专利名称：直流主电机自动送钻系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种自动送钻系统，特别是涉及一种在石油钻机上，利用绞车的 直流主电机自动送钻系统。
背景技术：
目前，石油钻机电驱动系统采用的自动送钻系统主要有四种类型1、独立小电机送钻，是在计算机控制下，通过45KW的独立变频电动机，经摆线针 轮行星减速器后输入齿轮减速器驱动绞车滚筒轴转动，实现自动送钻功能。它可以实现恒 压送钻与恒速送钻；使用范围相对较大，可用于半电动系统钻机、全电动直流系统、全电动 变频系统。但该送钻系统在机械上要另外使用大传动比的齿轮箱，以及高性能的气胎离合 器等；在电气上又要增加送钻变频柜。司钻挂合与解除自动送钻操作步骤繁琐；成本相对 较高；机械维修工作量大。2、绞车主变频电机送钻，是在计算机软硬件控制下，通过800KW的变频电动机，经 齿轮减速箱驱动绞车滚筒轴转动，实现自动送钻功能。它可以实现恒压送钻与恒速送钻；且 操作方便，可靠性高，尤其以国外知名集成商的控制系统效果更好。但是该送钻系统仅能在 电驱动变频钻机上利用绞车变频系统实现，而变频电动钻机的成本相当昂贵，因此大面积 推广使用十分受限。3、盘式刹车送钻，是经电控箱、现场各种液压阀、传感器的软硬件结合，通过盘式 刹车实现自动送钻功能。它可以实现恒压送钻；其成本低廉，使用范围大，半电动系统钻机、 全电动直流系统、全电动变频系统以及纯机械钻机具均可使用。但由于受液压系统动作反 应慢的影响，运行中的盘刹工作钳经常处于似抱似松的状态，磨损严重，使其使用寿命大大 缩短；并且不能够实现恒速送钻。4、伊顿刹车自动送钻，是由可编程逻辑控制器(Programmable IogicController, PLC)的程序运算后输出电信号，经阀岛控制伊顿刹车的大、小气缸的压力，实现自动送钻功 能。其成本低、易于操作，作为辅助刹车，可以配套所有石油钻机使用。但是由于伊顿刹车 是靠气压调节刹车片的制动力矩，因此，控制精度不是很理想。由此可见，上述现有的四种类型的自动送钻系统在结构与使用上，显然仍存在有 不便与缺陷，例如伊顿刹车送钻和盘式刹车送钻，本身不能产生电动能，无法实现变频电机 自动送钻系统所具有的恒速送钻功能，同时就绞车主变频电机送钻而言，昂贵的成本则限 制了其大面积推广与使用。另外，由于石油钻机电驱动领域大量使用直流驱动系统，因此， 如何能创设一种性价比更高的新型结构的直流主电机自动送钻系统，实属当前重要研发课 题之一，亦成为当前业界极需努力的目标。有鉴于上述现有的四种类型的自动送钻系统存在的缺陷，本发明人基于从事此类 产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以 期创设一种新型结构的直流主电机自动送钻系统，能够改进一般现有的自动送钻系统，使 其更具有实用性。经过不断的研究、设计、和可行性论证，并经过反复试验及优化程序后，终于创设出以直流主电机为控制对象的确具实用价值的本发明，为石油钻机自动送钻技术领 域又增添了一种新型的自动送钻控制系统。
发明内容本实用新型的目的在于，克服现有的自动送钻系统存在的缺陷，而提供一种新型 结构的直流主电机自动送钻系统，所要解决的技术问题是使其在石油钻机电驱动系统的自 动送钻系统中以直流方式驱动绞车的直流主电机，实现自动送钻功能，非常适于实用。本实用新型的目的及解决其技术问题是采用以下的技术方案来实现的。依据本实 用新型提出的一种直流主电机自动送钻系统，配套于石油钻机的绞车，使其在受控的方式 下恒压送钻，其中，在该绞车的滚筒上多圈缠绕有一单根钢丝绳，该钢丝绳的一端紧固于死 绳固定器上，另一端通过安装在井架顶端的定滑轮悬挂一可上下运动的游车，在该游车的 下端卡有可旋转的组合钻具，该直流主电机自动送钻系统包括一直流主电机，安装在钻台 上，通过链条与该绞车的滚筒连接；一悬重变送器，安装于该死绳固定器处；一滚筒轴编码 器，与该绞车的滚筒同轴安装；一自动化控制器，实时接收由该悬重变送器检测到的该游车 悬重的悬重信号，及由该滚筒轴编码器测得的该滚筒转动的速度信号；以及一直流调速装 置，接收该自动化控制器发出的一控制信号，输出直流电流至该直流主电机，产生力矩驱动 该绞车。本实用新型的目的以及解决其技术问题还可以采用以下的技术措施来进一步实 现。前述的直流主电机自动送钻系统，其中所述的直流主电机还设有一电流互感器。前述的直流主电机自动送钻系统，其中所述的自动化控制器还实时接受该电流互 感器采集到的该直流主电机的电流信号。前述的直流主电机自动送钻系统，其中所述的自动化控制器具有一压力调节器、 一速度调节器及一电流调节器。