电动钻机司钻房电气控制系统设计 - 图文

毕业设计（论文）

电动钻机司钻房电气控制系统设计

院（系） 电子信息工程学院 专业班级 自************ 学生姓名 ** 指导教师 *** ******

2010年 6 月8 日

毕业设计（论文）

题 目 电动钻机司钻房电气控制系统设计

院 （系） **** 专业班级 **** 学生姓名 **** 学号 ********** 指导教师 ****** 职称 ****** 评阅教师___ 职称___

2010年 6 月 8 日

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1. 设计（论文）的内容包括：

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文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3. 附件包括：任务书、文献综述、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。 4. 文字、图表要求：

1) 文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请

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2) 工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合

国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3) 毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印 4) 图表应绘制于无格子的页面上

5) 软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档 5. 装订顺序

1) 设计（论文）

2) 附件：按照任务书、文献综述、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订 3) 其它

学生毕业设计（论文）原创性声明

本人以信誉声明：所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，设计（论文）中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

毕业设计（论文）作者（签字）：

2010年 6 月 8 日

重庆科技学院本科生毕业设计 中文摘要

摘 要

电气控制系统是电动钻机的动力源和自动控制中心。属于石油钻井装备中最关键的设备。它不仅为钻机提供全套高品质动力能源，而且是整台钻机运转的精神中枢。

本文分析了石油钻机的发展现状和发展趋势，提出了电动钻机司钻房的电气控制理论，主要阐述了在电动钻机的控制系统中，绞车控制的系统方案，特别是绞车电子防碰系统的设计；转盘控制系统的方案，特别是转盘反扭矩释放系统的设计。通过分析各系统的工艺流程，优选PLC、变频器进行PLC控制系统的设计，采用Profibus DP总线和多功能触摸屏，实现了绞车和转盘的触摸屏操作系统。 关键词：电动钻机 绞车控制 转盘控制 电气控制

I

重庆科技学院本科生毕业设计 英文摘要

ABSTRACT

Electric control system is the power source and control center of electric drilling rig. It is the most critical devices of oil drilling. It not only offers a full range of high quality power and energy for the oil-drilling rig, but also the center of the whole drilling rig’s operation.

This paper analyzes the development status of drilling rig and development trend of electric rig drilling. Proposed the electrical control theory of driller's control system, expounds the electric drilling in the control system, winch control system solutions, particularly winch electronic anti-collision system design; Rotarytable ontrol system solutions, particularly reactive torque release in rotarytable control system. By analyzing the system's process, choose optimization PLC, frequency converter for PLC control system, using Profibus DP bus and multi-touch screen, realized the winch and the turntable's touch screen operating system.

Key word：electric drilling rig；winch control system；rotarytable control system； electric control system

II

重庆科技学院本科生毕业设计 目录

目 录

摘 要 ............................................................... I ABSTRACT ......................................................... II 目 录 .............................................................. III 1 绪 论 .............................................................. 1

1.1石油钻机的概述 ................................................ 1

1.1.1 钻井工艺对钻机的要求 .................................... 1 1.1.2 钻机的组成 .............................................. 1 1.1.3 钻机的工作原理 .......................................... 3 1.2 石油钻机的发展现状和展望 ..................................... 4

1.2.1 石油钻机的发展现状 ...................................... 4 1.2.2石油钻机的发展趋势 ...................................... 6 1.3司钻房的功能和要求 ............................................ 6

1.3.1 司钻房的功能 ............................................ 6 1.3.2 司钻房的要求 ............................................ 7 1.4课题研究的意义和目的 .......................................... 7 1.5本文主要研究的内容和主要工作 .................................. 7

1.5.1本课题的任务 ............................................ 7 1.5.2本课题的重点内容 ........................................ 7 1.5.3本课题的实现途径 ........................................ 8 1.6本章小结 ...................................................... 8 2 石油钻机控制系统简介 ............................................... 9

2.1发电控制系统概述 .............................................. 9 2.2主传动控制调速系统概述 ....................................... 11

2.2.1 钻机的电气传动特性 ..................................... 11 2.2.2 钻机的主传动调速系统方案 ............................... 12 2.3配电系统概述 ................................................. 14 2.4本章小结 ..................................................... 15 3 司钻房控制系统设计 ................................................ 16

3.1司钻房的概述 ................................................. 16

3.1.1 司钻控制房的房体系统概述 ............................... 17 3.1.2 司钻控制房的控制系统概述 ............................... 17 3.1.3 司钻控制房的显示系统概述 ............................... 18 3.2 司钻房气控系统概述 .......................................... 19

3.2.1 司钻房气控系统的功用 ................................... 19 3.2.2 司钻房气控系统的工艺要求 ............................... 19 3.2.3 司钻房气控系统的组成 ................................... 19 3.2.4 钻房气控系统的功能元件——阀岛 ......................... 19 3.3 司钻房气控系统方案 .......................................... 20

3.3.1 司钻房阀岛功能分配 ..................................... 20 3.3.2 司钻房气控系统设计 ..................................... 22

III

重庆科技学院本科生毕业设计 目录

3.4 本章小结 .................................................... 26 4 绞车控制系统设计 .................................................. 27

4.1 绞车的概述 .................................................. 27

4.1.1 绞车的功用 ............................................. 27 4.1.2 绞车的工艺要求 ......................................... 27 4.1.3 绞车电机的主要技术参数 ................................. 28 4.2 绞车控制系统方案 ............................................ 28

4.2.1 绞车驱动系统 ........................................... 28 4.2.2 绞车电子防碰系统设计 ................................... 31 4.2.3 绞车的程序流程图设计 ................................... 35 4.3 绞车操作人机界面设计 ........................................ 36 4.4本章小结 ..................................................... 37 5 转盘控制系统设计 .................................................. 38

5.1转盘的概述 ................................................... 38

5.1.1 转盘的功用 ............................................. 38 5.1.2 转盘的工艺要求 ......................................... 38 5.1.3 转盘电机的主要技术参数 ................................. 38 5.2转盘控制系统方案 ............................................. 39

5.2.1 转盘驱动系统 ........................................... 39 5.2.2 转盘的反扭矩释放设计 ................................... 41 5.2.3 转盘的程序流程图设计 ................................... 44 5.3 顶部驱动钻井的简介 .......................................... 45

5.3.1 顶部驱动钻井结构 ....................................... 46 5.3.2 顶部驱动钻井的特点 ..................................... 46 5.4 转盘人机界面设计 ............................................ 49 5.5 本章小结 .................................................... 50 6总结 .............................................................. 51 参考文献 ............................................................ 52 致谢 ................................................................ 53 附 录1 变量编址表 附 录2 PLC硬件图 附 录3 PLC流程图

IV

重庆科技学院本科生毕业设计 1绪论

1 绪 论

1.1石油钻机的概述

现代石油钻机是一套庞大的联合机组，包括内容广，涉及的种类多，它随着钻井方法、钻井技术的发展而不断的发生变化和完善。本章首先介绍石油钻机的要求及钻机的组成和原理，然后介绍石油钻机的发展现状和发展趋势。

1.1.1 钻井工艺对钻机的要求

钻井工艺对机械设备的基本要求有以下几个方面：

①要有足够起升功率：即有足够的起重能力，保证起得动，起得快。 ②要有旋转钻进的能力：要求能为钻具提供一定的钻速和扭矩，并保持一定的钻压。

③要有清除岩屑的能力：要求能提供具有一定压力和流量的钻井液，有效的冲洗井底，并将岩屑携带出井外。

此外，钻机要适应不同地区的钻井需要，如沙漠、沼泽、海洋等。同时因钻机的流动性大，要求设备容易安装、拆卸和运输。钻机的操作和维修工作必须简单易行，易损件便于更换。

1.1.2 钻机的组成

石油钻机是具有多种机器设备组成，具有多种功能的成套性联合工作机组，如图1.1所示。它主要包括了旋转钻进系统、钻井液循环系统、钻具起升系统、动力机组、传动和控制系统、底座和其它辅助设备等。

为了满足钻井工艺的要求，整套钻机必须具备下列各系统和设备。 ① 起升系统

起升系统在钻井过程中的主要作用是起下钻具、下套管、悬持钻具和钻头送 进等。这套设备由钻井绞车、辅助刹车、游动系统和井架组成。

② 旋转系统

旋转系统在钻井中的主要作用是带动井中钻具旋转，并带动钻头破碎岩石。旋转系统包括的主要设备有转盘和水龙头。在钻井过程中，转盘主要完成转动井中钻具，传递足够大的扭矩和必要的转速；下套管或起、下钻时，承托井中全部套管柱或钻杆柱重量；完成卸钻头、卸扣与处理事故时倒扣、进扣等辅助工作。水龙头是提升、旋转、循环3大工作机组交汇的“关节”部件，它的主要作用是：悬持旋转着的钻杆柱，承受大部分以至全部钻具重量；向转动着的钻杆内输入高压钻井液。

