交流变频恒功率自动送钻系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了交流变频恒功率自动送钻系统，其上位机监控单元设置在现场控制室内，与PLC控制单元之间通过通信网络相连接；PLC控制单元用于对钻井现场的受控工作设备进行控制；检测变送单元用于检测到的钻具钻速、钻井泵泵压、钻具扭矩传输给PLC控制单元；变频传动单元用于对送钻主电机和送钻小电机进行转速控制，从而控制自动送钻系统的钻速；能耗制动单元用于在断开电动机三相AC电源后，加一个直流电压于定子绕组上，利用静止磁场和转子感应电流的作用来实现制动；PLC控制单元中的PLC采用FuzzyPID控制器。本发明的交流变频恒功率自动送钻系统，具有可提高钻井工作的钻速控制精确度和安全可靠性、降低钻井的整体成本等优点。
【专利说明】交流变频恒功率自动送钻系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种石油钻机电控系统，尤其涉及一种交流变频恒功率自动送钻系统。
【背景技术】
[0002]在钻井过程中，为保证送钻安全达到目的地，提高送钻性能，就要对送钻速度加以控制，使钻头对井底的钻压尽量平稳。人工送钻是由司钻工手动控制机械制动器的制动力进行钻进，随着自动化技术的发展，基于电驱动绞车的交流变频主电机自动送钻系统和辅助电机的推广，使钻井现场逐步采用自动送钻系统。自动送钻克服了司钻工操作机械盘刹控制钻进造成机械盘刹易于磨损的缺点，采用电动机反拖、四象限运行精确来直接控制出力以达到恒压送钻，即钻井时使用自动送钻，给定所需钻压，从而使送钻速度得以控制、保证送钻的平稳性，提高送钻的质量。
[0003]人工送钻存在以下主要缺点:
O由于司钻需不断地看各种仪表、钢丝绳和刹把等设备的运行情况，导致其脑力和体力的负荷特别大，很容易困乏，所以发生溜钻或卡钻等事故是很难避免的。
[0004]2)由于司钻通过手刹控制送钻等的个人技能各不相同，导致钻井质量也因人而异经实践证明:人工手动送钻所钻的井，井壁质量和取芯率相当低、稍不留神就会出现顿钻和井斜等事故。
[0005]3)司钻基本上都是凭经验送钻，轴承和钻头所承受的压力不断变化，而且有时幅度变化很大，导致轴承和钻头磨损很快，大大减少了钻头的工作时间。
[0006]现有自动送钻系统缺点:
O自动送钻系统采用传统PID控制策略。这种传统的PID控制系统受地质构成、岩石性质、泥浆特性、井壁阻力等因素影响，井下存在许多已知或未知因素，同时，钻机工作自身也有一定非线性，所以自动送钻系统属于一个时滞、时变的非线性系统。因此，在控制过程中，存在钻速的控制精确度比较低、安全可靠性较差等问题。
[0007]2)自动送钻系统多为恒钻速控制，无法通过不同钻进参数的调整来实现恒钻压恒功率控制。
【发明内容】
[0008]本发明是为避免上述已有技术中存在的不足之处，提供一种交流变频恒功率自动送钻系统，将钻压控制与模糊控制结合，以提高钻井工作的钻速控制精确度和安全可靠性。
[0009]本发明为解决技术问题采用以下技术方案:
交流变频恒功率自动送钻系统，其结构特点是，包括上位机监控单元、PLC控制单元、检测变送单元、变频传动单元以及能耗制动单元。
[0010]所述上位机监控单元，设置在现场控制室内，与PLC控制单元之间通过通信网络相连接，用于放在现场控制室面向现场操作人员，经现场总线和PLC进行通信，或者采用高性能工控机通过工业以太网和PLC进行通信，为控制室监控人员提供组态监控，可以实现参数的设置和实时显示、信息查询、数据记录和打印，而且能通过网络实现信息高速共享。
[0011]所述PLC控制单元，用于接收上位机监控单元发送的控制信息，以对钻井现场的受控工作设备进行控制。
[0012]所述检测变送单元，用于检测到的钻具钻速、钻井泵泵压、钻具扭矩传输给PLC控制单兀。
[0013]所述变频传动单元，用于接收检测变送单元发送的控制参数，并对送钻主电机和送钻小电机进行转速控制，从而控制自动送钻系统的钻速。