前述的直流主电机自动送钻系统，其中所述的压力调节器接收由该悬重信号转换 成的一实际钻压反馈值信号，及一钻压给定值信号，经比例积分运算输出一第一输出信号。前述的直流主电机自动送钻系统，其中所述的给定钻压值信号是由操作人员通过 该自动化控制器的一人机界面输入。前述的直流主电机自动送钻系统，其中所述的速度调节器接收由该速度信号转换 成的一实际速度反馈值信号，及作为速度给定值信号的该第一输出信号，经比例积分运算 输出一第二输出信号。前述的直流主电机自动送钻系统，其中所述的电流调节器接收由该电流信号转换 成的一实际电流反馈值信号，及作为电流给定值信号该第二输出信号，经比例积分运算输 出该控制信号。前述的直流主电机自动送钻系统，其中所述的自动化控制器为可编程逻辑控制
ο本实用新型与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本 实用新型直流主电机自动送钻系统至少具有下列优点及有益效果本实用新型在以直流驱 动电控系统上首次成功实现了自动送钻功能，并且在使用时无需增加任何附属设备，电控
4系统本身的配置，就已具备自动送钻的硬件配置要求，因此可以在降低成本的条件下，达到 正常钻进时自动、合理、可靠地下放钻具的效果。综上所述，本实用新型是有关于一种直流主电机自动送钻系统，是一种配套于石 油钻机上的绞车以保持恒定钻压方式自动钻进的控制系统，此系统由硬件和软件两部分组 成。硬件包括直流主电机、绞车、游车、组合钻具、直流调速装置、自动化控制器(PLC)以及 安装于现场指定位置的悬重变送器、和滚筒轴编码器等；软件包括上位机程序、PLC程序。 本实用新型通过软硬件的有机结合，以钻压环、速度外环和电流内环组成三闭环的自动控 制，使得钻头在钻进过程中实时承受司钻设定的钻压，从而实现了恒压送钻功能。这种以直 流主电机为控制对象，实现自动送钻功能的自动送钻系统，填补了目前国内石油钻机使用 直流主电机实现自动送钻功能的空白。本实用新型在技术上有显著的进步，并具有明显的 积极效果，诚为一新颖、进步、实用的新设计。上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技 术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其他目的、特征 和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
[0023]图1是本实用新型j流主电机自动送钻系统的机械配置示意图。[0024]图2是本实用新型jI流主电机自动送钻系统的控制方框示意图。[0025]图3是本实用新型jI流主电机自动送钻系统的控制原理示意图。[0026]图4是本实用新型jI流主电机自动送钻系统的人机界面示意图。[0027]1 自动化控制器2 直流调速装置[0028]3 悬重变送器4 滚筒轴编码器[0029]5 直流主电机6 上位机程序[0030]7 =PLC程序8:滚筒[0031]9 钢丝绳10 链条[0032]11 定滑轮12 游车[0033]13 钻杆14 钻头[0034]15 钻台16 井架
具体实施方式
为更进一步阐述本实用新型为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下 结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提出的直流主电机自动送钻系统其具体实施方 式、结构、特征及其功效，详细说明如后。有关本实用新型的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较 佳实施例的详细说明中将可清楚的呈现。通过具体实施方式
的说明，当可对本实用新型为 达成预定目的所采取的技术手段及功效获得一更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是 提供参考与说明之用，并非用来对本实用新型加以限制。请参阅图1所示，是本实用新型直流主电机自动送钻系统的机械配置示意图，本 实用新型直流主电机自动送钻系统的直流主电机5安装在钻台15上，通过链条10与绞车的滚筒8连接，实现直流主电机5对滚筒8的驱动。滚筒轴编码器4与滚筒8同轴安装，并 且在滚筒8上多圈缠绕有单根钢丝绳9，钢丝绳9的一端紧固在死绳固定器(未图示)上， 另一端通过安装在井架16顶端的定滑轮11悬挂着游车12，从而通过滚筒8的正转和反转， 使游车12上下运动，可旋转的组合钻具卡在游车12下方，该组合钻具的旋转是由转盘(未 图示)驱动，如图所示，该组合钻具包括钻杆13和设置于钻杆13下端的钻头14，同时，在死 绳固定器上安装有可以感知当前钻具悬重的悬重变送器3。