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重庆科技学院本科生毕业设计 1绪论

1一天车；2一井架；3一二层台；4一游车；5一立管与水龙带；6一大钩；7一水龙头；8一梯子；9一吊杆；l0一钻杆台；11一钻台；l2一振动筛；13一旋流器；14一钻台底座；l5一后台底座；l6一并车传动箱；17一后台；l8一钻井液池；l9一快绳稳定器；20一转盘；21一控制台； 22一绞车；23一变速箱；24一爬坡链；25一柴油机组成；26一泵胶带传动副；27一空气清洁系统；28一空气压缩机；29一燃料油罐；30一润滑油罐；31一压气罐；32一离心泵；33一发电站；34一泵房平台；35一钻井泵组

图1.1 石油钻机的组成

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重庆科技学院本科生毕业设计 1绪论

③ 循环系统

循环系统在钻井中的主要作用是循环钻井液，使其及时清洗井底，携带走被钻头破碎的岩屑，保护井壁并冷却钻头。其主要设备包括钻井泵（在钻井现场习惯称为泥浆泵）、地面高压管汇、钻井液净化及调配设备等。

上述3大系统设备是直接服务于钻井生产的，是钻机的3大工作机组。 ④ 动力驱动系统

为了供应3大工作机组及其它辅助机组（如空气压缩机）的动力，钻机必须配备动力驱动设备及其辅助装置。这种动力驱动设备可是内燃机及其供油设备，也可以是交流电动机、直流电动机及其供电、保护、控制设备等。

⑤ 传动系统

传动系统的作用是连接发动机和工作机组，实现从驱动设备到工作机组的能量传递、分配及运动方式的转换。传动系统应包括减速、并车、转向、倒转及变速机构等。

现代钻机传动系统除机械传动外，还有液力传动（液力耦合器、液力变矩器）、液压传动、电传动等形式。

⑥控制系统和监测显示仪表

控制系统是钻机自动化程度高低的一个重要标志，它的主要作用是指挥各系统的协调工作。常用的控制系统有机械控制、气控制、液控制和电、气、液联合控制。

监测显示仪表的主要作用是记录和显示地面设备和井下设备的工况，为控制系统提供控制依据，常用的仪表有指重表、转盘扭矩等。

⑦钻机底座

底座是钻机组成部分之一。它包括钻台底座和机房底座，用以安装钻井设备，方便钻井设备的移运。钻机底座用以安装井架、转盘，放置立根盒及必要的井口工具，多数还要安装钻井绞车，下方应能容纳必要的井口装备。

⑧辅助设备

为保证钻井工作的顺利运行，钻井设备一般都配有供气设备（压缩机、储气罐）、辅助发电设备、井控设备、钻鼠洞设备与辅助起重设备，在寒冷地带钻井时必须配备有保温设备。

1.1.3 钻机的工作原理

石油埋藏在地下几百米乃至上万米的地下岩层中，为了勘探和开采石油、天然气，就需要进行钻井作业，即破碎岩石，取出岩屑，形成一个从地面到油气层的牢固的通道。一口井从开钻到完钻，需要经过三个过程：一是破碎岩石；二是取出岩屑，保护井壁；三是固井和完井，形成油气流通道。

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重庆科技学院本科生毕业设计 1绪论

现代钻井方法主要是旋转钻井法，该钻井法的工作原理如图1.2所示：

图1.2 转盘旋转钻井示意图

1一水龙头；2一方钻杆；3一绞车； 4一转盘；5一防喷器；6一泥浆槽； 7一泥浆池；8一空气包；9一钻井泵；10一动力机；11一大钩；l2一游动滑车；l3一天车

井架、天车、游车、大钩及绞车组成起升系统，以悬持、提升、下放钻柱。接在水龙头下的钻杆卡在转盘中，下部承接钻杆柱、钻铤、钻头。钻杆柱是真空的，可以通入清水或者钻井液。工作时，动力机驱动转盘，通过方钻杆带动井中钻杆柱，从而带动钻头旋转。控制绞车刹把，可调节由钻杆柱重量施加到钻头上的压力（俗称钻压）大小，使钻头以适当压力压在岩石面上，连续旋转破碎岩层。与此同时，动力机驱动钻井泵，使钻井液从钻头水眼喷入井底，携带被钻头破碎的岩屑通过钻杆柱和井筒的环形空间返回地面，进行钻井液循环，这样就可以实现连续钻井作业。

1.2 石油钻机的发展现状和展望

1.2.1 石油钻机的发展现状

电驱动应用于钻机最早开始于20世纪50年代中期，随后逐步完善和成熟。与机械驱动相比，电驱动具有调速特性好、经济性能高、可靠性强、故障率低、操作更安全、方便、灵活、易于实现自动控制等一系列的优越性。特别是全数字控制系统的出现，使得电驱动控制系统控制性能更完善，可靠性更高，调整及更改功能更便捷，故障诊断及维修更方便。电驱动还可以通过可编程控制器获得很

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重庆科技学院本科生毕业设计 1绪论

多机械驱动所无法实现的功能，如顺序操作和联锁功能等。

我国电动钻机的电气控制系统的研究始于20世纪70年代中期，本世纪80年代末，在借鉴国外先进水平的前提下，生产出了我国第一台直流驱动的ZJ45D陆地自动钻机。并经过十余年的技术储备，我国开始了对全数字钻机电气控制系统的研究。近几年将交流变频调速技术应用于石油钻井设备上，生产出了全数字交流驱动电动钻机。

①可控硅直流电驱动(AC—SCR—DC)钻机的控制构成 可控硅整流器(Silicon Controlled Rectifier简称SCR)。

柴油机

交流发电机 交

流母线

整流器 整流器 整流器 整流器 变压器

直流电动机 直流电动机 直流电动机 直流电动机

转盘 绞车 钻井泵1 钻井泵2

MCC（交流电动机控制中心）

②交流变频电驱动(AC—VFD—AC)钻机的控制构成

变频器(Variable Frequency Driver，简称VFD) ，按变频器分有无公共直流母线有以下两类：

1）变频器无直流母线的交流变频电驱动形式

交流 发电机组

交流母线

变频器 变频器 变频器 变频器 变压器

交流电动机 交流电动机 交流电动机 交流电动机

转盘 绞车 钻井泵1 钻井泵2

MCC

2）变频器无直流母线的交流变频电驱动形式

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重庆科技学院本科生毕业设计 1绪论

柴油机

交流发电机 交

流母线

整流器（热备份）

逆变器 逆变器

直

整流器 流母线 变压器

逆变器 逆变器 电磁刹车

交流电动机 交流电动机 交流电动机 交流电动机

转盘 绞车 钻井泵1 钻井泵2

MCC

目前，国内电动钻机电气控制系统在控制技术上有模拟控制和数字控制两种形式。驱动方式上有直流驱动和交流驱动。电控装置齐全，可满足用户的不同需求。在功能上增加了起、下钻过程的位置闭环控制功能（即防止上碰下砸功能），外加盘式刹车的使用，由此既保证了设备的安全运行，又减轻了司钻的操作紧张程度；同时还增加了自动送钻功能，达到了恒速恒压钻井，以适应不同岩层结构，提高钻井质量。

1.2.2石油钻机的发展趋势

21世纪科学技术日新月异，在提高钻井效率、降低钻井成本的技术要求不断推动下，电动钻机正朝着自动化、智能化、高效应性、高经济效益、高可靠性、大型化等方面发展。

为了进一步开发更深地层的油气资源，国外已经研制出了特深井钻机，钻井深度可达15240m。由钻机发展的趋势来看，电气控制系统也将朝着智能化、网络化、开放化和大功率方面发展。但具有里程碑意义的将是激光石油钻机，美国芝加哥天然气研究所（GRI）与麻省理工学院（MIT）等正在合作研制激光钻井技术，这将可能突破现代钻机电气控制系统的发展范畴。但目前电动钻机还是一个大的发展方向和趋势。

近20多年来，电驱动钻机获得迅速发展。在海洋钻井平台上，近100％的钻机更新为可控硅直流电驱动；在陆上，从深井超深井钻机开始，绝大部分更新为直流电驱动，并已向中深和轻型钻机、修井机发展。近10年来，由于电力电子技术的发展，功率变换器的高频化和集成化，促使交流变频电驱动钻机日益显示其更胜一筹的性能，交流电驱动钻机必将取代直流电驱动钻机[ 1 ]。

