一种钻井用柴油机节能控制系统及方法与流程

本发明涉及一种钻井用柴油机节能控制系统及方法，属于机械设计与自动化技术领域。

背景技术：

众所周知，近年来，我国部分油田生产进入后期高含水开发阶段，油层分布逐渐加深，油田产液上升，产油下降，生产能耗大，运行成本增加。石油钻井是油田主业，是能耗大户，直接关系到油田的生产效益，机械驱动能力仍占据一定比例。目前对于钻井用柴油机的油门基本采用手动控制。手动调节油门虽被普遍采用，但存在明显缺陷，由于油门调好后一成不变，除非遇到钻机长时间工况变化，如检修设备，司钻就通过柴油机值班人员将油门调小，否则柴油机始终工作在1300r/min，当钻机起下钻、接单根时，滚筒带动钻具反复上行、下降，柴油机反复带载、空载运行。目前柴油机油门控制方式为脚踏油门，脚踏油门设在司钻台，由司钻根据钻机的不同工作状态，随时控制油门大小，脚踏油门最终作用于柴油机转把的油门拉线，中间经过气动阀将拉力放大，由于从司钻房到柴油机油门之间的气路较长，压力缓冲大，导致气阀响应速度落后，油门反应迟钝，有时会造成柴油机重载时憋车，不适合反复调节，不久便弃之不用，因此，发明一种钻井用柴油机节能控制系统来解决上述问题很有必要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种钻井用柴油机节能控制系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：包括控制箱，所述控制箱输出端设有绞车编码器，所述绞车编码器与控制箱通过多芯电缆电性连接，所述绞车编码器输出端设有PLC，所述PLC与绞车编码器通过信号调理电路电性连接，所述控制箱输出端设有显示屏，所述显示屏与控制箱通过多芯电缆电性连接，所述显示屏输入端设有PLC，所述PLC与显示屏通过驱动电路电性连接，所述控制箱输出端设有一号测速探头、二号测速探头与三号测速探头，且均与控制箱通过多芯电缆电性连接，所述一号测速探头、二号测速探头与三号测速探头输出端设有PLC，所述PLC输出端设有柴油机电子油门驱动器，所述柴油机电子油门驱动器与PLC通过驱动电路电性连接，所述一号测速探头、二号测速探头与三号测速探头内部均设有测速感应器，所述测速感应器一侧设有柴油机主齿轮，所述测速感应器通过45度角形支架11设置于柴油机的主轴齿轮一侧。

优选的，所述绞车编码器设置为PNP输出型编码器。

优选的，所述测速感应器由新型磁敏感元件制成。

优选的，所述柴油机电子油门驱动器设置为柔性软轴连接方式，且行程为100mm。

优选的，所述柴油机电子油门驱动器内部设有24V直流电机。

优选的，所述显示屏内部设有触摸屏程序，且触摸屏程序具设有转速设定画面、启动监控画面、钻进监控画面及起下钻监控画面4个可以选择的画面。

本发明提到的一种钻井用柴油机节能控制方法，包括以下过程：

（1）采用绞车编码器判断绞车状态，进而判断钻机起钻和下钻的状态，测速探头实时测量柴油机转速，线性油门驱动器准确快速根据绞车状态实现柴油机油门增大和减小，实现柴油机钻速的闭环控制，特别是在钻机起下钻，绞车下行时通过油门驱动器将柴油机减速至800 r/min，司钻通过触摸屏可以在司钻房实时调节钻进时的柴油机钻速，同时还可以监测绞车状态；

（2）触摸屏（3）可以实现柴油机速度设定，实时速度显示，绞车状态监测功能，方便司钻操作，保证了系统的实用性和可操作性，系统通过安装在滚筒转轴上的绞车编码器（2）判断绞车的状态，并将信号通过调理电路（7）传送至PLC（8）的高速数字量输入端口；

（3）三组测速探头分别通过45度角形支架（11）安装在三台柴油机主齿轮（10）处,用来测量三台柴油机的转速，柴油机电子油门安装在3台柴油机的油门处，通过油门拉线与全制式调速器的操纵杆相连，通过柴油机电子油门驱动器（9）的伸出和缩短来控制油门拉线，进而调节油门大小，触摸屏（3）与PLC（8）及电子油门直流电机的驱动电路安装在控制箱（1）内，编码器、测速探头、电子油门驱动器分别通过多芯电缆（13）与控制箱（1）相连，控制箱（1）安装在司钻房内，方便司钻操作。

本发明的技术效果和优点：该系统可以根据钻机工况实时调节柴油机转速，改变了传统钻井用柴油机油门不随负荷变化而变化的控制方式，根据钻机工况改变转速，实时调节油门开度，达到节油的目的，选用成熟的PLC控制技术，控制系统工作可靠，相应性能好，参数调整方便，装置特征在于编写了PLC及触摸屏控制软件，系统可以根据钻机工况实时调节柴油机转速，跟原来的手动油门控制方式无缝对接，很好的满足了现场工况要求，提高了钻机自动化水平。

