一种机械调峰电控系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种能消除冲击负荷的智能控制系统，具体涉及一种机械调峰电控系统，包括数据采集子系统、智能控制子系统、调峰子系统、飞轮储能子系统；数据采集子系统与智能控制子系统通讯连接；智能控制子系统分别与调峰子系统和飞轮储能子系统通讯连接；机械调峰电控系统还包括与智能控制系统通讯连接的升压整流子系统。本实用新型通过增加升压整流子系统，为调峰子系统的逆变器及飞轮储能子系统的飞轮电机提供直流电源，飞轮储能子系统既可以通过调峰子系统发电反馈来储能也可以通过升压整流子系统提供直流电源来储能。储能充足，与柴油机传动系统或者天然气机传动系统匹配合适，节能效果明显。
【专利说明】
一种机械调峰电控系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种能消除冲击负荷的智能控制系统，具体涉及一种机械调峰电控系统。
【背景技术】
[0002]钻机是油气田勘探开发过程中必不可少的重要钻井施工设备，目前国内钻机中机械钻机占有很大比重，在国家实施能源战略以来，节能、高效、环保已经成为石油钻机作业的重中之重。然而，机械钻机在施工过程中负载波动大，对传动系统和柴油机形成较大的冲击负荷，由于这种冲击负荷的存在产生了以下问题:
[0003](I)起下钻作业时负载会产生很大的突变，为了及时补偿瞬时高负荷而不致柴油机停机，单机发动机功率配置会偏高，这样会浪费很大一部分闲置功率。
[0004](2)当负载发生突变时，为了保证输出功率柴油机会出现燃烧不充分冒黑烟情况，造成柴油机燃油效率降低。
[0005](3)由于突变负载的冲击，柴油机的部件疲劳损坏加剧，影响柴油机运行寿命。
[0006](4)限制了节能环保的天然气发动机的使用。
[0007]为了克服以上问题，可以在机械钻机动力系统中增加调峰控制系统和飞轮储能系统，当传动系统处于空载或负载较小的情况时，通过控制系统控制调峰电机在柴油机组带动下发电运行，给储能器提供电能，由储能器存储能量。当动力系统有突加负载时，通过控制系统控制调峰电机切换到电动机运行状态，由储能器输出电能，经控制系统调节，控制调峰电机输出动力，承担突加负载的冲击，待负载稳定后逐渐退出，达到平抑负载对动力系统中发动机的冲击，保障动力系统平稳高效运行。试验运行结果表明，发动机负荷冲击工况得到了较好的改善，但是仍然存在储能器储能不足，节能效果不明显的问题。
【发明内容】
[0008]本实用新型要解决的技术问题是提供一种能源利用率高、节能效果好的新型机械调峰电控系统。
[0009]本实用新型的技术解决方案是:所提供的机械调峰电控系统，包括数据采集子系统、智能控制子系统、调峰子系统、飞轮储能子系统;所述数据采集子系统与智能控制子系统通讯连接;所述智能控制子系统分别与调峰子系统和飞轮储能子系统通讯连接;其特殊之处在于:所述机械调峰电控系统还包括与智能控制系统通讯连接的升压整流子系统。飞轮储能子系统既可以通过调峰子系统发电反馈来储能也可以通过升压整流子系统提供直流电源来储能，节能效果明显。
[0010]上述升压整流子系统包括依次连接的辅助发电机、升压变压器和整流器;所述整流器通过直流母线与智能控制子系统、调峰子系统以及飞轮储能子系统相连。辅助发电机输出的低压交流电通过升压变压器和整流器后整流为高压直流电，为飞轮储能子系统提供直流电源。
[0011]上述升压整流子系统还包括与直流母线相连的制动模块，可有效确保直流母线电压稳定，防止因电压太高损坏其他设备或危及人员安全。
[0012]上述机械调峰电控系统还包括与智能控制系统通讯连接的能量回收子系统，所述能量回收子系统通过直流母线与飞轮储能子系统相连，在游车下放过程中将势能通过能量回收电机转化为电能，再通过直流母线传输至飞轮储能子系统中，提高了能源的利用率。
[0013]上述数据采集子系统与智能控制子系统之间通过MODBUS协议通讯连接;所述智能控制子系统内部采用工业以太网；所述智能控制子系统连接一个协议转换器后，再通过CAN0PEN协议与调峰子系统、飞轮储能子系统、升压整流子系统以及能量回收子系统通讯连接。网络结构优化，消除了因网络传输导致的时滞。
[0014]上述数据采集子系统包括速度传感器、压力开关、悬重传感器和编码器，采集速度信号、悬重信号、离合信号等信息。
