70D钻机泥浆泵控制系统 - 图文

70D钻机直流电机控制系统稳定性影响因素研究

秦绍印1，朱红蕾2，乔卫3

河南南阳油田钻井公司，473132 2

河南南阳油田钻井公司，473132 3

河南南阳油田钻井公司，473132

摘要：本文介绍的是70D电动钻机直流控制系统稳定性的影响因素。全篇是以我钻井队新增泥浆泵控制线路改造为主线，依次从司控房手轮给定信号干扰、PLC程序设计的稳定性、直流驱动控制系统的稳定性以及通讯电缆干扰这几个方面来进行详细的论述。 关键词：手轮给定、PLC程序、直流模块、通讯电缆

Abstract:This text introduces the influencing factors of the 70D electric rig DC control system stability。The whole text is my drilling team the newly increased mud pump control circuits reform as the main line，followed by the hand throttle wheel signal interference of the driller's console、the stability of the PLC program design、the stability of the DC driving control system and communication cable interference ，these aspects are discussed in detail。

Key words：the hand throttle wheel、 PLC program 、 DC module 、communication cable

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1.引言

目前，国内70D电动钻机的泥浆泵、绞车、转盘等设备都是由直流电机驱动，直流电机的平稳安全运行，直接关系到井队的正常生产。直流电机能否平稳运行又取决于其控制系统的稳定性，其控制系统一般包括司钻控制箱、PLC控制系统和直流控制柜3个部分。井队司钻通过操作控制箱上的旋钮和手轮，就能够远程控制各直流电机的启停和运转速度，以完成各种工况。

在实际工作中有时会遇见直流电机控制不稳定，转速不稳定，出现转速不能精确控制的问题。下面我结合一次泥浆泵控制线路改造的经过，分析一下直流电机控制系统稳定性的影响因素。我钻井队有一部70D电动钻机，2001年投入运行，属于10年前的早期电动钻机，其直流电控房的指配功能能够驱动2台泥浆泵﹑一台直流顶驱和一台绞车，随着钻井技术和工艺的发展，直流顶驱已经被淘汰，更换为了交流变频顶驱，它由单独的一套交流变频装置对其驱动；现在在正常的钻井生产过程中需要2台泥浆泵同时进行工作，显然2台泥浆泵的配置已经不能够满足钻井生产的需要，一旦其中一台泥浆泵出现问题需要维修，就会直接影响到生产的进度，造成停等，并且现在甲方都要求井队配置3台泥浆泵来确保正常生产。于是我们经过认真考虑决定，在原有直流顶驱控制系统的基础上，对直流电机控制线路进行改造，使电控房实现3台泥浆泵的指配能力，保证一台泥浆泵的备用，减少因泥浆泵维修所造成的停等时间。该直流控制系统指配关系如图1-1所示

图1-1 直流系统指配关系图

线路改造的基本思路是利用原有直流顶驱的指配控制线路控制新增加的泥浆泵。改造的内容包括司钻控制台线路调整、直流控制房内接触器的配套更换、PLC控制程序的调整等几个方面。前期通过一系列的改造后，整个直流控制系统已基本实现了3台泥浆泵的指配，但是在新增直流电机运转的过程中出现电机控制不稳定，直流电机运转速度不能精确控制的问题，特别是在顶驱系统工作和重负荷工况下，电机转速不稳定的现象更加显著，随后我们在实践的过程中不断的摸索，逐渐的使控制系统得到完善，最终使得改造成功，实现了新增泥浆泵的精确控制。以下是我根据改造的整个过程从司控房手轮给定信号干扰、PLC程序设计的稳定性（斜坡控制）、直流模块的稳定性（双闭环控制系统）、通讯电缆干扰等几个方面进行分析直流电机控制系统稳定性影响因素的过程。

2.司控房手轮给定信号的稳定

司钻通过司控房内的直流系统控制箱，来指配各泥浆泵的直流电机，并控制电机运转速度。速度给定手轮将设定的速度给定电位送入PLC的模拟量输入模块，此速度给定信号通过PLC的信号传输，送至直流模块的速度给定接口，从而控制可控硅的触发，最终控制调节泥浆泵的速度和转矩。所以，手轮给定信号的稳定是泥浆泵转速和扭矩控制的第一个环节，也是经常出问题的环节。

在实际工作中，手轮给定信号不稳定常遇见有三种情况。 第一种是由于手轮使用频繁，手轮给定电位器会经常出现电位器断丝，电位器表面积碳过多等情况，这些情况都会导致速度控制不稳定，速度控制发生跳越等问题，给正常的生产带来额外的风险。所以给定电位器需要定期检查和清洁，以确保给定信号的稳定。

第二种情况是给定信号基准电压的故障。泥浆泵和绞车给定电位器其信号源来自一块电源板，此电源板通过几只稳压二极管，向给定手轮提供0-（+10V）和0-（-8.2V）基准电压，如果基准电压出现偏移或者不稳定，则给定电位器的输出也变得不稳定。这种情况比较容易排除，通过测量稳压管两测电压，就可以准确找到问题所在。