[0014]所述能耗制动单元，用于在断开电动机三相AC电源后，加一个直流电压于定子绕组上，利用静止磁场和转子感应电流的作用来实现制动。
[0015]所述PLC控制单元包括PLC，所述PLC内部Fuzzy PID控制器。
[0016]所述Fuzzy PID控制器采用三环控制系统，从外到内依次为钻压调节环、速度调节环和气压调节环；
三环控制系统的外环为钻压调节环，给定钻压W1和输出钻压W2的差值经钻压调节器后输出速度给定值' ;中环为速度调节环，速度给定值V1送入中环，速度给定值V1与实际速度V2的偏差经速调节器后输出气压系统的压力给定值P1,中环保证输出速度V2跟随速度给定值乂!；
内环为气压调节环，压力给定值P1送入内环，内环保证气压机构输出的实际压力P2跟随气压系统的压力给定值Pi。
[0017]与已有技术相比，本发明有益效果体现在:
本发明的交流变频恒功率自动送钻系统，上位机监控单元、PLC控制单元、检测变送单元、变频传动单元以及能耗制动单元组成。采用Fuzzy PID控制器来完成自动送钻，以达到我们所需求的恒钻压与恒功率的控制。采用Fuzzy PID控制器，能够建立合理精确的数学模型，解决了现有技术中钻速的控制精确度比较低、安全可靠性较差等问题。
[0018]本发明的交流变频恒功率自动送钻系统，具有可提高钻井工作的钻速控制精确度和安全可靠性、降低钻井的整体成本等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明的交流变频恒功率自动送钻系统的结构框图。
[0020]图2为本发明的交流变频恒功率自动送钻系统的绞车控制示意图。
[0021]图3为本发明的交流变频恒功率自动送钻系统的Fuzzy PID控制器的模糊控制系统的原理图。
[0022]图4为本发明的交流变频恒功率自动送钻系统的Fuzzy PID控制器的模糊控制系统的设计流程图。
[0023]图5为本发明的交流变频恒功率自动送钻系统采用的参数自适应Fuzzy PID控制器的原理图。
[0024]图6为本发明的交流变频恒功率自动送钻系统的Fuzzy PID控制器的三环控制系统的框图。
[0025]以下通过【具体实施方式】，并结合附图对本发明作进一步说明。
【具体实施方式】
[0026]参见图1?图6，交流变频恒功率自动送钻系统，其包括上位机监控单元、PLC控制单元、检测变送单元、变频传动单元以及能耗制动单元；
所述上位机监控单元，设置在现场控制室内，与PLC控制单元之间通过通信网络相连接，用于放在现场控制室面向现场操作人员，经现场总线和PLC进行通信，或者采用高性能工控机通过工业以太网和PLC进行通信，为控制室监控人员提供组态监控，可以实现参数的设置和实时显示、信息查询、数据记录和打印，而且能通过网络实现信息高速共享；
所述PLC控制单元，用于接收上位机监控单元发送的控制信息，以对钻井现场的受控工作设备进行控制；
所述检测变送单元，用于检测到的钻具钻速、钻井泵泵压、指重钻压传输给PLC控制单元;
所述变频传动单元，用于接收检测变送单元发送的控制参数，并对送钻主电机和送钻小电机进行转速控制，从而控制自动送钻系统的钻速；
所述能耗制动单元，用于在断开电动机三相AC电源后，加一个直流电压于定子绕组上，利用静止磁场和转子感应电流的作用来实现制动。
[0027]交流变频恒功率自动送钻系统的结构框图如图1所示。钻井现场工作设备包括钻具、钻井泵、电动机等设备；钻井参数包括钻具钻速、钻井泵泵压、钻具扭矩等，由PLC控制单元的PLC内部的连续PID控制模块SFB41来实现三环的Fuzzy PID闭环控制；变频柜转速、转矩、电压、电流和功率等参数会从变频器通过Profibus-DP总线直接上传给PLC，不需要传感器；而井深、钻速、游车位置等是PLC程序根据滚筒编码器所采集的数据按照一定算法所得。经过检测变送单元处理以后，将其送给变频传动单元。PLC通过输出4?20mA来控制变频器响应的输出O?200HZ的O?600V电压量，从而控制钻速。与此同时，速度反馈实时采集速度送入计算机进行运算，完成对被控对象的闭环控制。为了达到即节能又高效的特点，恒功率自动送钻采用了能耗制动单元，它是指在断开电动机三相AC电源后，力口一直流电压于定子绕组，利用静止磁场和转子感应电流的作用来实现制动。
