碎岩石；二是取出岩屑，保护井壁；三是固井和完井，形成油气流通道。现代钻井方法主要是旋转钻井法。井架、天车、游车、大钩及绞车组成起升系统，以悬持、提升、下放钻柱。接在水龙头下的方钻杆卡在转盘中，下部承接钻杆柱、钻铤、钻头。钻杆柱是中空的，可通入清水或钻井液。工作时，动力机驱动转盘，通过方钻杆带动井中钻杆柱，从而带动钻头旋转。控制绞车刹把，可调节由钻杆柱重量施加到钻头上的压力（俗称钻压）大小，使钻头以适当压力压在岩石面上，连续旋转破碎岩层。与此同时，动力机驱动钻井泵，使钻井液从钻头水眼喷入井底，携带被钻头破碎的岩屑通过钻杆柱和井筒间的环形空间返回地面，进行钻井液循环，这样就可以实现连续钻井作业。3 钻机控制系统设计3.1 控制系统概述钻机机电控制系统，主要由以下几个子系统组成:1. 绞车、转盘、自动送钻、自动起下钻及游车防碰系统其中绞车控制系统是主要的，它用来控制井底钻压，同时肩负着自动送钻和自动起下钻的任务，游车防碰系统也是通过对绞车控制来实现的;转盘控制系统用来控制转盘转速和扭矩，以实现最优钻进。自动送钻系统利用液压盘式刹车，在无人操作的情况下控制绞车下钻速度，从而有效、精确地控制钻压肩动起下钻程序能够在更换钻头等需要起钻或下放钻头的情况下实现快速无人操作，辅助刹车采用电机能耗制动方式，使控制效果达到最佳;游车防碰系统能自动地计算游车运行的上下限，有效地防止游动系统上碰下砸，从而防止事故的发生。2. MCC(电机控制中心)系统钻机系统是一个复杂、庞大的系统，只有在做好所有准备工作之后才能进行下钻工作。准备工作很多，如所有电机的风机要先工作。下钻过程中同样需要辅助配合，如加重泵、泥浆泵、回流灌注泵等的控制。因此要达到良好的钻进效果就需要协调好钻机的各部分，于是MCC控制系统就显得很重要。但MCC控制系统中不涉及复杂的算法，只是要求顺序控制和一定的连锁、互锁等，所以本文中不把其作为重点。3. 智能仪表系统一体化钻机控制系统的仪表系统山控制器(PLC)、远程I/O.工业局域网(Profibus-DP网络)、监视器、传感器等组成。用来实现数据的实时采集和各参数的实时显示。其中主要涉及的传感器有：绞车编码器： 用来检测滚筒的转速以间接检测钻进速度。悬重传感器： 用来检测游车的悬重以间接检测钻压。泥浆池液位传感器： 用来检测泥浆池的液面高度。出口流量变送器： 用于检测泥浆泵的出口泥浆流量。泵冲传感器： 用于检测泥浆泵的转速。吊钳扭矩传感器： 用于检测液压大钳的扭矩。盘刹压力变送器： 用于检测盘刹系统中液压力。4. 智能送钻操作和监视系统智能化远程司钻电控箱(司钻台)具有钻机操作和显示报警的全部功能。主要功能如表3-1所示。表3-1 司钻台功能表项目数量描述11绞车速度给定手轮21转盘速度给定手轮31绞车电机正转停止反转切换开关45电机风机起停开关51转盘转矩限制开关0100%可调61发电机功率超限报警79变频单元通断选择开关89变频器状态指示灯94发电机状态指示灯105电动机风机状态指示灯111司钻“气损”指示灯及报警121PLC I/O装置，用于与VFD系统的连接131自动送钻按钮141自动起下钻按钮152彩色触摸屏和工控机主要显示:钻压、转盘转速、转盘扭矩、悬重、钻进速度、大钩位置、泥浆泵冲数、泵压、立管压力、液压大钳扭矩、泥浆出入口温度、密度等。钻机控制系统以西门子高性能的PLC(s7-300)为控制核心，并通过现场总线控制技术把数字化设备组成Profibus-DP网络，实现两台变频器、远程司钻电控箱、MCC柜配远程模块和人机界面等设备的高速通讯，自动化级(PLC)和数字传动级通过Profibus-DP网络连接，构成二级网络系统，参数双向传递。最终实现对系统各装置的远程数据传输和故障监控。网络连接示意图如图3-1所示。图3-1 控制系统网络原理图3.2 控制系统硬件组成钻机一体化控制系统由上位计算机、PLC系统和智能仪表组成。其主要硬件设备如表3-2所示。