1.3司钻房的功能和要求

1.3.1 司钻房的功能

司钻控制房作为石油钻机的核心控制部件，是石油钻机的“心脏”。 内部集

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重庆科技学院本科生毕业设计 1绪论

成了钻井仪表、电传动控制系统、液压盘刹控制系统、气动控制系统、工业监控系统、电子防碰装置、自动送钻控制系统以及室内电气系统等，以实现钻机的操作、控制和报警显示，完成钻机的各个钻井工艺功能[ 2 ]。

1.3.2 司钻房的要求

目前国产钻机的司钻控制房基本上是由各个油田、井队根据自己使用钻机的情况定制，没有统一规范，内部控制元件布置有很大差异，甚至其主要功能的划分也没有统一规范，使得司钻在上岗前通常要接受大量的培训，以便分清和明确各种显示和操纵装置的功能及位置。面对各种仪表和监视系统，司钻每天必须要保持高度的注意力，在司钻房内工作长达十几个小时，还要随时处理一些意外情况，因此，司钻的工作是最繁重的。于是合理而科学的司钻设计就显得尤为重要。

1.4课题研究的意义和目的

我国有着丰富的石油资源, 随着陆地、沙漠及海上油田的不断开发以及国际钻井工程项目相继增多,钻机是石油开发过程的钻井设备，随着钻井方法、钻井工艺的发展，钻机装备和技术也得到不断地发展。电气控制系统是电动钻机的重要组成部分，它的技术水平标志着电动钻机的发展现状。目前，电驱动钻机已经取代了传统的机械式钻机，电动钻机经过了近20年的发展，交流变频VFD电动钻机取代SCR直流电动钻机也成为了一种趋势。

石油电动钻机的控制的过程比较简单，采用PLC进行一些简单的顺序控制就可以，但是对系统的控制精度以及工作的可靠性要求相当高。因此，系统必须要控制好，否则造成相当大的经济损失和人生安全方面的危害。

1.5本文主要研究的内容和主要工作

1.5.1本课题的任务

①电、气、液联控：采集单元（现场的传感器、变送器等），开关，手柄等信息，由PLC控制阀岛等完成一些气、液操作及保护功能。

②转盘控制：数字给定，采集转盘电机的电流、电压、频率信号，计算出转盘的转速及转矩，与设定的转盘转矩进行比较，使转盘转矩工作在正常转矩范围内。

③绞车控制：采集绞车轴头的脉冲编码器信号，通过内置计数模块计算大钩高度，对游车的最高位、最低位进行限位，运行速度进行限速控制，防止游车“上碰下砸” 。

④撰写毕业设计论文及相关文档。

1.5.2本课题的重点内容

钻机是石油开发过程的地面钻井设备，电动钻机已成为钻机发展的主流，它是

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重庆科技学院本科生毕业设计 1绪论

机、电、气、液一体化控制系统，现代电驱动钻机的司钻控制房是石油钻机的控制中枢，其性能的优劣直接关系到整台钻机的生产效率、工人劳动强度和生产安全等。以PLC作为钻机控制装置具有可靠性高、适应性强等优点，在石油工业生产中得到了广泛的应用。

本课题基于PLC技术、计算机通信技术，完成电动钻机电气传动控制单元的数字给定和监控，电、气、液系统联控，电子防碰系统的设计。论文的主要内容如下：

①电动钻机原理分析及现状，明确课题意义，并做出评价。

②电、气、液联控分析，确定控制逻辑；钻盘电机负载特性分析，确定控制要求。

③系统硬件分析与选型，进行实验，完成变频器、PLC、触摸屏、通信系统的调试。

④研究转盘、绞车控制方法，设计系统软件。形成软件系统框图、源代码、调试文档，完成控制界面的设计。

1.5.3本课题的实现途径

本课题结合可编程逻辑控制器S7-300的STEP 7软件，对石油交流电动钻机电气控制控制系统进行模块化划分，特别是游车的电子防碰系统设计、转盘的转速控制、以及各阀岛的设计。具体的流程如图1.3所示：

图1.3 电气控制系统开发流程图

功能划分 各控制柜（模块）编程 熟悉了解工艺 电气控制程序流程图设计 PLC编程 模拟仿真调试 模拟仿真调试 1.6本章小结

本章主要介绍了课题的来源、研究的目的和电动钻机司钻房电气控制系统设计的意义，同时介绍了国内外电动钻机发展的过程及现状。结合项目的要求，在充分掌握电动钻机司钻房电气控制系统的生产工艺及各控制器工作特性的基础上，提出了课题的研究内容和主要工作。

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重庆科技学院本科生毕业设计 2石油钻机控制系统简介

2 石油钻机控制系统简介

为了满足使电驱动石油钻机的各部分能协调、准确、高效率地工作，必须要有一套准确、可靠的控制系统。钻机的绞车、转盘、钻井泵等会出现交替工作，各个工作机组的经常启动和停车，因此在这些传动系统中的离合器操作是比较频繁的，特别是在起下钻操作时。

将石油钻机的控制系统分为发电控制系统、主传动控制调速系统、配电系统和司钻房控制系统四大部分。本章主要对前三部分进行介绍，其中司钻房控制系统将在第三章做详细介绍。

2.1发电控制系统概述

电动钻机普遍采用柴油发电机作为组作为动力源，提供交流电满足钻井及井场辅助设备的需要。随着钻井作业能力、电气化、自动化、智能化程度的提高、功能的增加，为了满足钻井工程供电的可靠性和经济性，一般的电动钻机配置有两台以上的柴油发电机组，通过交流母排向钻井现场供电。对柴油发电机组的控制就是对钻井现场的交流供电系统的控制，也通常称为电动钻机的“发电机组的控制系统”。电动钻机的“发电机组控制系统”包括柴油发电机组的柴油机转速控制、发电机输出电压控制、柴油发电机组的系统保护、功率限制等有关辅助控制装置及控制电路。发电机组控制系统的功能就是控制发电机组，使其输出稳定的600V、50HZ的交流电。

柴油发电机组控制系统主体结构如图2.1所示。

①测量机构

测量机构由一系列的电压互感器、电流互感器和转速传感器等元件组成，主要为控制系统提供机组运行时的状态信息，控制系统实时监测机组的运行状态，

图2.1 柴油发电机组综合控制系统主体结构

测量机构 调速系统 柴油机 发电机 电网/负载 励磁系统

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重庆科技学院本科生毕业设计 2石油钻机控制系统简介

由执行器件适时对其作出相应的调整，保证系统稳定运行。

②励磁系统

励磁系统主要由主励磁系统和励磁调节器两部分组成，当然一套完整的励磁控制系统还要包括测量环节及必要的保护环节等，图2.2为一般励磁控制系统组成框图。主励磁系统为发电机的励磁绕组提供励磁电流；励磁调节器用于对励磁电流进行调节和控制；发电机端电压测量与负载补偿环节测量发电机的端电压，并对发电机负载电流进行补偿；辅助调节器对励磁调节器输入辅助控制信号，最常用的辅助调节器为电力系统稳定器；保护和限幅环节用以确保机组的各种参数不越过其限值。

③调速系统

柴油发动机调速系统是通过安装在飞轮壳上的转速电磁传感器检测出转速的变化，通过引擎调速器的控制，由执行器带动油门拉杆，调节供油量大小，从而实现转速自动调节的目的。调速系统主要由转速检测单元、电子调速器单元及执行机构等部分组成。检测部分主要由转速电磁传感器及飞轮齿圈组成，电磁传感器从飞轮齿圈测得发动机的转速，并将其变换成与转速成正比的脉冲信号输入给电子调速器，电子调速器将转速信号与给定转速信号进行对比，并进行相应的控制运算，再由功率输出环节驱动执行器改变供油量大小，自动调节柴油机的转速。图2.3为速度调节器组成的调速系统原理框图。

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保护与限幅环节 发电机端电压测量与负载补偿环节 参考值 负载/电网 励磁调节器 主励磁系统 发电机 辅助调节器 图2.2励磁控制系统结构框图

