CN101566059B - 广适应的新型自动送钻装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种广适应的新型自动送钻装置，该装置包括执行机构、变频电机和变频器，执行机构由绞车带动，绞车通过减速箱和离合器接至变频电机上，变频器接至变频电机，三相电源连通变频器，执行机构上设置有一个悬重传感器，该悬重传感器将所测数据输入至可编程控制器PLC中，该可编程控制器PLC连通变频器和一个作为人机界面的触摸屏，可编程控制器PLC中包含有钻压计算模块、PID模块和模糊整定模块。本发明的装置针对自动送钻控制对象的特点，减少了司钻对于PID控制系统的干预程度，引入了模糊控制算法对PID系统参数进行整定，达到了PID控制系统参数的最优化配置的目的。
Description
技术领域
本发明属于一种石油钻井设备，特别是涉及一种广适应性的新型石油钻机的自动送钻装置。
背景技术
目前石油钻井领域仍然以手动送钻为主，相对于手动送钻，自动送钻可以大大降低司钻的劳动强度，提高钻井效率和钻井质量，减少对于设备的损伤。
现有技术中的自动送钻系统主要有三种：
第一种通过带式刹车进行自动送钻。美国在1966年就已经开始研制用于带式刹车的自动送钻装置，主要有“熊牌”和“6-13”型自动送钻装置。其工作原理如下：在钻井过程中，钻压变化通过地面的死绳固定器和膜式传感器后，转换成液压讯号并传送给传感器。转换器由司钻根据钻头与地层岩石情况给出特定的钻压值，一方面把钻压变化与给出的钻压值进行比较。另一方面还把比较后的钻压差值转换成气讯号，再通过功率放大器以后控制气马达的转速进而控制带式刹车的刹车力矩达到控制钻进速度的目的，该自动送钻方式的主要特征是机械控制，而且必须有绞车置于钻台上时方可使用，常常会产生8.85～13.34kN的钻压波动
第二种：盘式刹车自动送钻系统从1998年开始使用，其原理和带式刹车相似，不同在于不是通过控制气马达来控制带刹，而是通过控制液压比例阀来控制盘刹实现对自动送钻速度的控制。该控制方式控制精度比带式刹车有很大提高，但是盘式刹车对于线性比例阀的要求很高，而且因为管路的影响，摩擦系统也是非线性系统，所以比较难于控制。
第三种就是通过变频电机实现自动送钻。这是最近几年随着变频控制技术的发展才兴起的一种自动送钻的控制方式。但是由于地下地层情况复杂，自动送钻的被控对象具有时滞、时变、非线性的特点，执行系统的钢丝绳、大钩与钻杆之间、变速齿轮内部等传递环节存在形变、时滞或非线性等复杂现象，无法得到精确的系统数学模型，所以以前自动送钻系统的应用一直不是非常理想。另一方面由于地层的变化造成自动送钻系统的参数需要不断进行调整，这种调整当前多采用司钻手工调整的方式进行，因为没有固定的调整算法，不同的司钻又有不同的调整习惯，所以现场自动送钻系统参数的调整随意性很大，无法保证得到最优的参数配置。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种新型的广适性自动送钻装置。采用本发明的自动送钻装置可以根据不同钻机环境适时改变送钻压力，以适用不同的工作环境。还可以延长钻机的钻头使用寿命。
本发明的技术方案如下：
一种广适应的新型自动送钻装置，该装置包括执行机构、变频电机和变频器，所述的执行机构由绞车带动，绞车通过减速箱和离合器接至变频电机上，所述的变频器接至变频电机，三相电源连通变频器，其特征在于，所述的执行机构上设置有一个悬重传感器，该悬重传感器将所测数据输入至可编程控制器PLC中，该可编程控制器PLC连通变频器和一个作为人机界面的触摸屏，可编程控制器PLC中包含有钻压计算模块和PID模块，所述的可编程控制器PLC执行如下操作步骤：
①由作为人机界面的触摸屏输入给定钻压，通过悬重传感器读出当前悬重并传输至可编程控制器PLC中的钻压计算模块，由钻压计算模块计算出当前钻压，并将当前钻压输入至PID模块中；
②由PID模块根据当前钻压计算出钻压差，通过I环节、P环节和D环节计算出变频器的给定速度值，并将该给定速度值输入至变频器中；
③由变频器控制变频电机变频调速，进而控制执行机构适时改变钻压以实现自动送钻。
上述的步骤①中的钻压计算模块执行如下操作：
读入当前悬重，查看是否为第一次读入当前悬重，若是则将当前悬重作为初始悬重，若否则当前钻压＝当前悬重-初始悬重。
若是采用参数人工输入的方式，上述步骤②中的钻压差＝当前钻压-给定钻压，I环节的参数、P环节的参数和D环节的参数均由人机界面输入，根据上述数值计算出变频器的给定速度值U(k)：
U(k)＝∑Wl(k)Xl(k)，l分别可取i、p或d；
Wp(k)*Xp(k)＝Kp*E(k)；
Wi(k)*Xi(k)＝Kp*T/Ti*∑E；
Wd(k)*Xd(k)＝Kp*Td/T*[E(k)-E(k-1)]；
其中：E(k)为第K次采样时实际钻压和给定钻压的差；
Kp为P环节的系数，由人机界面输入；
T为采样时间；
Ti为I环节的时间常数，由人机界面输入；