这样，在进钻时，深入地层最下 端的钻头14，会直接与井底岩层接触，由于主要受到钢丝绳9向上的拉力以及组合钻具的 自重等因素的共同作用，为避免过重的压力损坏钻头14，要保证落在钻头14上的压力保持 在某一个相对恒定的范围。请配合参阅图2及图3所示，图2是本实用新型直流主电机自动送钻系统的控 制方框示意图，图3是本实用新型直流主电机自动送钻系统的控制原理示意图，为实现正 常钻进时以保持恒定钻压方式的自动钻进控制，本实用新型的直流主电机自动送钻系统 还包括自动化控制器1和直流调速装置2。自动化控制器1更包括压力调节器、速度调 节器和电流调节器。在本实施例中自动化控制器1为可编程逻辑控制器(Programmable LogicController, PLC)，其内部运行有PLC程序7和上位机程序6。由此，本实用新型通过由钻压环、速度外环和电流内环组成三闭环的自动控制，使 得钻头14在钻进过程中实时承受司钻设定的钻压，从而实现恒压送钻。其控制过程具体描 述如下首先，通过上位机程序6的操作画面及PLC程序7，实时处理钻进过程中由悬重变 送器3检测到的游车悬重的悬重信号(信号)，将其转换成瞬时钻压信号作为实际钻压反馈 值(信号)，并与由上位机程序6的画面输入的钻压给定值(信号)通过压力调节器进行 比例积分运算，输出一第一输出信号，该运算结果的第一输出信号是作为速度环的给定值 (信号)，这样就实现了恒钻压的闭环控制。然后，通过PLC程序7，将钻压环的输出作为速度给定值(信号)，与由滚筒轴编码 器4实时测得的滚筒8的当前速度值作为实际速度反馈值(信号)，经速度调节器比例积分 运算，并经限幅处理速度环的输出，获得一第二输出信号，这样速度的闭环控制构成了速度 外环。速度外环比例积分运算的结果，将作为电流内环的给定。同时，通过与绞车滚筒8同 轴安装的滚筒轴编码器4检测钻具下放的实际速度，实现对下放钻具超速、溜钻等失控现 象的保护。最后，通过PLC程序7，将速度外环比例积分运算输出的第二输出信号作为电流内 环的电流给定值(信号)，与从安装于直流主电机5的电流互感器(未图示)采集到的实际 电流值(信号)作为实际电流反馈值(信号)，经电流调节器比例积分运算，输出一控制信 号，控制直流调速装置2，直流调速装置2则输出直流电流至直流主电机5，直流主电机5产 生力矩驱动绞车在受控的方式下恒压钻进。本实用新型的核心是通过由钻压环、速度外环以及电流内环组成的三闭环控制系 统。并且在控制过程中，直流主电机5在钻具重力等因素的作用下会反转发电，工作在第四 象限，从而向电网回馈能量。最终使得直流调速装置2输出受控的直流电流，控制受控对象 直流主电机5产生力矩驱动绞车，绞车则在受控的情况下恒压钻进，达到正常钻进时自动、 合理、可靠地下放钻具的效果。
6[0044]本实用新型在具体操作时，通过上位机程序6的人机界面实现对系统恒压进钻的 人机交互监控，其中人机界面主要由模拟量显示画面，送钻操作画面、高度显示画面等组 成，如图4所示，图4是本实用新型直流主电机自动送钻系统的人机界面示意图。其中，模 拟量显示画面监控滚筒8的实际速度、游车12悬重、实际钻压。送钻操作画面提供给司钻 选择自动送钻。当钻头14到达井底位置时，首先钻压校零，然后设定给定钻压、下放速度限 制，之后松开盘刹，完全进入自动送钻模式。其中，高度显示画面会监控游车12的当前高 度。以下为利用西门子PLC-S7-300程序中集成的SCL语言，编写的本实用新型的程序 功能块F**，其实用程序段如下
FUNCTION FCll =VOID TITLE =’ SLIT0N_FC**， VERSION ‘ 1· Γ AUTHOR :Zhj NAME :FB FAMILY SLITION KN0ff_H0ff_PR0TECT VAR INPUT
KP TI TD
HI_LIMIT L0_LIMIT HI_LIMIT_1 GV DELAY
REAL REAL REAL REAL REAL REAL REAL REAL
FBV END_VAR VAR
ek=REAL ；
END_VAR VAR_TEMP
MW_TEMP :INT ； END_VAR VAR_0UTPUT
U-.real ；
END_VAR BEGIN
//ek = GV_DELAY-FBV ；
/P参数 /I参数 /D参数
经过延时后的给定 反馈
偏差值
/PID计算后的输出值
//U = dblO.Ul+KP* (ek-dblO. ekl)+KP氺0· 02氺ek/TI+KP氺Td氺(ek-2*dbl0. ekl+dblO. ek2)/0. 02 ；//0. 02 是运算周期设定为 20ms