重庆科技学院本科生毕业设计 2石油钻机控制系统简介

速度和负荷分配控制 速度给定 ∑ 软件控制转换器 速度比较 控制运放 执行器 柴油机 发电机 电磁传 感器 图2.3速度调节器组成的调速系统原理框图

2.2主传动控制调速系统概述

2.2.1 钻机的电气传动特性

基于钻井所处的特殊地理环境和钻井设备的复杂工艺，决定了钻机对电气传动系统要求的特殊性[ 3 ]。

①由于远离城市和大电网，井场又不固定，钻机要求有自己的、可移动的专 用电网。

②钻机主传动机械种类多又分散，绞车、转盘和泥浆泵等各自有不同的工艺要求，电气传动系统的调节对象范围宽，特性杂，专业性强。石油钻机传动不仅与轧钢机、造纸机、提升机等大型传动机械的驱动特性有明显的区别，而且自身的三种主传动设备又都具有各不相同的运转规律和负载特性。

1）绞车：用于起下钻提升钻具，钻具重量将随井深的不同而改变。提钻过程：提升力矩是不断变化的，井越深，钻具总长度越长，重量越重，提升力矩也就越大。在允许的电动机功率范围内，最大的力矩对应较低的转速，处在高转矩低转速工况；随着钻杆根数的递减，所需提升力矩逐渐减小，提升速度则相应增加，这样能充分利用电机功率，这属于恒功率负载调速特性，越是深井钻机要求调速范围越宽。下钻过程：绞车多做空钩提升的往复运动。这时候电机负荷非常轻，要以最高速度运行，以提高工作效率。绞车电动机负荷变化非常大，而调速范围比较宽，而且要求有良好的起动特性。绞车的运行方式属于重复短期工作制，较频繁的加减速运行要求电动机有短期的过载能力。特别当钻机遇到轻度卡钻进行事故紧急处理时，更要求绞车电动机有短时超常的过载能力。

2）转盘：要求电动机有较宽的调速范围，有精确而方便的转矩限制和刚柔相济的转矩特性，以防钻杆过分扭转变形或扭断。要求电机能够正、反转运行，在反转时能进行转速微调，以释放钻具的反扭矩。

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3）钻井泵（又称泥浆泵）：输送泥浆保持井下压力，泵压和冲数分别与驱动电机的输出转矩和转速成正比。对钻井泵而言，调速范围无需太宽，负荷扰动并不很大，关键问题是充分利用电动机的功率，提高力能指标，而且多数钻井泵采用双电机驱动方式，故对传动系统功率均衡有特殊要求。

综上所述，石油钻机对电气传动系统的要求归结如下：

? 速度闭环控制，有较宽范围的平滑调速，在低速可有较高的稳定精度。 ? 要有较快动态响应品质和稳定余量。 ? 要有加速度限制环节和力矩限制环节。

? 有较大的功率输出，又要求结构紧凑，便于拆卸的功率模块。 ? 要求传动柜间能方便的分配组合。 ? 要求有高的可靠性。

? 要求有完善的自检和诊断功能。

? 柴油发电机组输出的电压和频率要有较高的稳定精度和调节精度。 ? 柴油发电机组要有并网运行功能。

? 要求各发电机组之间有较高的负荷均衡度（有功功率和无功功率的负载均

衡）。

? 要求控制单元模块化，结构紧凑，便于拆卸维护。

? 要求有全面可靠的安全保护回路，保证发电机组和小电网的可靠运行。

2.2.2 钻机的主传动调速系统方案

由于电力电子技术的发展，在传动领域晶闸管变流器较早地应用在钻机传动系统中，提高了功率变换的运行效率。晶闸管变流器的运行效率可达0.95％左右。

①模拟控制的SCR 直流传动方案（V-M 系统）

SCR 速度调节器 电流调节器 触发脉冲 M 图2.4 V-M系统框图

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V-M 调速系统，就调节对象（电动机）而言，又有直流串励系统和直流他励系统，图2.4 给出的是它励系统框图，系统中控制部分均由模拟电子元件组成。由图可见系统为典型的双闭环控制系统，电流调节器LT 构成电流内环，控制电动机的电枢电流。而速度调节器ST 构成外环，是电动机电压负反馈形成的电压环。利用调节电动机的电压来实现速度调节。虽然系统结构较简单，精度不是太高，但能满足钻机调速的要求。

②全数字SCR 直流传动方案

微电子技术的发展，使电气传动系统发展到一个全新的阶段，通用型的全数字控制系统已经被广泛的采用。根据不同的控制对象，可以灵活地进行硬件和软件的各种配置，随心所欲地获得理想的控制功能。因此全数字直流调速系统早已被移植到钻机传动领域，取得了很好的效益[ 11 ]。系统框图见图2.5所示。

图2.5 全数字SCR系统框图

故障保护 显示 起停使能控制 脉冲输出 脉冲放大 同步检测 电流 变换 SCR 整 流 桥 全 数 字 速 度 调 节 器 摸入口 If Uf Ug 给定 电压 变换 M 13

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③全数字型变频调速系统。主回路为晶闸管整流器（或二极管整流器）和IGBT 功率元件组成的逆变器。控制功能由软件灵活设置，采用矢量技术控制驱动鼠笼型异步电机，来保证系统调速特性精度和快速响应。交流变频调速系统与钻机传动工艺发展的要求更加适合，因此显示出极强的生命力。PWM 变频器与鼠笼变频电机的结合，就其性能和成本而言，是公认的选择方案。再加上交流调速控制理论的发展，尤其是矢量控制技术的出现，使得交流调速系统的性能与直流双闭环系统的调速性能相媲美。特别是IGBT 等大功率器件的出现，使系统更加简单实用。全数字VFD系统框图如图2.6所示

图2.6 全数字VFD系统框图

观测器 M ψ* 速度调节器 ωg* 电流调节器 2/3 电流调节器 ωf ФT Im ψ Ir 3/2 2.3配电系统概述

交流电动机控制中心的主要功能是对井场的钻台、钻井泵房、钻井液循环罐区、油罐区、压气机房和水罐区的交流电动机进行控制，并给井场提供照明电源。交流电动机控制中心系统对3kW以上电动机采用软启动方式，通过AS-i总线操作和监控，同时保留手动软启动和手动直接启动功能。MCC柜采用分装式结构，以便维修更换。

MCC配电控制系统配置有开关柜，其主要功能是：切换选择交流电动机控制中心400V交流母线的电源，一路选择为主变压器供电至交流电动机控制中心交流母线，一路选择为辅助发电机组供电至交流电动机控制中心交流母线，两路电源电气互锁。

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2.4本章小结

本章主要对电动钻机电气控制系统作了整体的介绍，将石油钻机的控制系统分为发电控制系统、主传动控制调速系统、配电系统和司钻房控制系统四大部分。并分别对前三部分作了概述性的介绍，总结了石油钻机电气传动特性和提出了石油钻机的主传动调速系统方案。其中司钻房控制系统将在第三章做详细介绍。

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3 司钻房控制系统设计

3.1司钻房的概述

石油钻机是一组工作机繁多、功能复杂的大型成套设备, 按功能的差异可分为地面旋转送进系统、循环系统、起升系统、动力驱动系统、传动系统、控制与显示系统、支撑系统和辅助系统等八大系统。其中, 司钻控制房是控制与显示系统的核心部件, 也是石油钻机的控制中枢, 是石油钻机的“驾驶室”和“心脏”, 其性能的优劣直接关系到整台钻机的生产效率、维护保养性能、钻井工人的劳动强度和生产安全等。司钻控制房在整台石油钻机的设计与制造中所占的重要地位不言而喻[ 4 ]。

从石油钻机司钻控制房的结构和功能来分, 新型司钻控制房可以分为房体系统、控制系统、显示系统和辅助设备等四大系统。房体系统包括房身部分、底座部分、联体式转椅控制台部分等；控制系统包括司钻台(气控、电控、液控) 、控制台(电控) 、气控阀岛、防爆电控箱等；显示系统包括大钩悬重组件、立管压力组件、吊钳扭矩组件、钻井多参数显示仪、多画面监视器等；辅助设备包括室内照明、防爆空调、气动雨刮器、气喇叭和通讯装置等设备。这种新型司钻控制房的结构组成如图3.1所示。

通 气防 讯气动爆防防设喇雨电爆爆备 叭 刮加空照器 热调 明 器 灯 多钻吊力大画井钳管钩面参扭压悬监数矩力重视显组组组器 示 件 件 件 顶部驱动控制自 动电气控司送控控制钻钻箱 系台 台 控 统 制 联 隔防防减体底房热护雨震式座身机装机机转部部构 置 构 构 椅 分 分 辅助设备 显示系统 控制系统 房体系统 司钻控制房 图3.1 司钻控制房机构组成

