电动钻机司钻房电气控制系统设计.docx
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电动钻机司钻房电气控制系统设计
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
注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
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2）附件：
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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
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ProfibusDP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
ABSTRACT
Electriccontrolsystemisthepowersourceandcontrolcenterofelectricdrillingrig.Itisthemostcriticaldevicesofoildrilling.Itnotonlyoffersafullrangeofhighqualitypowerandenergyfortheoil-drillingrig,butalsothecenterofthewholedrillingrig’soperation.
Thispaperanalyzesthedevelopmentstatusofdrillingriganddevelopmenttrendofelectricrigdrilling.Proposedtheelectricalcontroltheoryofdriller'scontrolsystem,expoundstheelectricdrillinginthecontrolsystem,winchcontrolsystemsolutions,particularlywinchelectronicanti-collisionsystemdesign;Rotarytableontrolsystemsolutions,particularlyreactivetorquereleaseinrotarytablecontrolsystem.Byanalyzingthesystem'sprocess,chooseoptimizationPLC,frequencyconverterforPLCcontrolsystem,usingProfibusDPbusandmulti-touchscreen,realizedthewinchandtheturntable'stouchscreenoperatingsystem.
Keyword：
electricdrillingrig；winchcontrolsystem；rotarytablecontrolsystem；
electriccontrolsystem
附录1变量编址表
附录2PLC硬件图
附录3PLC流程图
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。
图1.1石油钻机的组成
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
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。
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：
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（SiliconControlledRectifier简称SCR）。
②交流变频电驱动（AC—VFD—AC）钻机的控制构成
变频器（VariableFrequencyDriver，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
2）变频器无直流母线的交流变频电驱动形式
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STEP7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：
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。
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，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。
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。
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
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