其中上位计算机包括工业控制计算机和触摸屏显示器(含运算与图形编辑等功能，相当于一台计算机)，二者功能基本相同，只是由于在实际钻井过程中要监控的画面较多，二者互为补充，可以同时显示多个画面，而且互为冗余，其中一个故障另一个仍可独立完成相应的工作。他们主要负责各参量的监控、参数设置以及报表的生成、打印等。表3-2 控制系统主要硬件项目名称型号主要功能1工控机研华IPC参数设置、组态画面显示(监控)2触摸屏显示器SiemensMP370同上3PLCSiemens s7-300 信号采集、处理，控制算法的实现4PROFIBUS总线系统Siemens实现上位计算机、PLC和智能仪表之间的快速通讯5UPS电源山特作为工控机和PLC的后备电源6制动单元Siemens辅助刹车能耗制动用7电液伺服阀CSDY型控制液压盘刹制动力8软起动器Siemens用于超过37KW的电机起动系统由两台s7-300的PLC组成，这是为了增加系统的稳定性。两台PLC功能完全相同，构成冗余系统，应用时一台处于工作状态，另一台备用并时刻通过PROFIBUS网络查询工作机的状态，一旦工作机出现故障便自动投入使用，可以使钻井工作无间断进行。根据现场情况和实际经验得知，触摸屏显示器和PLC组成的上位机更加简单使用，因此触摸屏显示器处于工作状态，研华工控机处于备用状态。具体PLC配置请参见图3-2所示。图3-2 PLC控制系统配置图3.3 控制系统监控点数统计本文所描述的钻机控制系统的输入输出量较多，所以需要监控的点数也较多，现列出部分主要的监控点，如表3-3和表3-4所示。表3-3 模拟量监控表项目名称类型位置1钻压输入钻具2转速输入转盘3扭矩输入转盘4绞车转速输入绞车5直流电流输出盘刹电磁溢流阀6压力输入盘刹液压系统7悬重输入大钩8大钩位置输入大钩9泵压输入泥浆泵10泵冲输入泥浆泵11泥浆池液位输出泥浆池12钻井深度输入钻头13转矩给定输出转盘变频器14出口流量输入泥浆泵15转速给定输出转盘变频器表3-4 数字量、开关量监控表项目名称位置类型备注(点数)1送钻准备所有单元输出2自动送钻启动(停止)所有单元输出23自动起下钻绞车输出4急停所有单元输出5绞车电机上升停止下降绞车变频器输出36软启动合闸(1#,2#)软启动器输出27转盘电机正转停止反转转盘变频器输出38除沙泵启动、停止除沙泵输出29加重泵启动、停止加重泵输出210剪切泵启动、停止剪切泵输出211软启动故障(1#,2#)软启动器输入212软启动运行(1#,2#)软启动器输入213除沙泵运行除沙泵输入14加重泵运行加重泵输入15剪切泵运行剪切泵输入16搅拌器启动、停止搅拌器输出17灌注泵合闸回流灌注泵输出18防碰系统动作游车输出19MCC故障MCC系统输入20控制系统故障控制系统输入21变频器故障变频器输入22司钻台气损司钻台输入 根据以上监控各点可知，要用到的主要传感器有：悬重传感器、滚筒编码器、转速传感器、泵压传感器、泵冲传感器、压力传感器、扭矩传感器、手把电位器等。3.4 主要硬件设备选型3.4.1 工控机的选用工业控制机是指对工业生产过程及其机电设备、工艺装备进行测量与控制用的计算机，简称工控机。工业控制机由计算机基本系统和过程I/O系统组成，计算机基本系统由系统总线、主机模板、存储器板、人机接口板与CRT、磁盘机、打印机等通用外设组成。过程I/O系统输入信号调理板和A/D转换器，将现场传感器测量的物理信号转变为电信号，模拟量经模数转换（A/D转换器），变成数字量输入计算机，计算机输出信号经数模（D/A转换器）转换和输出调理（隔离放大）成执行机构的功率驱动信号控制执行机构。硬件系统一般由运行操作台、可放计算机、CRT、外设、主机柜、I/O机柜（机箱、电源、接线端子板、接地保护装置等）等。软件系统由实时操作系统、实时数据库及应用软件、数据采集与处理软件、各类控制软件（PID直接数字控制、先进控制软件）组成。与商用及个人机比较，工业控制机的特点是强大的过程输入输出能力，高可靠性与实时性。我们准备选用研华工控机，研华在工控机领域一直处于世界领先地位。如图3-3所示： 图3-3 研华原装工控机 ACP-4060系列应用范围：工业自动化监视和控制。