石油钻机司钻控制房的设计和制造是一个非常复杂且繁琐的系统工程, 在这个过程中, 既要实现司钻对钻机的整体监测和控制, 又要考虑到有效防爆、防护、防腐、防震、隔热、防冷、隔音等功能需求, 既要满足钻井工程使用的便利要求，也要符合人体工程学的设计原理, 是一个充分融合机械、电气、液压和气压控制

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等多项知识与技术于一体的综合性工程。

司钻房控制系统主要分为电控系统、气控系统和液控系统三大部分，在控制系统中司钻台是最能体现之一特征的，司钻台的控制包括了气控、电控和液控。控制台(电控) 、气控阀岛、防爆电控箱两大部分, 是整个司钻控制房的控制中枢。在司钻房的旁边一般还会设置一个液压站，这个就称为液控系统。

3.1.1 司钻控制房的房体系统概述

房体是司钻控制房的“外衣”, 应满足司钻观察视野开阔、结构坚实牢固、吊装运输方便、外形美观大方等要求, 同时针对钻机可能在热带或寒带地区使用的情况, 相应地还要考虑房体的散热或保温功能。通常, 司钻控制房采用不锈钢或钢板制造, 并按石油钻井界的惯例, 喷涂白色油漆。房体正前方要开设固定窗,左右两侧开设推拉窗, 满足司钻观察井口、鼠洞、绞车滚筒轴和钢丝绳、液压大钳等设备的要求, 同时也要便于司钻与其他工作人员的交流。每个窗户前面应有必要的保护措施, 防止出现故障时钻井钢丝绳打碎玻璃, 危害司钻的生命安全。房体顶部开设观察窗, 便于司钻直接观察到井架二层台、游车和天车等设备的状。房体底部留有气路管线、液压管线和电缆等控制线的进出通道, 并同时考虑安全可靠和拆卸方便等问题。房体底部与钻机台面接触的部位应安装减震机构, 缓解钻机工作时产生的振动对司钻控制房的冲击作用。底部四周有固定机构, 用于司钻控制房与钻机台面的连接与固定。房体留有2道门, 一道是日常工作门, 另一道是紧急逃生门, 位置应便于司钻进出。每道门口都不应直对任何障碍物, 要为司钻紧急时刻逃生提供最大的便利。联体式转椅控制台安装在司钻房内部中间偏前的位置, 既要考虑到司钻观察钻机台面的视野, 也要照顾司钻操作司钻台上的设备时使用方便, 还要兼顾司钻进出的便利。

3.1.2 司钻控制房的控制系统概述

控制系统主要分为气控系统和电控系统两大部分, 是整个司钻控制房的控制中枢。气控系统包括压力表、气控开关和操作手柄。压力表显示总气源、绞车离合器、自动送钻离合器、捞砂滚筒离合器、转盘惯刹等设备的工作情况, 通常采用统一规格的公英制抗震压力表。气控开关可实现开关型和调压型2种控制方式, 前者主要用于雨刮器、气胎离合器等设备的控制；后者用于伊顿刹车等设备的控制。利用一阀两开关(过卷阀、防碰解除开关、余气释放开关)，气控系统可以防止钻机出现“上碰”险情。操作手柄主要用于实现对绞车和液压盘式刹车的控制。通过绞车控制手柄, 改变电动机的运转方向, 从而实现大钩的上升或下降；利用液压盘式刹车手柄, 实现制动控制, 从而改变大钩的下降速度。随着电控技术的不断成熟, 电控液压盘式刹车手柄已呈现出全面取代传统的液压盘式刹车手柄的趋势。从司钻使用方便的角度考虑, 压力表多放在司钻台的面板上，气控开关和

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操作手柄多放在转椅控制台上。集成式阀岛作为石油钻机司钻控制房气控系统的高度集成化的产物, 业已成为气控系统的核心部件, 是气源输入和输出的通道。在集成式阀岛的各个表面上, 分别有供应压力表的输出气源出口、供应外接控制阀的输出接口、输出控制气源出口、电磁阀输出接口、压力开关和传感器的输出接口等, 分别用于不同器件的联接, 从而实现不同的功能。根据集成式阀岛表面气源出口的不同, 可分为压缩型集成式阀岛、标准型集成式阀岛和扩展型集成式阀岛3种, 阀岛间可通过机械联接, 实现无限扩充。各种集成式阀岛之间亦可实现上述功能。电控系统包括PLC、电控开关和防爆电控箱等三大部分。电控开关通过PLC可以实现对钻井泵、绞车电动机、补给泵等设备的监控和操作, 其一般摆放在司钻台和转椅控制台上。考虑到钻机的工作环境经常会有易燃易爆气体, 因此司钻控制房内的全部电气元件均有防爆的要求, 安装电控开关的司钻台和转椅控制箱应有必要的防爆机构或设备。防爆电控箱自成一体, 是司钻控制房内全部电气元件和设备的控制中心, 内部安装有PLC、各类电气元件等。由司钻控制房外引入一路总电源, 连接到电控箱内, 再由电控箱分配给司钻房内的其他电气元件。一路输入, 多路输出, 易于维护, 便于保养。此外, 对于自动送钻系统和顶部驱动系统的控制, 一般多采用独立的触摸式显示屏和控制箱方式进行操作。

3.1.3 司钻控制房的显示系统概述

司钻控制房的显示系统包括大钩悬重组件、立管压力组件、吊钳扭矩组件、钻井多参数显示仪和多画面监视器等。指重表、立管压力表、吊钳扭矩表是司钻控制房内少数几个仍采用液压控制方式的仪器仪表。目前, 数字化的代替产品已经问世, 但由于精度和可靠性等方面的原因, 尚不能全面取代传统的液压仪器仪表。钻井多参数显示仪是一种数字式的钻井参数显示设备, 主要包括系统、逻辑、参数仪表和司钻等4个界面。系统界面包括有传动系统各设备运行状况, 并显示各设备运行参数；逻辑界面包含有传动系统逻辑关系及连锁点的工作状态；参数仪表界面包含有钻井各设备运行参数, 如大钩钩载、立管压力、钻井泵冲次、转盘转速、转盘扭矩、游车高度、钻井液容积、出口排量等；司钻界面包括有司钻要经常查看的设备运行状况, 如游车高度、转盘转速、转盘扭矩、钻井泵冲次、钻井泵泵压、发电机功率百分比等。随着触摸式显示屏制造技术的日新月异, 触摸式的钻井多参数显示仪日渐普及。多画面监视器是司钻用来间接观察钻机运行情况的重要窗口。通过安装在不同位置的摄像机, 司钻不出司钻控制房, 就可以清楚地观察到二层台、天车、游车、绞车、钻井泵和振动筛等设备的运行情况, 以便及时发现问题, 并做出相应的调整措施。多画面监视器如同钻井多参数显示仪一样, 也多采用触摸屏控制方式。通过一个显示屏, 司钻即可以同时观察到上述全部设备的运行情况, 也可以单独观察每个设备的运行情况。

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3.2 司钻房气控系统概述

司钻房的控制方式有机械控制、电控制、液压控制、气控制及综合控制。气动控制系统是比较合适的一种控制方式，它能够使司钻的控制协调进行，准确地完成钻井工艺过程，目前气控方式是常用的控制方式。本章也主要以气控系统展开阐述[ 5 ]。

3.2.1 司钻房气控系统的功用

根据对钻井生产过程中钻机操作的分析，司钻房气动控制系统主要有以下几方面的功用：

① 动力机的启动、调速、并车、停止。

② 钻机绞车、转盘、刹车、钻井泵等的启动与停车。 ③ 绞车滚筒和转盘的转速及转动方向的控制。 ④ 滚筒刹车的控制。

⑤ 气动旋扣器等起下钻操作机械的控制。

⑥ 防碰天车装置、自动送钻装置及井口防喷装置的控制。

3.2.2 司钻房气控系统的工艺要求 3.2.3 司钻房气控系统的组成

气控系统主要由以下四部分机构组成。

①供气机构。将电动机或者内燃机的机械能转换为气体的压能的转换设备属于供气机构。由空压机、储气罐以及空气处理装置，如冷却器、干燥器等组成，用以提供压缩空气。

②发令机构。由发出控制命令的各种手柄、按钮、踏板等开关组成。可切断或接通气源，达到控制目的。

③传令机构。由传递各种控制信号的管线内、接头、控制供气方向和大小的阀件、杠杆等组成。这是气控系统的中间机构，也是钻机气控系统中容易出现故障的关键部位。

④执行机构。是将输出的气体压能转换为机械能的转换装备。气控系统的各种执行机构由各种起动设备感和元件组成。如气离合器、刹车气缸和风动马达等。其作用是在压缩空气的推动下，机构产生运动，从而达到执行控制的目的。