[0028]所述PLC控制单元包括PLC，所述PLC内部Fuzzy PID控制器。
[0029]采用Fuzzy PID控制器(模糊PID控制器)来完成自动送钻，以达到我们所需求的恒钻压与和钻速的控制，模糊控制系统的原理图如图3所示，模糊控制系统的设计流程如图5所示。参数自适应Fuzzy PID控制器的原理图如图6所示。
[0030]在Fuzzy PID控制器整个钻机控制系统中，绞车控制最重要，它承担自动起下钻、游车防碰和井底钻压控制等重任，所以绞车控制的好坏在很大程度上影响整个钻井的优劣。实际运行中，通过刹车提供绞车的提升力，进而调整下钻速度，即可实现恒钻压控制，在测量钻压时将拉力传感器置于钢丝绳死绳处，从而测定大钩拉力，与钻具重力差即为井底钻压。绞车的控制示意图如图2所示，其中滑轮组中滑轮数量为上七下六，静止时绞车刹车力=钻具总重的1/12即12绳参与提升钻具。设井底钻压为W，钻具总重为G，拉力传感器检测到的拉力为F5，则钻压W为:r = G-F5xl2。
[0031]Fuzzy PID控制器间接通过传感器按照一定的采样时间采集钻压数据，然后用钻井经济最优数据库生成的钻压设定值减去采集回来的实际钻压值，其差值和变化率通过整个控制系统后输出(T20mA，从而产生相应的盘刹力矩作用于液压气动水冷型盘刹，控制钻速，进而使钻压实际值跟随设定值。
[0032]所述Fuzzy PID控制器采用三环控制系统，从外到内依次为钻压调节环、速度调节环和气压调节环；
三环控制系统的外环为钻压调节环，给定钻压W1和输出钻压W2的差值经钻压调节器后输出速度给定值' ;中环为速度调节环，速度给定值V1送入中环，速度给定值V1与实际速度V2的偏差经速调节器后输出气压系统的压力给定值P1,中环保证输出速度V2跟随速度给定值V1,即两速度值V1和V2近似相等；
内环为气压调节环，压力给定值P1送入内环，内环保证气压机构输出的实际压力P2跟随气压系统的压力给定值P1,即两压力值P1和P2近似相等。
[0033]于是，在给定速度V1的情况下，输出钻压W2跟随给定钻压W1,从而实现恒钻压送钻。所述三环控制系统的原理图如图6所示。
[0034]所述Fuzzy-PID控制器的输入-输出关系式为:
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在所述输入-输出关系式中:τ为米样时间；Ti为积分时间；Td为微分时间；KP为比例因子；Ki为积分因子；Kd为微分因子，Tf为低通滤波器系数;U(t)为输入量；u(t)为输出量。
[0035]附图1是交流恒功率自动送钻的工作原理示意图，钻井过程中，钻压信号通过死绳固定器作用于悬重传感器，输出Γ20Π1Α。此处可进行手自动的无扰切换，一般默认为自动送钻。然后把该信号送入选择单元(一般设定一定的阈值)进行判决。如果采集回来的实际钻压值正常，通过其和给定的钻压作差后，送入智能控制器，智能控制器实时地采集钻具转矩、转速、游车位置和泥浆泵压，并根据设定好的程序进行控制。然后输出信号经变频器进行控制，输出相应的速度对绞车进行控制，最终通过传动系统控制大钩下放的速度，实现恒钻压送钻。如果采集回来的实际钻压值异常，然后选择单元会把该信号反馈给智能控制器，智能控制器回输出一恒定速度，从而按照上述过程实现恒钻速送钻，直到钻压正常为止。当送钻控制单元发生异常，司钻可将自动无扰地切换到手动送钻，该系统仍可以正常运行。
[0036]模糊控制器(图3中前向通路A/D和D/A之间部分)的设计:智能控制器通过传感器和变送器对实际的钻压值进行实时采集，然后和设定值进行比较得到误差^同时可得到误差的变化率然后把它们送到模糊控制器的输入端，并进行模糊量化处理得到€和^0