第三种情况比较隐蔽，也是这次改造中遇到的情况，即给定信号受到外部的干扰，使给定信号输出不稳定。

图2-1

图2-2

如图2-1和图2-2所示，0-（+10V）和0-（-8.2V）这两种给定信号电源的在PC01 板上的电路不同， +10V电源由PC01板上的两只10V的稳压管提供，其+24V电源取自司钻控制箱内的PLC电源，其0V基准电位也与PLC的0V共地；-8.2V电源由PC01板的一只8.2v的稳压管提供，其-14V和0V电源通过控制电缆直接取自SCR房。由于线路上的差异，造成了给定信号0-（-8.2V）很容易受到干扰。

以本次线路改造为例。如图2-2，为增加一台泥浆泵的控制线路，我们利用原有的直流顶驱给定电路，在原有线路的基础上进行一些短接和断开的工作，很方便的实现了用原有直流顶驱控制手轮控制新增泥浆泵的目的。但是在改造完成后，就出现了泥浆泵转速不平稳，在顶驱等强干扰源设备运转时，泥浆泵会出现停转现象。经过仔细测量后发现，手轮给定的0V电位受到了强烈的干扰，这就导致手轮给定电位器的0-（-8.2V）在送入PLC时电位发生

了较大的偏移，经过PLC送到直流模块的给定信号也相应发生了较大的偏移，泥浆泵出现运转不平稳。找到问题后，我们对0V电位进行了屏蔽和改接的办法，另外单独增加了SCR房和司控房0V电位的连接线，取得了良好的效果，解决了干扰问题。

3.PLC程序设计的稳定性修改（斜坡控制）

电动钻机的控制系统中主控制单元采用可编程控制器，减少了司钻台与电控房之间控制电缆的数量，采用现场总线方式传输数据，可以有效避免外界干扰。在PLC的程序设计中泥浆泵的给定都按渐变规律编程，而不是模拟电位器信号的输出，这样做的优点在于当电位器信号输出发生突变时，PLC的信号输出保持渐变，有利于泥浆泵转速和扭矩的平稳控制。但绞车和直流顶驱的给定没有按渐变规律编程。

在这次增加泥浆泵控制线路的改造中，为了保持新增泥浆泵运行的稳定性，我们对PLC的程序也做出了一些调整，特别是注意在原有直流顶驱给定程序中增加了渐变功能块。通过对PLC程序的分析和比对，我们先绘制了PLC程序功能块表图3-1和地址表图3-2如下：

OB1 FC10 FC11 FC12 FC13 FC14 FC15 FC16 FC17 FC20 FC21 FC22 FC25 FC26 FC27 FC40-56 主程序 泥浆泵1使能 泥浆泵2使能 泥浆泵3（TD)使能 绞车使能 RT/TD使能 直流给定输入 直流给定输出 司控房各指示灯控制 斜坡功能块 限幅功能块 指配功能块 触摸屏模拟量输入 报警信号控制 触摸屏输入 数字量输入输出 数字量输入输出 数字量输入输出 数字量输入输出 改为泥浆泵3使能 模拟量输入 模拟量输出 数字量 泥浆泵启动停止电流实现渐变 泥浆泵给定调用 绞车转盘给定调用 数字量 模拟量 数字量 数字量 图3-1

PLC模拟量输出地址表如下： 功能 MP1给定 MP2给定 DW给定 DW脚踏给定 TD给定（MP3） MP1给定输出 硬件输入端口 RR1/8-02 RR1/8-03 RR1/8-04 RR1/8-05 RR1/8-06 RR1/8-07 RR1/8-14 RR1/8-15 RR1/8-08 RR1/8-09 CR1/5-03 地址 PIW272 PIW274 PIW276 PIW282 PIW278 PQW256

MP2给定输出 DW给定输出 DW脚踏给定输出 TD（mp3)给定输出 CR1/5-07 CR1/5-11 CR1/5-15 CR1/6-03 CR1/6-11 CR1/6-07 CR1/6-15 CR1/7-03 CR1/7-11 CR1/8-03 PQW258 PQW260 PQW262 PQW264 PQW268 PQW272 PQW276 PQW272 PQW276 PQW280 图3-2 通过仔细检查PLC程序，我们发现原有直流顶驱的给定程序与泥浆泵给定程序的不同主要是直流顶驱（新增泥浆泵控制）给定程序中缺少功能块F20，在PLC程序中功能块F20的 作用主要是实现给定信号的渐变，所以在完成泥浆泵控制线路的改造后，我们在新增泥浆泵给定PLC程序中增加了功能块F20，具体过程如下：

在PLC程序中新增泥浆泵输入为模拟量PIW278，经过功能块MUL_1输出中间量MW74，这个中间量输入限幅功能块FC21，输出中间量MW68。

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