3.2.4 钻房气控系统的功能元件——阀岛

在司钻房的气动控制系统中，采用阀岛控制，其特点是动作灵敏、结构简单、安装维护方便、操作容易、环境适应能力强（可用于各类防爆区域，不会对环境造成污染）和使用寿命长（1000万次）。在司钻控制气动系统中使用阀岛的一个更大的好处就是阀岛的连接控制电缆为一根多芯电缆，根据阀岛的插头要求，阀岛的电缆也是事先连接好的，用户使用时只需插拔防爆插头连接即可。这样就可以

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省去大量的时间去连接以往的气路控制软管，也不用一一去对应接口[ 6 ]。

阀岛主要由多针插头顶盖、功能阀片、左端板、右端板、气路板、标牌安装架、安装附件等组成。如图3.2所示

图3.2 阀岛的机构图

顶盖带有一个25针D型插头/插座，如图3.3所示，其作用时将控制信号通过多芯电缆传输到阀岛，控制阀岛工作，顶盖设置有阀工作状态显示和保护电路。

25131224231110229218201971861751615431421

图3.3 25针D型插头

3.3 司钻房气控系统方案

3.3.1 司钻房阀岛功能分配

阀岛的功能阀片由六片阀片组成，每一片代表两个二位三通气控阀，共组成12个二位三通气控阀，其插头电缆分区和插脚分配如表3.1所示，从左至右的功能如图3.4所示:

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表3.1 带电缆的25针D型插头电缆区分和插脚分配

针脚24VDC数目 芯线颜色 阀片 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

阀位置 14（上手动按钮） 12（下手动按钮） 14（上手动按钮） 阀对应流程顺序 1盘刹控制 2气喇叭 3转盘控制 备注 压力开关 压力开关 压力开关 接地 白色 绿色 黄色 灰色 粉红色 蓝色 红色 紫色 灰-粉红 红-蓝 白-绿 棕-绿 白-黄 黄-棕 白-灰 空置 空置 空置 空置 空置 空置 空置 空置 棕色 黑色 公共（0V） 1 2 12（下手动按钮） 4自动送钻离合 14（上手动按钮） 5风动上扣 6风动卸扣 7左滚筒离合 8防碰释放 9右滚筒离合 10备用 11备用 12备用 3 12（下手动按钮） 14（上手动按钮） 4 5 12（下手动按钮） 14（上手动按钮） 12（下手动按钮） 14（上手动按钮） 6 12（下手动按钮） 21

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123456789101112 气源

盘刹气喇叭转盘自动卸扣上扣惯刹送钻控制左滚筒防碰右滚筒备用开关备用备用

图3.4 阀岛实现功能图

3.3.2 司钻房气控系统设计

司钻房阀岛实现的功能，主要是盘刹控制、气喇叭、转盘惯刹、自动送钻、上扣、卸扣、左滚筒离合、右滚筒离合、防碰释放。其中，盘刹控制主要是负责滚筒离合摘离和自动送钻离合摘离，根据钻井工艺的要求，井架防碰开关打开、游车高度报警或送钻故障、油压异常和主电机异常四种情况下，要保证滚筒离合和自动送钻离合摘离；风动旋扣器主要负责转盘的上、卸扣；当游车出现紧急高度，在恢复时要进行防碰开关的释放。这一系列的功能都是通过PLC，以及气动阀岛来实现的。既然要使用PLC控制，就要有准确的电信号来实现着这些功能。表3.2是司钻房阀岛功能电信号对照表。为了控制工艺的要求，如准确度和安全等级要求，还要借助外围的气控设备和一些功能开关[ 12 ]，其气控系统原理图如图3.5所示。

表3.2 司钻房电信号表

司钻房电信号名称对照表 序号 符号 信号名称 1 电信号a1 井架防碰开关产生信号 2 电信号a2 游车高信号和送钻故障信号 3 电信号a3 油压异常信号 4 电信号a4 主电机故障信号 5 电信号b 气喇叭信号 6 电信号c 转盘惯刹信号 7 电信号d 自动送钻离合关信号 8 电信号e 上扣信号 9 电信号f 卸扣信号 10 电信号g 防碰开关释放信号 11 电信号h 滚筒离合信号 12 电信号i 备用开关信号 13 电线号j1 左滚筒离合信号 14 电信号j2 右滚筒离合信号

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图3.5 司钻房气控系统原理图

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①盘刹控制

当a1、a2、a3和a4无信号时，PLC给阀岛与阀1有电信号，阀1打开给盘刹供气，盘刹释放可操作。当井架防碰开关阀打开或防碰过圈阀打开时，它们都提供气信号，经梭阀（OS-1/4-B）到压力开关（PEV-1/4-B），压力开关接收气信号后发出电信号a1给PLC，PLC则断开阀岛阀1信号，阀1关闭排气，盘刹刹车，同时PLC断开阀岛阀7、阀9和阀4电信号实现滚筒离合摘离和自动送钻离合摘离。当游车到紧急高度或送钻出现故障时，电控系统发出一个电信号a2到PLC，PLC则断开阀岛阀1电信号，阀1关闭排气，盘刹刹车，同时PLC断开阀岛阀7、阀9和阀4电信号，实现滚筒离合摘离和自动送钻离合摘离。当油压过低或过高时，电机控制系统发生一个电信号a3到PLC，PLC则断开阀岛阀1信号，阀1关闭排气，盘刹刹车，同时PLC断开阀岛阀7、阀9和阀4电信号实现滚筒离合摘离和自动送钻离合摘离，再控制主电路停机。当主电机出现故障时，电机控制系统发生一个电信号a4到PLC，PLC则断开阀岛阀1信号，阀1关闭排气，盘刹刹车，同时PLC断开阀岛阀7、阀9和阀4电信号实现滚筒离合摘离和自动送钻离合摘离，再控制电机停机，待故障排出后，故障信号消失再重新启动电机。

②气喇叭开关

当司钻需要提供警队工作人员注意时，按下面板上的气喇叭开关（P22805N），开关输出电信号b到PLC，PLC则给阀岛2电信号，阀2打开，供气给气喇叭，气喇叭鸣叫，松开喇叭后b信号消失，气喇叭停止鸣叫。

③转盘惯刹

当转盘惯刹开关（RT404）处于刹车位置时，输出电信号c到PLC,PLC给阀岛3电信号，阀3打开，输出气信号到转盘惯刹离合后，同时输出电信号给转盘电机，控制转盘电机停机，以实现转盘刹车，只有当开关复位后，电机才能再次启动。

④自动送钻离合

当面板自动送钻离合开关（RT404N）处于离合位置时，输出电信号d给PLC,PLC则给阀岛4电信号，阀4打开输出气信号，开启设在绞车内继气器（VL-3-1/4）,继气器开启输出气到自动送钻离合器，实现自动送钻离合，同时PLC断开阀岛阀7、阀9信号，使阀7、阀9关闭排气，滚筒离合器摘离。

⑤风动旋扣器控制

1）风动上扣，当风动旋扣器面板控制开关（RT410N）旋转至上扣位置时，开关发出信号f到PLC，PLC则给阀岛阀6输出电信号，阀6开启输出气信号打开机井架上风动旋扣继气器K23JK-F40，气源经风动旋扣器继气器给水龙头气动马达，实现风动上扣。

2）风动卸扣，当面板风动旋扣器继气器开关旋转至卸扣位置时，开关发出信

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号e到PLC，PLC则给阀岛阀5电信号，阀5打开，延时2秒（可调）给阀岛阀6信号，阀6打开，阀5和阀6分别控制风动旋扣器换向阀（K24Q-L40A）和继气器（K23JK-F40）实现风动卸扣。

3）风动上扣和风动卸扣功能互锁。 ⑥防碰释放开关

当游车上升到紧急高度时，盘刹刹车，若要让游车下放，此时与要按下面板上防碰释放开关（P22805N）开关输出电信号g给PLC，PLC则给阀岛阀8电信号，阀8打开排气，PLC给阀岛阀电信号，信号a1、a2对PLC不起作用（电信号a1、a2在信号f消失后，仍对PLC起作用），阀岛阀1开启，盘刹可操作，司钻通过防碰释放阀和盘刹控制手柄慢慢下放游车。防碰释放开关可复位。当游车下放到安全高度，将防碰开关阀（绞车防碰过圈阀FP-L6和井架防碰开关2-HA-1）复位，钻机正常使用。