7[0075]END_IF ；由SCL语言编写的源文件，经编译后生成的程序功能块F#，是被组织块0B35中断 调用，中断周期设定为20mS。系统通过实时采集游车12悬重、滚筒实际速度、转盘转矩、泥浆泵压力等信号，与 事先设定值进行比较，可以完成对异常现象的及时诊断和保护。但它主要的任务仍然是进 行钻压环与速度环的比例积分(PI)调节，其中钻压环的设置是功能块名称FC10，比例P =4. 08、积分I = 8. 30 ；速度环的设置是功能块名称FCll，比例P = 1. 52、积分I = 6. 63， 以上数据取自现场调试的最终结果。速度环运算的结果，给电流环提供了一个精确的电流 给定值。而电流调节器控制触发脉冲，此触发脉冲去触发直流调速装置2的功率组件产生 直流电流，最后驱动直流主电机5。同时，运行程序完成对游车12当前高度和滚筒8实际速 度进行监控。以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上 的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟 悉本专业的技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容 作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内 容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍 属于本实用新型技术方案的范围内。
权利要求一种直流主电机自动送钻系统，配套于石油钻机的绞车，使其在受控的方式下恒压送钻，其中，在该绞车的滚筒上多圈缠绕有一单根钢丝绳，该钢丝绳的一端紧固于死绳固定器上，另一端通过安装在井架顶端的定滑轮悬挂一可上下运动的游车，在该游车的下端卡有可旋转的组合钻具，其特征在于该直流主电机自动送钻系统包括一直流主电机，安装在钻台上，通过链条与该绞车的滚筒连接；一悬重变送器，安装于该死绳固定器处；一滚筒轴编码器，与该绞车的滚筒同轴安装；一自动化控制器，实时接收由该悬重变送器检测到的该游车悬重的悬重信号，及由该滚筒轴编码器测得的该滚筒转动的速度信号；以及一直流调速装置，接收该自动化控制器发出的一控制信号，输出直流电流至该直流主电机，产生驱动该绞车的力矩。
2.根据权利要求1所述的直流主电机自动送钻系统，其特征在于其中所述的直流主电 机还设有一电流互感器。
3.根据权利要求2所述的直流主电机自动送钻系统，其特征在于其中所述的自动化控 制器还实时接受该电流互感器采集到的该直流主电机的电流信号。
4.根据权利要求3所述的直流主电机自动送钻系统，其特征在于其中所述的自动化控 制器具有一压力调节器、一速度调节器及一电流调节器。
5.根据权利要求4所述的直流主电机自动送钻系统，其特征在于其中所述的压力调节 器接收由该悬重信号转换成的一实际钻压反馈值信号，及一钻压给定值信号，经比例积分 运算输出一第一输出信号。
6.根据权利要求5所述的直流主电机自动送钻系统，其特征在于其中所述的给定钻压 值信号是由操作人员通过该自动化控制器的一人机界面输入。
7.根据权利要求5所述的直流主电机自动送钻系统，其特征在于其中所述的速度调节 器接收由该速度信号转换成的一实际速度反馈值信号，及作为速度给定值信号的该第一输 出信号，经比例积分运算输出一第二输出信号。
8.根据权利要求7所述的直流主电机自动送钻系统，其特征在于其中所述的电流调节 器接收由该电流信号转换成的一实际电流反馈值信号，及作为电流给定值信号该第二输出 信号，经比例积分运算输出该控制信号。
9.根据权利要求1所述的直流主电机自动送钻系统，其特征在于其中所述的自动化控 制器为可编程逻辑控制器。
专利摘要本实用新型是有关于一种直流主电机自动送钻系统，是一种配套于石油钻机上的绞车以保持恒定钻压方式自动钻进的控制系统，此系统由硬件和软件两部分组成。硬件包括直流主电机、绞车、游车、组合钻具、直流调速装置、自动化控制器(PLC)以及安装于现场指定位置的悬重变送器、和滚筒轴编码器等；软件包括上位机程序、PLC程序。本实用新型通过软硬件的有机结合，以钻压环、速度外环和电流内环组成三闭环的自动控制，使得钻头在钻进过程中实时承受司钻设定的钻压，从而实现了恒压送钻功能。这种以直流主电机为控制对象，实现自动送钻功能的自动送钻系统，填补了目前国内石油钻机使用直流主电机实现自动送钻功能的空白。
文档编号E21B19/08GK201650158SQ20102011348
公开日2010年11月24日 申请日期2010年2月9日 优先权日2010年2月9日
发明者党存禄, 刘建宏, 张海军, 朱宏瑛, 武利珍, 王凯 申请人:北京四利通控制技术有限公司