专利名称：电动钻机转盘柔性扭矩控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于(石油)钻井技术领域，具体涉及钻井作业时钻 柱发生粘滑扭矩振动后所采用的钻机转盘柔性扭矩控制系统。
技术背景 目前，在石油电动钻机的转盘控制系统中，转盘的速度依据钻井
工艺要求设定后，钻柱的扭矩多依靠司钻的经验，调节钻头的下放速度来控制 钻压达到调节钻柱扭矩的目的，这样操作钻柱的扭矩调节实时性差，容易引起 跳钻、卡钻等现象，加剧了钻柱的疲劳程度，甚至造成钻柱或下部钻具扭断的 后果。钻井过程中，钻柱的振动是不可避免的，轻微的横向、轴向及扭矩振动 不影响钻井正常作业，而对于大位移井直井段或直井所产生的粘滑扭矩振动， 不仅影响钻井速度，还容易使钻柱疲劳，加速钻具破坏程度，甚至诱发钻井事 故。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种当发生粘滑振动时，利用实时检测 的转盘扭矩，作为负反馈去扰动转盘的速度给定，以达到减小、消除钻柱粘滑 振动的电动钻机转盘柔性扭矩控制系统。
为实现上述目的，本实用新型釆取的技术方案是
一种实现上述电动钻机转盘柔性扭矩控制方法的系统，其特征在于该系统 包括
一个触摸屏或者一个带显示屏的操作面板，包括转盘速度给定键、启动/停 止转盘柔性控制按钮和粘滑振动量输出域，它与可编程控制器PLC电连接，用 于设定转盘速度给定值、启动/停止转盘柔性控制功能以及显示粘滑振动量；一个转盘扭矩传感器，它安装在转盘控制柜出线端或者转盘电机进线侧，
实时采集转盘扭矩实际值；
一个可编程控制器PLC，与转盘扭矩传感器电连接，通过其模拟量输入模板 (AI)采集由转盘扭矩传感器传递来的转盘扭矩实际值，计算出n次转盘扭矩 实际值的算术平均值，其中10《n《20;并比较转盘扭矩实际值和平均值，将比 较后的偏差作为转盘速度给定的扰动信号，与转盘速度给定信号叠加后，作为 转盘调速器的速度给定信号；
一个转盘调速器，包括速度调节器、扭矩调节器和功率转换器，它接收来 自可编程控制器PLC发出的速度给定信号，去控制转盘主电机的转速；
一个转盘主电机，在转盘调速器的控制下升速或者降速，从而调节转盘的
扭矩；
一个速度反馈编码器，安装在转盘主电机轴上，向可编程控制器PLC实时 反馈转盘主电机的实际转速。
本实用新型提供的上述电动钻机转盘柔性扭矩控制系统，当钻柱发生粘滑 扭矩振动时，能够使转盘电机的转速随粘滑扭矩的大小做实时的调整，有效地 降低了转盘扭矩的变化频率和粘滑扭矩的振幅，减少了钻柱的疲劳破坏程度， 降低了因为钻柱疲劳发生井下事故的概率。
图l为电动钻机转盘柔性扭矩控制系统实施例的结构示意框图
具体实施方式如图1所示，该电动钻机转盘柔性扭矩控制系统主要由触摸 屏(或操作面板)、可编程控制器PLC 204、转盘调速器、扭矩传感器208、速 度反馈编码器209及转盘主电机210组成。为实现转盘柔性扭矩控制功能，触摸屏上设置了速度给定键201、启动/停止转盘柔性控制按钮202、粘滑振动量 输出域203;可编程控制器PLC 204,接收来自触摸屏上的速度给定键201、启 动/停止转盘柔性控制按钮202的指令，计算并显示粘滑振动量数值；安装在转 盘控制柜出线端或者转盘电机进线侧的扭矩传感器208，实时采集转盘扭矩的实 际值；通过可编程控制器PLC计算出钻柱粘滑振动量和转盘调速器速度给定， 分别输出给触摸屏和速度调节器205;安装在转盘主电机210轴上的速度编码器 209，实时反馈电机的实际转速；转盘调速器内部有速度调节器205、扭矩调节 器206以及功率转换器207，转盘调速器既可以是直流调速器，也可以是交流调 速器。通过可编程控制器PLC运算出的转盘调速器速度给定和速度编码器209 组成速度外环；转盘调速器中的速度调节器的输出和扭矩传感器208组成扭矩 内环，实时地调整调制波的频率，结合载波特性，有序地向功率转换器207中 的功率器件发出"通"和"断"的动作指令，使电机的电源的频率和幅值实时 调整，以实现转盘主电机210的调速，达到减少和消除钻柱粘滑扭矩振动的目 的。功率转换器207是转盘调速器(直流调速器或者交流调速器)的功率器件， 且集成在转盘调速柜中。
所述扭矩传感器208也可以由电流传感器代替，只是由电流传感器实时采 集转盘电流实际值，可编程控制器PLC通过其模拟量输入模板AI采集由转盘电 流传感器传递来的转盘电流实际值，计算出n次转盘电流实际值的算术平均值; 并比较转盘电流实际值和平均值，将比较后的偏差AI进一步转化为转盘扭矩偏 差值，作为转盘速度给定的扰动信号，与转盘速度给定信号叠加后，作为转盘
调速器的速度给定信号。其中-