⑦滚筒离合

由于钻机绞车有两个动力电机，分别从两侧通过传动箱和两个气胎离合器输入动力。所以对于滚筒离合的控制方法有三种：

1）只选择滚筒左离合，即只用滚筒左侧电动机动力输入。先将滚筒左电机控制开关置打开位置，再打开滚筒离合开关（RT404N）,当电机再控制开关和滚筒离合开关都打开后，输出电信号j1和h给PLC，PLC接电信号j1和h则给阀岛阀7电信号，阀7打开输出气信号打开绞车内继气器（VL-3-1/2），气源经继气器（VL-3-1/2）给滚筒做离合器充气，滚筒左离合器挂合，此时通过速度控制手柄调节电机速度，实现滚筒动力从左侧电机输入。

2）只选择滚筒滚筒右离合，即只用滚筒右侧电机动力输入。先将滚筒右电机控制开关置打开位置，再打开滚筒离合开关（RT404N），当电机右控制开关和滚筒离合开关都打开后，输出电信号j2和h给PLC，PLC接电信号j2和h则给阀岛阀9电信号，阀9打开输出气信号打开绞车内继气器（VL-3-1/2），气源经继气器（VL-3-1/2）给滚筒做离合器充气，滚筒右离合器挂合，此时通过速度控制手柄调节电机速度，实现滚筒动力从右侧电机输入。

3）选择左、右两侧动力同时输入。先将左、右电机控制开关置打开位置，再打开滚筒离合开关（RT404N），当电机右控制开关和滚筒离合开关都打开后，输出电信号j1、j2和h给PLC，PLC接电信号j2和h则给阀岛阀7、阀9电信号，使阀7、阀9打开，阀7、阀9分别打开绞车滚筒左右离合器继气器，气源经继气器充气挂合，再通过速度控制手柄调节两电动机速度，实现两侧动力同时输入。 上述三种方法，操作中也可以先将电机控制开关打开，通过电机速度控制手柄调节电机为某一值，再打开滚筒离合开关，一样只要当电机控制开关和滚筒离合开

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关都打开后，就会输出电信号h、j1或者j2给PLC，PLC则相应给阀7和或阀9电信号，再打开滚筒离合继气器，气源经继气器充气给滚筒离合器，实现滚筒挂合，实现动力的三种形式输入。

⑧当需要钻机实现其它功能时，可打开备用开关(RT404N)输出电信号i给PLC，PLC则给阀岛阀10、阀11、阀12电信号，阀10、阀11、阀12打开。另外，当阀岛阀1~9某阀件有问题时，可用阀10、阀11、阀12取代。

⑨自动送钻离合与滚筒离合互锁

即当信号d和信号h同时存在时，PLC则打开阀岛阀1电信号，阀1打开给盘刹供气，盘刹刹车，同时PLC断开阀岛阀4、阀7和阀9电信号实现滚筒离摘离和自动送钻摘离。

3.4 本章小结

本章首先介绍了司钻房的整体情况，然后对司钻房的气控系统进行阐述，包括其功用、工艺要求和系统组成，对气控系统的主要功能元件——阀岛进行了概述性的介绍。本章主要的内容是气控系统的功能设计，结合PLC，实现了司钻房气控系统的主要功能。

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重庆科技学院本科生毕业设计 4绞车控制系统设计

4 绞车控制系统设计

4.1 绞车的概述

4.1.1 绞车的功用

绞车在钻井工作中主要起以下几方面的作用：

①提供几种不同的起升速度和起重量，满足起下钻具和下套管的需要。 ②悬挂静止的钻具，在钻进过程中送进钻柱、钻头、控制钻压。 ③利用绞车的猫头机构紧、卸钻具丝扣，起吊管子和重物。 ④作为转盘的变速机构和中间机构传动结构。 ⑤当采用整体起升式井架时，用来起放井架。

⑥当绞车带捞砂滚筒时，绞车还担负着提取岩心筒、试油等工作。 ⑦安装钻台设备，完成其它辅助工作。

4.1.2 绞车的工艺要求

根据绞车的上述功用，为满足钻井工作的需要，对绞车提出了一下加点要求：

①绞车必须具有足够大的功率，在最低转速时钢丝绳具有足够大的快绳拉力，以保证游动系统能提升设计井深的钻具负荷；能完成最大载荷的下套管作业；并具有一定的超载解除卡钻事故的能力。为此，要求绞车提升不见在短时间最大载荷作用下要有足够的强度、钢度，载绞车使用期限内，滚筒、轴、轴承及传动件要有足够的寿命。

②绞车滚筒的尺寸和容绳量应能保证在钻井作业和倒换钢丝绳时缠绳状态良好，绳速适当，绳层厚度不高于刹车鼓，以保证作业安全并可延长钢丝绳的使用寿命。辅助滚筒应能缠得下相当于井深长度的钢丝绳。

③绞车要能适应起重量的变化，有足够的起升档数，最好是实现无级调速，以便提高功率的利用率，节省起下钻的时间。

④绞车应用灵敏而耐久的刹车机构和强有力的辅助刹车，以确保在钻井作业中，能准确地调节钻压，均与送钻，在下钻的过程中能随意控制下钻速度，制动准确可靠。滚筒的刹车鼓或者刹车片应耐用。

⑤绞车应配备猫头机构，以供紧、卸钻具丝扣和下钻台起吊重物。 ⑥绞车应具有头钢度大的支架和底座，以保证绞车的整体运输。中型绞车为了整体运输，其重量应在100KN以内，重型和超重型绞车要使拆散运输的单元的15KN以内，应便于拆装运输。传动部件要有严密的防护罩，润滑充分，符合安全要求。在结构安排上应保证易损件拆修简便。

⑦绞车在司钻控制台、刹把、排挡杆、脚踏板、手柄等操纵件应相对集中，

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以便于司钻操作[ 7 ]。

4.1.3 绞车电机的主要技术参数

①绞车电机的选择和相关技术数据、特性

以30DB钻机为例，其钩载负荷和工作要求特选用绞车动力为单电机驱动，主电机的技术数据如表4.1所示：

表4.1 主电机主要技术参数

额定 功率 600KW 额定 最高 转速 转速 660rpm 2800rpm 额定 电压 600V 额定 频率 33.5Hz 极数 6 防护 等级 Ip65 绝缘 等级 200 冷却方式采用他冷方式

②绞车变频器的选用和技术参数

根据主电机的主要参数和参考知名变频器的功能，绞车电机变频柜特选用西门子6SE70系列变频柜，其作用为将交流电整流成直流电，再经过逆装置将直流电逆变为可调频的交流电，由公式n=60f/p可知，通过改变电源频率对交流变频电机的转速直接进行控制。变频柜的技术参数为表4.2所示:

表4.2 变频柜的主要技术参数

额定 功率 630KW 额定 电压 600V 额定 电流 1190A 最大 电流 1470A 基本负载电流 1000A 过载 能力 1.36倍额定电流 防护 等级 Ip20 4.2 绞车控制系统方案

4.2.1 绞车驱动系统

如图4.1所示，绞车由两台交流电动机分别驱动，分别称为绞车电动机A(DWA)和绞车电动机B(DWB)。而绞车DWA、DWB由两台变频柜分别驱动，驱动系统主电路如图4.1所示。变频柜采用全套进口西门子6SE71变频调速柜。主回路由整流器、逆变器和中问直流回路3部分构成。变频器的控制由主控制板(CUVC)实现。 绞车运行可以有DWA单机驱动、DWB单机驱动、双机驱动3种运行方式，电动机4象限运行，可实现带负荷悬停功能。绞车双机驱动时，以主从控制方式实现两个电动机的出力平衡与电流平衡[ 9 ]。

绞车的运行控制由司钻控制台发出使能信号、正反转信号及紧急停车信号，经可编程控制器传送到变频柜中CUVC控制板上的Xl01端子排，接线如图4.2所示。绞车的速度控制由司钻控制台发出速度给定信号，经可编程控制器传送到变频柜中CUVC控制板上的Xl02 端子排的l5端子、16端子。绞车速度控制方式采用有速度传感器的矢量控制方式，可实现大范围的调速控制。

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图路电主的统系动驱流交 1.4图

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图4.2 绞车驱动控制系统的主电路图

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4.2.2 绞车电子防碰系统设计

在石油钻井和修井作业中，游动滑车提升高度和下降到的井口位置的高度是靠司钻观察操作来实现的，而司钻工在夜间或雾天作业时，由于看不清游动滑车提升高度和下降到的井口位置，极易发生操作失误，使游动滑车上碰天车，下砸井口，从而造成机械事故或人身伤害事故。于是设计精确可靠的绞车防碰系统就显得尤为重要。