主要特点 ： 高 19” 机架安装机箱，带 6.4” TFT 显示屏、OSD 功能、薄型键盘和触控板一体化 IPC 系统可节省空间、降低成本配有 250 W ATX PFC PS/2 电源易于安装的前端抽取磁盘驱动器托架，可安装三个半高驱动器应用于冲击、振动和高温等恶劣环境下支持宽范围DC9V-32V电源插入，支持ATX电源灵活用于各种自动化环境的灵活性更长的寿命周期支持，保护投资3.4.2 触摸屏的选用选用MP370，如图3-4所示。图3-4 MP370触摸屏产品简介：这种多功能面板是基于传统组成部分（例如操作员面板和PLC）与PC之间的一种全新设备详细介绍：SIAMTIC MP 370功能强大的CPU，高性能的图形可视化界面，同时具有触摸式与按键式供您选择。MP 370按键式12.1英寸TFT显示，256色，提供800*600像素38个系统键36个功能键集成LED，都可用作软键防护等级：前面板IP65，后面板IP20用户内存6MB采用64位RISC处理器集成以太网接口Windows CE V3.0操作系统使用Wincc flrxble组态前面板尺寸：483*310mm（宽*高）开孔尺寸：450*290*59mm（宽*高*深）MP 370触摸式12.1英寸TFT显示，256色，提供800*600像素防护等级：前面板IP65，后面板IP20用户内存6MB采用64位RISC处理器集成以太网接口Windows CE V3.0操作系统使用Wincc flrxble组态前面板尺寸：335*275mm（宽*高）开孔尺寸：310*248*59mm（宽*高*深） 3.4.3 PLC的选用PLC系统选用西门子s7-300PLC。如图3-5所示。图3-5 s7-300PLC产品简介：s7-300是模块化中小型 PLC 系统，它能满足中等性能要求的应用。 - 模块化，无排风扇结构，易于实现分布，易于用户掌握等特点使得s7-300成为各种从小规模到中等性能要求控制任务的方便又经济的解决方案。详细介绍：SIMATIC s7-300可编程序控制器是模块化结构设计。各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。 下面介绍其系统组成：中央处理单元 (CPU)：各种CPU 有各种不同的性能，例如，有的CPU 上集成有输入/输出点，有的CPU上集成有PROFIBUS-DP通讯接口等。信号模块 (SM)：用于数字量和模拟量输入/输出。 通讯处理器 (CP)：用于连接网络和点对点连接。 功能模块 (FM)：用于高速计数，定位操作 (开环或闭环控制) 和闭环控制。负载电源模块 (PS)：用于将SIMATIC S7-300 连接到120/230V AC电源。接口模块 (IM)：用于多机架配置时连接主机架(CR)和扩展机架 (ER)。S7-300通过分布式的主机架(CR)和3个扩展机架(ER)，可以操作多达32个模块。运行时无需风扇。 SIMATIC M7自动化计算机 ：AT-兼容的计算机用于解决对时间要求非常高的技术问题。它既可作为 CPU，也可以作为功能模块使用。3.4.4 主要传感器的选用国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。1.悬重（拉力）传感器。如图3-6所示图3-6 合世工控 HSCZ系列柱式拉压传感器产品简介：HSCZ系列柱式拉力传感器其结构兼顾于柱式、S式的优点，结构紧凑，造形优美，测量精度高，抗偏能力强，广泛运用于配料、机械制造、拉力试验机等计量与控制系统中。特点：高精度、低漂移、量程宽、抗偏载能力强技术参数：不重复性：0.03，0.1%F.S温漂：0.003，0.01%F.S/oC零位输出：2%F.S激励电压：10V 或 12V，15V，24V(DC)工作温度：-2080 过载能力：150%F.S量程：1，2，3，5，10，20，30，50，100，200，300，500kN输出：1.5 mV/V 或 05V，15V，010mA，420mA非线性：0.03，0.1%F.S滞后：0.03，0.1%F.S2.