和6对应的模糊量)，即可用相应的模糊语言表示，再由A '和R (模糊控制规则)进行模糊推理和决策，得输出量Λ V (钻速)
AU = (Ε mid EC) ο R
式中，“ O ”表不模糊合成O
[0037]为精准地控制钻压，需将模糊量ΛU反模糊化(解模糊)为精确量。输出给定的速度(精确量)，经D/A转换后作用于液压盘刹和整个钻具系统，最后通过三环控制来实现整个系统的控制，随后按照该采样周期不断循环。参数自适应Fuzzy PID控制器的控制框图如图4和5所示。图4和5中，Fuzzy-PID控制器的输入-输出关系式为
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|￡.Λ I U\ [>| Uo I r + Tf "//(O 该输入_输出关系式中:T为米样时间；Ti为积分时间；Td为微分时间；KP为比例因子；Ki为积分因子；Kd为微分因子，Tf为低通滤波器系数；U(t)为输入量；u(t)为输出量。此算法消除了由于频繁动作所引起的振荡，抗干扰强，使积分根据偏差的大小自动改变累加速度，有利于提高系统品质。该算法对A、B两参数的要求不精确，参数整定较容易。其中，可调参数^可通过对实际被控对象的实验来确定。如果U0太小，控制动作会太频繁，无法实现被控对象的稳定；如果^太大，则系统滞后将很大，可能导致拒动，从而不能很好地控制。
【权利要求】
1.交流变频恒功率自动送钻系统，其特征是，包括上位机监控单元、PLC控制单元、检测变送单元、变频传动单元以及能耗制动单元； 所述上位机监控单元，设置在现场控制室内，与PLC控制单元之间通过通信网络相连接，用于放在现场控制室面向现场操作人员，经现场总线和PLC进行通信，或者采用高性能工控机通过工业以太网和PLC进行通信，为控制室监控人员提供组态监控，可以实现参数的设置和实时显示、信息查询、数据记录和打印，而且能通过网络实现信息高速共享； 所述PLC控制单元，用于接收上位机监控单元发送的控制信息，以对钻井现场的受控工作设备进行控制； 所述检测变送单元，用于检测到的钻具钻速、钻井泵泵压、钻具扭矩传输给PLC控制单元; 所述变频传动单元，用于接收检测变送单元发送的控制参数，并对送钻主电机和送钻小电机进行转速控制，从而控制自动送钻系统的钻速； 所述能耗制动单元，用于在断开电动机三相AC电源后，加一个直流电压于定子绕组上，利用静止磁场和转子感应电流的作用来实现制动。
2.根据权利要求1所述的交流变频恒功率自动送钻系统，其特征是，所述PLC控制单元包括PLC，所述PLC内部Fuzzy PID控制器。
3.根据权利要求2所述的交流变频恒功率自动送钻系统，其特征是，所述FuzzyPID控制器采用三环控制系统，从外到内依次为钻压调节环、速度调节环和气压调节环； 三环控制系统的外环为钻压调节环，给定钻压W1和输出钻压W2的差值经钻压调节器后输出速度给定值V1 ； 中环为速度调节环，速度给定值V1送入中环，速度给定值V1与实际速度V2的偏差经速调节器后输出气压系统的压力给定值P1,中环保证输出速度V2跟随速度给定值V1 ； 内环为气压调节环，压力给定值P1送入内环，内环保证气压机构输出的实际压力P2跟随气压系统的压力给定值Pi。
4.根据权利要求2或3所述的交流变频恒功率自动送钻系统，其特征是，所述Fuzzy-PID控制器的输入-输出关系式为:
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【文档编号】E21B44/02GK104131806SQ201410173667
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年4月28日 优先权日:2014年4月28日
【发明者】刘曙光, 武学星 申请人:安徽多杰电气有限公司