①光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图1所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90度的菊花轮。

根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。

1）增量式编码器

增量式编码器是直接利用光电转换原理输出方波脉冲，A、B两组脉冲相位差90度，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。

2）绝对式编码器

绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。目前国内已有16位的绝对编码器产品。绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制方式进行光电转换的。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。

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根据以上两种编码器的优缺点，本课题选用增量式编码器，因为它的优点在井场上可以得到充分的利用，它的使用寿命长、抗干扰能力强、可靠性高等都是井场工况所需要的。

②三级防碰的确定

经过了大量资料的整理和现场的考察后，本课题利用限位开关和光电编码器结合的方式，为绞车的电子防碰系统中设计了三级防碰，游车从钻台上方上升至防碰高度H位（上限）为28米，强制减速刹车位为29米，HH位（上上限）为30m左右，L位（下限）为7.4米，强制减速刹车位为6.4米，LL位（下下限）取5.4米。

1）第一级防碰

第一级防碰为正常降频减速段，经光电脉冲编码器测量到的大绳圈数，然后转换成的游车高度，和设置的报警高度（包括上限位和下限位）进行比较，当达到报警限位以后，PLC就会通过Profibus DP总线与变频器进行通信，实现降频软着陆。为了弥补光电编码器可能出现的测量不准的问题，同时，本课题设置的报警限位高度也安装有限位开关（限位开关采用接近开关），所以如果当由光电编码器这一路间接测量到的游车高度没有达到报警限位，而游车已经触碰到了限位开关，限位开关的动作信号也可以作为PLC的输入信号，PLC也会通过Profibus DP总线与变频器进行通信，实现降频软着陆。同时进行指示灯报警，提醒工作人员加密观察游车运行情况。在同一限位高度同时设置光电编码器触发报警和限位开关触发报警还有另外一个作用，就是在投产之前，可通过限位开关检查到游车高度和光电编码器检测到游车高度进行比较，可以对光电编码器进行标定，提高其测量的精度。在停产设备维护期间一般也要再次进行标定，因为大绳在长期的使用过程中会长生一点程度的变形，也会导致检测误差的增大。

2）第二级防碰

第二级防碰为为强制减速刹车阶段，游车下生和下降各设置了一个强制减速刹车位，高度分别设置为29米和6.4米，此高度是通过光电编码器间接检测到的，当达到此高度的时候，游车应该在0.5秒之内进行强制的减速直至停车，否则将触发第三级防碰保护。

3）第三级防碰

第三级防碰是最后一级防碰保护，此级防碰保护是由限位开关触发的，分别设置在30米高度和5.4米高度。在工作现场是不希望出现第三级防碰保护触发的，一般情况下游车通过前两级防碰保护就能进行软着陆。如果触发了第三级防碰保护，现场会触发气控液压盘刹装置，对游车进行强制刹车，此时滚筒离合器和自动送钻离合器断开，绞车主电机停止运行，现场发出声光报警。故障解除后，防碰释放开关，重新启动绞车电机。

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③防碰设计

某型滚筒原始直径Do=650mm；筒长Lo=840mm；钢丝绳直径dr=28mm；缠绕直径的增量系数Φ=0.9；天车轮直径dt=928mm；取滚筒上钢丝绳被压扁时钢绳直径在滚筒向上的增量△=2mm；钻井绳数z=10；

1）电脉冲信号从滚筒轴上获取

钢绳在e层上的缠绕直径De、在每一层上可缠绕的排数为12由下二式求得：式中，e表示滚筒上缠绕钢绳的层数，(e=l,2，3，4，5)

De=Do+dr+ 2（e-1) Φ.dr （4.1）

n=Lo/(dr+ △ ) （4.2）

设Se为e层钢绳在滚筒上每缠绕一周的长度，则

Se=De×π （4.3）

设He为第e层钢绳在滚筒上缠绕钢绳的总长度，则

He=Se×ne （4.4）

滚筒第一层钢绳初始状态一般留有1O排钢绳，故n1=n一10；n2= n3=n0 根据已知条件解方程组得：H1=38.34m H2=64.07m H3=68.52m H4=72.94m；当游车上升至防碰高度时，滚筒上缠绕钢绳的总长度应等于钢绳在滚筒上缠绕的总长度，而H1+H2+H3+H4=243．87m

Dt.nπ=H ×Z （4.5）

解得：Dt=0.7808m。

智能防碰装置工作时，计算器是按每获取滚筒旋转一周所得的电脉冲信号，滚筒缠绕Dtπ长的钢绳来计算游车上升高度的。实际上，在游车起升过程中钢绳在每一层上的缠绕直径都不一样，因此在起升过程中游车的实际高度与计算器显示的高度有一定的误差，最大误差产生在游车起升H/2处。设最大误差为△H，则

△ H=π{(Dt-D1))nl+( Dt-D2)n2+ (Dt-D3)n3)/Z （4.6） 解得：△H=1.6m。

④电脉冲信号从天车轮上获取

当电脉冲信号从天车轮上获取时，计算器所获得的计数信号既不受滚筒缠绳是否规则的影响，也不受缠绳层数的影响，因此智能防碰装置的测量误差为零。智能型防碰天车装置的电脉冲信号获取最佳位置宜选在天车轮上。通过监测装有磁钢的天车轮的角位移，依一定的线性比例关系就可以精确测得游车上升的实际高度，这样计算器所获得的计数信号既不受滚筒缠绕是否规则的影响，也不受缠绳层数的影响，霍尔传感元件也不会受泥浆等腐蚀性介质的侵蚀，因此可使智能

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型防碰天车装置具有较高的安全可靠性。

⑤游车上升和下降的判断

A、B是两个光电传感器，传感器布置图如图4.3所示。

其物理位置按如下要求安装：当A传感器进入菊花轮的一半时，B传感器刚好开始进入菊花轮；当A传感器结束检测时，B传感器则刚好进入菊花轮的一半。这样就可以产生出90度相位差的一组信号，通过这一组信号可以判断出菊花轮是在正转还是在反转，从而间接反映出大钩或钢丝绳的上升或下降。为了正确地鉴相，后置电路必须完成如下工作：

1）产生A、B信号的上升沿及下降沿； 2）产生A、B信号的反信号； 3）根据以上信号判断旋转方向。

图4.3 传感器布置位置

AB图4.4是A、B脉冲的信号变换，这些信号包括非信号、上升沿、下降沿。根据A、B信号的先后顺序就可以判断菊花轮左转或右转方向，据此写出上升和下降的逻辑公式：

Sl= A+B + AB+ + A-B + XB- S2 =XB+ + AB + A+B + A-B

传感器的信号经过数字电路的处理，就可以直接生成代表上升或下降的信号S1和S2，对其计数就可以知道它转动的位置，从而获取游车的位置。

A A B B A+ B+ A B S1 S2 A A B B A+ B+ A- B- S1 S2

图4.4 A、B脉冲的信号变换

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4.2.3 绞车的程序流程图设计 Y 绞车自动 送钻运行

开始 是否自动 送钻工况？ N 绞车起动命令正转或反转 VFD准备好？ N 绞车风机起动 转速设定 N 在零？ Y VFD上使能 绞车电机运行 N 盘刹工作否？ Y 绞车开关置于停 绞车电机及 VFD停止运行 结束 图4.5 绞车电机工作流程图

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4.3 绞车操作人机界面设计

为了工作方便，采用触摸屏代替鼠标和键盘。工作时，首先用手指或其他物体触摸触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成。触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接手后送至触摸屏控制器。而触摸屏的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转化成触电坐标，再送给CPU，它同时能接收CPU发来的命令并加以执行[ 10 ]。

①操作功能

在绞车操作的人机界面中，触摸屏应实现的操作功能如下：绞车风机的启停、绞车电机的启停、绞车正反转的选择。

②参数设定

在参数设定功能块中，点击对应的名称就可以进行相应参数的设定。设定的参数包括绞车转矩、游车的防碰高度和下砸高度的设定。

③参数显示

在参数显示功能块中，可以实时的观看相应的参数，如绞车速度、绞车转矩和游车高度。

④绞车人机界面画面设计，绞车人机界面如图4.6所示:

图4.6 绞车人机界面画面

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4.4本章小结

本章的首先对绞车进行了概述，分析了绞车的功用和工艺要求，并得到了绞车的主要技术参数。然后对绞车控制系统进行设计，提出了绞车的电子防碰的设计方案，确定了游车高度的计算方法以及三级防碰的设定。最后对绞车的基本操作进行了人机界面的设计。

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