Td为D环节的系数，由人机界面输入；
U(k)为输入至变频器中的值。
还可以采用部分人工输入，部分自动计算得出的方式，所述的可编程控制器PLC中还包括有一个模糊整定模块，该模糊整定模块只修改P的参数值Kp，Ti和Td由人机界面输入，在所述的模块整定模块中运用三角形隶属度函数和最大隶属度原则整定出Kd的值，并利用如下公式计算出输入到变频器的给定速度值U(k)：
U(k)＝∑Wl(k)Xl(k)，l分别可取i、p或d；
Wp(k)*Xp(k)＝Kp*E(k)；
Wi(k)*Xi(k)＝Kp*T/Ti*∑E；
Wd(k)*Xd(k)＝Kp*Td/T*[E(k)-E(k-1)]；
其中：E(k)为第K次采样时实际钻压和给定钻压的差；
Kp为P环节的系数，由模糊整定模块修改后输入；
T为采样时间；
Ti为I环节的时间常数，由人机界面输入；
Td为D环节的系数，由人机界面输入；
U(k)为输入至变频器中的值。
上述的模糊整定模块的调整的对象为钻压，首先设定：
钻压差的论域为(-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5)
钻压差的差的论域为(-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5)
Kp的变化量的论域为(-3，-2，-1，0，1，2，3)
三者的模糊集合均为(NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB)；
然后，根据钻压差的值采用三角形隶属度函数在(NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB)中查出对应的模糊属性；
然后，根据钻压差的差的值采用三角形隶属度函数在(NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB)中查出对应的模糊属性；
根据查出的钻压差以及钻压差的差的模糊属性在模糊控制表中查出修正后的Kp修值；
则最终得出的Kp＝Kpo+αKp修
其中Kpo为初始值，α根据具体的施工条件确定为0.01。
由于采用上述技术方案，本发明的装置较现有技术存在如下优点：
本发明的装置针对自动送钻控制对象的特点，引入了工业控制中广泛采用的PID控制作为主要的控制模式，为了减少司钻对于PID控制系统的干预程度，同时达到PID控制系统参数的最优化配置，系统中引入了模糊控制算法对PID系统参数进行整定。
附图说明
图1是本发明广适应的新型自动送钻装置中的自动送钻控制结构示意图。
图2是本发明广适应的新型自动送钻装置中自动控制的流程示意图。
图3是钻压差的三角形隶属度函数的示意图。
图4是钻压差的差的三角形隶属度函数的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例来对本发明的广适应的新型自动送钻装置做进一步的详细说明，但不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明装置与现有装置结构大致相同，主要改进之处在于自动送钻的控制结构。该结构见图1，图1是本发明广适应的新型自动送钻装置中的自动送钻控制结构示意图。由图可知，本发明的广适应的新型自动送钻装置包括有执行机构、变频电机和变频器，所述的执行机构由绞车带动，绞车通过减速箱和离合器接至变频电机上，所述的变频器接至变频电机，三相电源连通变频器。上述的执行机构上设置有一个悬重传感器，该悬重传感器将所测数据输入至可编程控制器PLC中，该可编程控制器PLC连通变频器和一个作为人机界面的触摸屏，可编程控制器PLC中包含有钻压计算模块和PID模块，所述的可编程控制器PLC执行如下操作步骤：
①由作为人机界面的触摸屏输入给定钻压，通过悬重传感器读出当前悬重并传输至可编程控制器PLC中的钻压计算模块，由钻压计算模块计算出当前钻压，并将当前钻压输入至PID模块中，该步骤中的钻压计算模块执行如下操作：
读入当前悬重，查看是否为第一次读入当前悬重，若是则将当前悬重作为初始悬重；若否则当前钻压＝当前悬重-初始悬重；
②由PID模块根据当前钻压计算出钻压差，通过I环节、P环节和D环节计算出变频器的给定速度值，并将该给定速度值输入至变频器中；
③由变频器控制变频电机变频调速，进而控制执行机构适时改变钻压以实现自动送钻。
本发明中可编程控制器PLC是主要的控制部分，其功能是读入给定钻压和反馈钻压。根据PID算法计算出变频器调整后的速度给定值，PLC程序控制部分包括人机界面接口模块，PID控制模块，模糊整定模块，变频器接口模块和悬重钻压计算模块。PLC从人机界面中读入钻压给定值，从压力传感器中读入钻压实际值，将两者之差送入PID控制模块中计算出调整后的变频器速度给定值。