[0015]上述智能控制子系统包括上位机HM1、工况机、系统PLC和智能控制器CPU，通过实时计算精确控制调峰电机的工作状态以及输出功率。
[0016]上述调峰子系统包括调峰电机、减速箱和逆变器;所述调峰电机通过减速箱与并车传动箱相连，既可以作为电动机给并车传动箱提供动力，又可以作为发电机将并车传动箱的动能转化为电能。
[0017]上述飞轮储能子系统包括飞轮电机和飞轮;所述飞轮电机与逆变器相连。逆变器用于控制飞轮电机。
[0018]上述飞轮电机为永磁电机，所述飞轮为合金钢飞轮;永磁电机通过永磁轴承与合金钢飞轮相连，飞轮电机与飞轮之间进行电能和动能的储存和转换。
[0019]本实用新型的优点在于:
[0020](I)系统结构优化:本实用新型通过增加升压整流子系统，为调峰子系统的逆变器及飞轮储能子系统的飞轮电机提供直流电源，飞轮储能子系统既可以通过调峰子系统发电反馈来储能也可以通过升压整流子系统提供直流电源来储能。储能充足，与柴油机传动系统或者天然气机传动系统匹配合适，节能效果明显。
[0021](2)网络结构优化:本实用新型的数据采集子系统与智能控制子系统之间通过MODBUS协议通讯连接；智能控制子系统内部采用工业以太网；智能控制子系统连接一个协议转换器后，再通过CAN0PEN协议与调峰子系统、飞轮储能子系统、升压整流子系统以及能量回收子系统通讯连接。可以消除因网络传输导致的时滞，调峰系统跟随性强，补峰及时，同时可以抑制偶然性干扰信号的出现，抗干扰性强。
[0022](3)系统算法优化:本实用新型采用系统前馈算法，将实际悬重、栗载以及柴油机转动惯量同时纳入算法中，消除负荷突变到系统反应的时间差，使调峰电机及时投入运行，缓解柴油机功率输出，调峰电机功率缓慢最后切出，柴油机输出功率缓慢上升。
[0023](4)系统EMC优化设计:本实用新型优化系统硬件、合理规划元器件布置及控制电缆的走线、完善接地及屏蔽设计，消除因信号干扰导致的数据计算不准确满足系统EMC要求并对核心控制器及部件做EMC测试。
【附图说明】
[0024]图1为本实用新型较佳实施例的系统结构示意图；
[0025]图2为本实用新型较佳实施例的使用状态示意图。
【具体实施方式】
[0026]参见图1，本实用新型较佳实施例的系统结构包括数据采集子系统、智能控制子系统、调峰子系统、飞轮储能子系统、升压整流子系统和能量回收子系统。数据采集子系统与智能控制子系统通过CAN0PEN协议通讯连接，智能控制子系统内部采用工业以太网。智能控制子系统连接一个以太网/CAN0PEN协议转换器后，再通过CAN0PEN协议与调峰子系统、飞轮储能子系统、升压整流子系统以及能量回收子系统通讯连接。
[0027]参见图2，本实用新型提供了一种在钻井起下钻工况下消除此工况所带来的冲击负荷的控制方案。通过数据采集子系统，对机械钻机的负载状况进行采集和分析，自动判断传动系统负载状态。当传动系统处于空载或负载较小的情况时，通过智能控制子系统控制调峰电机在柴油机组带动下发电运行，给储能器提供电能，由储能器存储能量。当动力系统有突加负载时，通过控制系统控制调峰电机切换到电动机运行状态，由储能器输出电能，经控制系统调节，控制调峰电机输出动力，承担突加负载的冲击，待负载稳定后逐渐退出，达到平抑负载对动力系统中发动机的冲击，保障动力系统平稳高效运行。
[0028]在此基础上，本实用新型增加了升压整流子系统，钻机井场辅助发电机输出的400VAC交流三线电源，经过400VAC/690VAC升压变压器升压至690VAC三相交流电源，再通过整流器整流为900VDC直流电源，为调峰子系统的逆变器及飞轮系统提供直流电源，飞轮系统即可以通过调峰子系统发电反馈来储能也可以通过升压整流系统提供直流电源来储能。在直流母线上并配有制动系统，该系统包括两组制动单元，分别连接两组制动电阻，单组额定制动电流为85A最大制动电流为300A，可有效确保直流母线电压稳定，防止因电压太高损坏其他设备或危及人员安全。增加能量回收子系统，在游车下放过程中将势能通过能量回收电机转化为电能输到直流母线上，通过飞轮逆变器控制存单元使飞轮电机加速，将能量存储在飞轮储能器中，提高了能源的利用率。