压力传感器（1）泥浆泵压力传感器。如图3-7所示。图3-7 PTX 661 系列泥浆压力传感器产品简介：PTX 661系列锤式泥浆压力传感器为了路上石油钻井应用的极端恶劣环境，抵抗了高震动和冲击。性能与优点：量程：从35MPa至103.5MPa精度：0.1% FSNACE MR 01-75 兼容CENELEC 固有本安认证FM/CSA Class I ,Div 1CE 认证快速相应时间（2kHz）可修复性（2）工作钳、压力钳压力传感器。如图3-8所示。图3-8 GE PMP 1240工业压力传感器产品简介：PMP 1240 工业压力传感器用于很多工业和过程应用中的恶劣环境介质，全焊接316L不锈钢压力模块保证了卓越的介质适应性，而无需牺牲Druck微机械加工的压力传感器元件的优秀性能。PMP 1240是本安型的，有防爆证书，因此适合应用于石油和天然气等工业领域中。性能与优点：压力范围：2.5 to 15000 psig ，5 to 15000 psia输出三线制，1-5 Vdc低压精度：0.25% FS BSLNACE MR 01-75兼容低价格UL/FM/CSAG工业安全等级Class I, Div IFM/CSA防爆等级Class I, Div ICE标记3.扭矩传感器。如图3-9所示。图3-9 华控技术HK-NARGO-XX现场总线扭矩传感器产品简介： HK-NARGO-XX系列现场总线扭矩传感器是一种测量各种动力机械转动力矩、转速及机械功率的精密测量仪器。本传感器将力矩和转速转换成频率信号。 (1)扭矩的测量： 采用应变电测技术。这种方式具有精度高、响应快、可靠性高、寿命长等优点。将四支应变片粘贴在弹性轴上，并组成应变桥。在A和C端加10V激励电压， B和D端输出差分信号电压Vbd。当弹性轴受到扭力时，产生扭转角，同时四个应变片阻值发生变化，B和D端的输出电压Vbd发生变化，且Vbd与扭转力成线性关系。Vbd=KMnVbd应变桥输出的差分信号电压，单位：mVK转换常量，单位：mV/NMMn弹性轴承受的扭力，单位：NM(2)转速的测量：采用光电码盘测量转速，轴每旋转一周可产生60个脉冲。将脉冲信号变成方波频率信号输出。主要功能及性能指标：扭矩示值误差： 0.2 % F S灵敏度： 10.2 mv / V非线性： 0.2 % F S 重复性： 0.1% F S回差： 0.1 % F S零点温飘： 0.2 % F S /10静态超载： 120 % 断裂负载： 200 %使用温度： 0 60储存温度： 20 70电源电压： 15V5%总消耗电流： 130mA频率信号输出： 5KHZ15KHZ负额定扭矩：5KHZ10HZ零扭矩：10KHZ10HZ正额定扭矩：15KHZ10HZ信号占空比： （5010）%3.4.5 手把电位器电位器是一种可调的电子元件。它是由一个电阻体和一个转动或滑动系统组成。当电阻体的两个固定触电之间外加一个电压时，通过转动或滑动系统改变触点在电阻体上的位置，在动触点与固定触点之间便可得到一个与动触点位置成一定关系的电压。如图3-10所示图3-10 WX903型线绕电位器产品特点：体积小，调节方便功率大，阻值稳定技术参数：介质电压：1000V额定功率：12.5W温度范围：-55+125振动频率：10HZ100HZ旋转角度：300103.4.6 滚筒编码器编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置。前者成为码盘，后者称码尺按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种接触式采用电刷输出，以电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“1”还是“0”；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“1”还是“0”。 选择编码器如图3-11所示