而PID控制模块的参数有两种输入方式，一种是选择人工输入，另一种选择模糊整定，后者将根据模糊控制算法自动找到最优的参数配置。变频器在得到来自PLC的速度给定值以后，根据该给定值控制变频电机的输出速度，和变频电机相连的执行机构(绞车，钢丝绳，天车，游车，大钩以及钻具等)的下钻速度也随之改变，进而影响到作用在钻头上的实际钻压值，使之趋向于钻压设定值。
压力传感器将测量大钩悬重，并将悬重信号输入到PLC中，PLC将根据此时的悬重和初始悬重计算出钻压值，输入到前面提到的PID控制模块中。人机界面中可以看到各种参数的值，也可以用来手动设置PID参数。
实施例1
本实施例中的PID模块I环节、P环节和D环节的参数均由作为人机界面的触摸屏输入。
本实施例中广适应的新型自动送钻装置包括有执行机构、变频电机和变频器，所述的执行机构由绞车带动，绞车通过减速箱和离合器接至变频电机上，所述的变频器接至变频电机，三相电源连通变频器。上述的执行机构上设置有一个悬重传感器，该悬重传感器将所测数据输入至可编程控制器PLC中，该可编程控制器PLC连通变频器和一个作为人机界面的触摸屏，可编程控制器PLC中包含有钻压计算模块和PID模块，所述的可编程控制器PLC执行如下操作步骤：
①由作为人机界面的触摸屏输入给定钻压，通过悬重传感器读出当前悬重并传输至可编程控制器PLC中的钻压计算模块，由钻压计算模块计算出当前钻压，并将当前钻压输入至PID模块中，该步骤中的钻压计算模块执行如下操作：
读入当前悬重，查看是否为第一次读入当前悬重，若是则将当前悬重作为初始悬重；若否则当前钻压E(k)＝当前悬重-初始悬重；
例如初始悬重等于1000KN，当前悬重等于1100KN，那么当前钻压等于1100KN-1000KN＝100KN。
②由PID模块根据当前钻压计算出钻压差，通过I环节、P环节和D环节计算出变频器的给定速度值，并将该给定速度值输入至变频器中，该步骤中的钻压差＝当前钻压-给定钻压，I环节的参数、P环节的参数和D环节的参数均由人机界面输入，根据上述数值计算出变频器的给定速度值U(k)：
U(k)＝∑Wl(k)Xl(k)，l分别可取i、p或d；
Wp(k)*Xp(k)＝Kp*E(k)；
Wi(k)*Xi(k)＝Kp*T/Ti*∑E；
Wd(k)*Xd(k)＝Kp*Td/T*[E(k)-E(k-1)]；
其中：E(k)为第K次采样时实际钻压和给定钻压的差；
Kp为P环节的系数，由人机界面输入；
T为采样时间；
Ti为I环节的时间常数，由人机界面输入；
Td为D环节的系数，由人机界面输入；
U(k)为输入至变频器中的值。
例如，第一次采样时：Kp＝0.3，Ti＝10秒，T＝0.2秒，Td＝0.1秒，根据步骤①得到的E(1)＝100KN，则对于第一次采样∑E＝E(1)＝100，所以：
Wp(1)*Xp(1)＝Kp*E(1)＝0.3*100＝30；
Wi(1)*Xi(1)＝Kp*T/Ti*∑E＝0.3*0.2/10*100＝0.6；
Wd(1)*Xd(1)＝Kp*Td/T*[E(1)-E(0)]＝0.3*0.1/0.2*[100-0]＝15；
故，U(1)＝Wp(1)*Xp(1)+Wi(1)*Xi(1)+Wd(1)*Xd(1)＝30+0.6+15＝45.6，同理，可以计算得到U(2)，U(3)……。
③上述计算的U(1)＝45.6输入至变频器中，由变频器控制变频电机变频调速，进而控制执行机构适时改变钻压以实现自动送钻。
上面提到的U(k)就是在k次采样时送到变频器里的速度给定值。
实施例2
本实施例中的PID模块I环节、P环节和D环节的参数中的I环节和D环节参数由作为人机界面的触摸屏输入。PLC程序中PID控制模块采用的是西门子s7-300自带的PID块，为了增加系统的稳定性，防止震荡，这里采用固定的i参数，而模糊整定模块只修改p参数的值。
本发明的广适应的新型自动送钻装置包括有执行机构、变频电机和变频器，所述的执行机构由绞车带动，绞车通过减速箱和离合器接至变频电机上，所述的变频器接至变频电机，三相电源连通变频器。上述的执行机构上设置有一个悬重传感器，该悬重传感器将所测数据输入至可编程控制器PLC中，该可编程控制器PLC连通变频器和一个作为人机界面的触摸屏，可编程控制器PLC中包含有钻压计算模块和PID模块，所述的可编程控制器PLC执行如下操作步骤：
①由作为人机界面的触摸屏输入给定钻压，通过悬重传感器读出当前悬重并传输至可编程控制器PLC中的钻压计算模块，由钻压计算模块计算出当前钻压，并将当前钻压输入至PID模块中，该步骤中的钻压计算模块执行如下操作：
读入当前悬重，查看是否为第一次读入当前悬重，若是则将当前悬重作为初始悬重；若否则当前钻压＝当前悬重-初始悬重；
②由PID模块根据当前钻压计算出钻压差，通过I环节、P环节和D环节计算出变频器的给定速度值，并将该给定速度值输入至变频器中；
③由变频器控制变频电机变频调速，进而控制执行机构适时改变钻压以实现自动送钻。
上述的可编程控制器PLC中还包括有一个模糊整定模块，该模糊整定模块只修改P的参数值Kp，Ti和Td由人机界面输入，在所述的模块整定模块中运用三角形隶属度函数和最大隶属度原则整定出Kd的值，并利用如下公式计算出输入到变频器的给定速度值U(k)：