直流调速器中，AT二CmO)A:^CmXKfAIXAI^kAI2，式中k=CmKf， Cm为转矩常数，①为磁通，Kf为磁通系数；
交流调速器中，AT= CmOAIcos^kAI，式中k-Cm①cosp， Cm转矩常数， ①为磁通，^电机转子功率因数角。
上述电动钻机转盘柔性扭矩控制系统的工作过程为
(1) 由扭矩传感器208实时收集转盘扭矩实际值，传递给可编程控制器PLC 204，由可编程控制器PLC 204计算出粘滑振动量并显示，粘滑振动量 =(Tmax-Tmin) /Tave，式中Tmax是最近采集的15个扭矩值数据中的最大值， Tmin为最近采集的15个扭矩值数据中的最小值，Tave为最近采集的15个扭矩 值数据的平均值。
(2) 根据地质底层的特性， 一般当触摸屏中粘滑振动量的显示值》15%后， 再过10秒，如果粘滑振动量仍大于15%,系统给出"是否启动转盘柔性扭矩控 制功能"的信息，司钻根据当时的作业工况，适时按动触摸屏上的启动/停止转 盘柔性控制按钮202，将转盘柔性扭矩控制功能投入转盘控制系统中。
(3) 启动转盘柔性扭矩控制功能后，扭矩传感器208将采集到的转盘扭矩 的实际值传递给可编程控制器PLC 204。
(4) 可编程控制器PLC 204通过模拟量模板(AI)采集扭矩传感器发来的 转盘扭矩实际值Tact，每个扫描周期采集一次转盘扭矩实际值Tact，实时采集 启动转盘柔性控制功能后的最近10次数据，求算术平均值Tave。
(5) 可编程控制器PLC 204计算本次扫描周期内采集的转盘扭矩实际值Tact 和计算的转盘扭矩平均值Tave的偏差值AT，计算出转盘速度给定rw与转盘扭 矩偏差值AT的差值，赋给转盘调速器速度给定n' ^，转盘调速器接收转盘调 速器速度给定n' f，分别由速度调节器205和扭矩调节器206实时地调节转盘主电机的速度和扭矩值。
(6)当粘滑振动量小于15%后，再过10秒，如果粘滑振动量仍小于15%， 按下启动/停止转盘柔性控制按钮，停止转盘柔性扭矩控制功能。否则，重复循 环以上步骤。
以上所述的仅是本实用新型的优选实施例。应当指出对于本领域的普通技 术人员来说，在本实用新型所提供的技术启示下，还可以做出其它等同变型和 改进，也应视为本实用新型的保护范围。
权利要求1.一种电动钻机转盘柔性扭矩控制系统，其特征在于该系统包括一个触摸屏或带显示屏的操作面板，包括转盘速度给定键、启动/停止转盘柔性控制按钮和粘滑振动量输出域，它与可编程控制器PLC电连接，用于设定转盘速度给定值、启动/停止转盘柔性控制功能以及显示粘滑振动量；一个转盘扭矩传感器，它安装在转盘控制柜出线端或者转盘电机进线侧，实时采集转盘扭矩实际值；一个可编程控制器PLC，与转盘扭矩传感器电连接，通过其模拟量输入模板(AI)采集由转盘扭矩传感器传递来的转盘扭矩实际值，计算出n次转盘扭矩实际值的算术平均值，其中10≤n≤20；并比较转盘扭矩实际值和平均值，将比较后的偏差作为转盘速度给定的扰动信号，与转盘速度给定信号叠加后，作为转盘调速器的速度给定信号；一个转盘调速器，包括速度调节器、扭矩调节器和功率转换器，它接收来自可编程控制器PLC发出的速度给定信号，去控制转盘主电机的转速；一个转盘主电机，在转盘调速器的控制下升速或者降速，从而调节转盘的扭矩；一个速度反馈编码器，安装在转盘主电机轴上，向可编程控制器PLC实时反馈转盘主电机的实际转速。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述转盘扭矩传感器可由转盘 电流传感器来代替。
3. 根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于所述的转盘调速器选用直 流调速器或交流调速器。
专利摘要本实用新型提供了一种电动钻机转盘柔性扭矩控制系统，包括触摸屏或带显示屏的操作面板，它与可编程控制器PLC电连接，用于设定转盘速度给定值、启动/停止转盘柔性控制功能以及显示粘滑振动量；转盘扭矩传感器，它安装在转盘控制柜出线端或者转盘电机进线侧，实时采集转盘扭矩实际值；可编程控制器PLC，计算并比较转盘扭矩实际值和平均值，将比较后的偏差与转盘速度给定信号叠加后，作为转盘调速器的速度给定信号，去控制转盘主电机的转速，从而调节转盘的扭矩。该系统能够使转盘电机的转速随粘滑扭矩的大小做实时的调整，有效地降低了转盘扭矩的变化频率和粘滑扭矩的振幅，减少了钻柱的疲劳破坏程度，降低了因钻柱疲劳发生井下事故的概率。
文档编号E21B44/04GK201301701SQ200820222579
公开日2009年9月2日 申请日期2008年11月25日 优先权日2008年11月25日
发明者侯忠奎, 张建成, 张振中, 朱奇先, 马双富 申请人:天水电气传动研究所有限责任公司