[0029]智能控制子系统的主网络为工业以太网，消除因网络传输导致的时滞，以西门子S7_1200PLC作为网络服务器，钻台区子站S7_smart200PLC，上位机HM1、CAN0PEN/以太网协议转换器为网络客户机。钻台区子站S7_smart200PLC用于采集钻台区离散量数据及悬重信号，做初步数据处理。上位机HMI用于参数设定，实时数据显示，故障诊断。CAN0PEN/以太网协议转换器用于将升压整流子系统、调峰子系统、飞轮储能子系统、能量回收子系统四个子系统的数据打包。CAN0PEN网络中，CAN0PEN/以太网协议转换器作为网络主站，升压整流子系统、调峰子系统、飞轮储能子系统、能量回收子系统作为网络从站。Mod-bus网络中，S7_1200PLC作为主站，ICU200作为网络从站。
[0030]系统采用三级结构:直接控制级、过程控制级、系统管理级，数据采集系统包括工控机、上位软件、下位采集设备、传感器以及数据传输协议等。其中工控机采用研华工控机，上位软件采用西门子监控软件、传感器包括速度传感器、悬重传感器、压力开关、编码器，数据传输协议使用标准以太网通讯协议。
[0031]智能控制器CPU采用DSP控制芯片，有数字量输入输出、模拟量输入输出，485串口，24VDC供电。将采集到的数据分析，自动判断此时动力系统是处于轻载状态或是冲击负荷状态。同时，控制器可以通过控制对象的数学模型，计算出此时应输出扭矩，使动力系统达到柔性输出运行状态。
[0032]调峰电机，额定电压600VDC，额定电流1138，额定功率1000kW，额定转速799r/min，最高转速1198r/min。在动力系统空载或者轻载的时候，可以作为发电机，当遇到突变负载时，可以作为电动机。
[0033]飞轮储能器的基本特征，采用合金钢飞轮，采用永磁轴承、永磁电机，采用IGBT功率模块，最高工作转速2700r/min。在动力系统空载或者轻载时，可以通过永磁电机加速提高飞轮转速，将电能以动能的形式储存，在动力系统遇到突变负载时，飞轮将存储的动能以电能的方式输出。
【主权项】
1.一种机械调峰电控系统，包括数据采集子系统、智能控制子系统、调峰子系统、飞轮储能子系统;所述数据采集子系统与智能控制子系统通讯连接;所述智能控制子系统分别与调峰子系统和飞轮储能子系统通讯连接； 其特征在于:所述机械调峰电控系统还包括与智能控制系统通讯连接的升压整流子系统。2.根据权利要求1所述的机械调峰电控系统，其特征在于:所述升压整流子系统包括依次连接的辅助发电机、升压变压器和整流器;所述整流器通过直流母线与智能控制子系统、调峰子系统以及飞轮储能子系统相连。3.根据权利要求1或2所述的机械调峰电控系统，其特征在于:所述升压整流子系统还包括与直流母线相连的制动模块。4.根据权利要求3所述的机械调峰电控系统，其特征在于:所述机械调峰电控系统还包括与智能控制系统通讯连接的能量回收子系统，所述能量回收子系统通过直流母线与飞轮储能子系统相连。5.根据权利要求4所述的机械调峰电控系统，其特征在于:所述数据采集子系统与智能控制子系统之间通过MODBUS协议通讯连接;所述智能控制子系统内部采用工业以太网；所述智能控制子系统连接一个协议转换器后，再通过CAN0PEN协议与调峰子系统、飞轮储能子系统、升压整流子系统以及能量回收子系统通讯连接。6.根据权利要求5所述的机械调峰电控系统，其特征在于:所述数据采集子系统包括速度传感器、压力开关、悬重传感器和编码器。7.根据权利要求6所述的机械调峰电控系统，其特征在于:所述智能控制子系统包括上位机HM1、工况机、系统PLC和智能控制器CPU。8.根据权利要求7所述的机械调峰电控系统，其特征在于:所述调峰子系统包括调峰电机、减速箱和逆变器;所述调峰电机通过减速箱与并车传动箱相连。9.根据权利要求8所述的机械调峰电控系统，其特征在于:所述飞轮储能子系统包括飞轮电机和飞轮;所述飞轮电机与逆变器相连。10.根据权利要求9所述的机械调峰电控系统，其特征在于:所述飞轮电机为永磁电机，所述飞轮为合金钢飞轮;永磁电机通过永磁轴承与合金钢飞轮相连。
【文档编号】G05B19/04GK205540048SQ201620180846
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年3月9日
【发明人】吕邦凯, 李彬, 郭巧合, 马海涛, 唐献伟
【申请人】西安宝德自动化股份有限公司