附图说明

图1为本发明一种基于PLC的钻井用柴油机节能控制系统示意图；

图2为本发明一种基于PLC的钻井用柴油机节能控制系统绞车编码器信号调理电路示意图；

图3为本发明一种基于PLC的钻井用柴油机节能控制系统测速探头接线图示意图；

图4为本发明一种基于PLC的钻井用柴油机节能控制系统测速探头安装示意图；

图5为本发明一种基于PLC的钻井用柴油机节能控制系统油门驱动器驱动电路原理图示意图；

图中：1控制箱、2绞车编码器、3显示屏、4一号测速探头、5二号测速探头、6三号测速探头、7信号调理电路、8 PLC、9柴油机电子油门驱动器、10柴油机主齿轮、11角形支架、12测速感应器、13多芯电缆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了如图1-5所示的一种钻井用柴油机节能控制系统，包括控制箱1，所述控制箱1输出端设有绞车编码器2，所述绞车编码器2与控制箱1通过多芯电缆13电性连接，所述绞车编码器2输出端设有PLC8，所述PLC8与绞车编码器2通过信号调理电路7电性连接，所述控制箱1输出端设有显示屏3，所述显示屏3与控制箱1通过多芯电缆13电性连接，所述显示屏3输入端设有PLC8，所述PLC8与显示屏3通过驱动电路电性连接，所述控制箱1输出端设有一号测速探头4、二号测速探头5与三号测速探头6，且均与控制箱1通过多芯电缆13电性连接，所述一号测速探头4、二号测速探头5与三号测速探头6输出端设有PLC8，所述PLC8输出端设有柴油机电子油门驱动器9，所述柴油机电子油门驱动器9与PLC8通过驱动电路电性连接，所述一号测速探头4、二号测速探头5与三号测速探头6内部均设有测速感应器12，所述测速感应器12一侧设有柴油机主齿轮10，所述测速感应器12通过45度角形支架11设置于柴油机的主轴齿轮10一侧。

所述绞车编码器2设置为PNP输出型编码器，而系统选用的松下PLC FP-X C38AT 是NPN型输入，需要对PNP输出型编码器信号进行调理，信号调理电路通过光耦TLP521可解决类型不匹配的问题。

所述测速感应器12由新型磁敏感元件制成，测速探头采用新型磁敏感元件，钢铁材质导磁体触发，具有频响宽，稳定性好，抗干扰能力强，坚固耐用，内有放大整形电路，输出为幅度稳定的方波信号，能实现远距离传输。

所述柴油机电子油门驱动器9设置为柔性软轴连接方式，且行程为100mm，电子线性油门驱动器常用于工程机械的大型柴油机的油门电子调速控制，采用柔性软轴连接方式，本文选用的油门驱动器行程为100mm，可以满足柴油机油门从最小转速到最大转速的行程范围。

所述柴油机电子油门驱动器9内部设有24V直流电机，PLC8通过输出端Y0-Y5这六个输出端来控制继电器线圈是否通电，进而控制电机的正反转，电机正转可以使油门加大，电机反转可以使油门减小，每个油门驱动器电机采用了两个继电器的四组常开触点构成的H桥驱动电路，在每一对常开触点上反并联的二极管可以起到续流的作用。

所述显示屏3内部设有触摸屏程序，且触摸屏程序具设有转速设定画面、启动监控画面、钻进监控画面及起下钻监控画面4个可以选择的画面，转速设定画面主要是在节油控制系统投入运行前，对钻进速度、起钻速度、下钻速度进行设定；启动监控画面中可以分别点击3台柴油机启动按钮，分别启动柴油机，实时监测柴油机转速；钻进监控画面中，司钻可以通过加速减速按钮对已经启动的柴油机进行同步加速。

工作原理：采用先进可靠的磁编码器判断绞车状态，进而判断钻机起钻和下钻的状态，测速探头实时测量柴油机转速，线性油门驱动器准确快速根据绞车状态实现柴油机油门增大和减小，实现柴油机钻速的闭环控制，特别是在钻机起下钻，绞车下行时通过油门驱动器将柴油机减速至800 r/min，司钻通过触摸屏可以在司钻房实时调节钻进时的柴油机钻速，同时还可以监测绞车状态，触摸屏3可以实现柴油机速度设定，实时速度显示，绞车状态监测等功能，方便司钻操作，保证了系统的实用性和可操作性，系统通过安装在滚筒转轴上的绞车编码器2判断绞车的状态，如绞车上行，绞车下行，并将信号通过调理电路7传送至PLC8的高速数字量输入端口,测速探头分别通过45度角形支架11安装在三台柴油机主齿轮10处,用来测量三台柴油机的转速，柴油机电子油门安装在3台柴油机的油门处，通过油门拉线与全制式调速器的操纵杆相连，通过柴油机电子油门驱动器9的伸出和缩短来控制油门拉线，进而调节油门大小，触摸屏3与PLC8及电子油门直流电机的驱动电路安装在控制箱1内，编码器、测速探头、电子油门驱动器分别通过多芯电缆13与控制箱1相连，控制箱1安装在司钻房内，方便司钻操作。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。