U(k)＝∑Wl(k)Xl(k)，l分别可取i、p或d；
Wp(k)*Xp(k)＝Kp*E(k)；
Wi(k)*Xi(k)＝Kp*T/Ti*∑E；
Wd(k)*Xd(k)＝Kp*Td/T*[E(k)-E(k-1)]；
其中：E(k)为第K次采样时实际钻压和给定钻压的差；
Kp为P环节的系数，由模糊整定模块修改后输入；
T为采样时间；
Ti为I环节的时间常数，由人机界面输入；
Td为D环节的系数，由人机界面输入；
U(k)为输入至变频器中的值。
所述的模糊整定模块的调整的对象为钻压，首先设定：
钻压差的论域为(-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5)
钻压差的差的论域为(-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5)
Kp的变化量的论域为(-3，-2，-1，0，1，2，3)
三者的模糊集合均为(NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB)；
然后，根据钻压差的值采用三角形隶属度函数在(NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB)中查出对应的模糊属性；读取钻压差的隶属度函数的表为三角形隶属度函数，如下图3所示，图3是三角形隶属度函数的示意图。
例如：由上面计算得到钻压差是100KN，通过系数转化后为5，(通常将实际值乘以某个系数转化成-5～+5之间的值，然后查表，该系数和具体情况有关系，这里取系数0.05)，查表求得模糊属性为NB。
然后，根据钻压差的差的值采用三角形隶属度函数在(NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB)中查出对应的模糊属性，读取钻压差的差的隶属度函数的表为三角形隶属度函数，如图4所示，图4是钻压差的差的三角形隶属度函数示意图。
例如：由上面计算得到钻压差的差也是100KN，通过系数转化后为5，(通常将实际值乘以某个系数转化成-5～+5之间的值，然后查表，该系数和具体情况有关系这里取系数0.05)，查表求得模糊属性为NB.
根据查出的钻压差以及钻压差的差的模糊属性在模糊控制表中查出修正后的Kp修值，模糊控制表如下表所示：
| -5(NB) | -4(NM) | -3(NM) | -2NS | -1NS | 0ZO | 1PS | 2PS | 3PM | 4PM | 5PB | |
| -5NB | 3 | 3 | 3 | 2 | 2 | 2 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| -4NM | 3 | 3 | 3 | 2 | 2 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | -1 |
| -3NM | 3 | 3 | 3 | 2 | 2 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | -1 |
| -2NS | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 1 | 0 | 0 | -1 | -1 | -1 |
| -1NS | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 1 | 0 | 0 | -1 | -1 | -1 |
| 0ZO | 2 | 2 | 2 | 1 | 1 | 0 | -1 | -1 | -2 | -2 | -2 |
| 1PS | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | -1 | -1 | -1 | -2 | -2 | -2 |
| 2PS | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | -1 | -1 | -1 | -2 | -2 | -2 |
| 3PM | 1 | 0 | 0 | -1 | -1 | -2 | -2 | -2 | -2 | -2 | -3 |
| 4PM | 1 | 0 | 0 | -1 | -1 | -2 | -2 | -2 | -2 | -2 | -3 |
| 5PB | 0 | 0 | 0 | -2 | -2 | -2 | -2 | -2 | -3 | -3 | -3 |
例如上面求得钻压差和钻压差的差的模糊属性都是NB，查表求得
Kp修＝3。则最终得出的Kp＝Kpo+αKp修
其中Kpo为初始值，α根据具体的施工条件确定为0.01。
设Kpo＝0.2，则Kp＝0.2+0.01*3＝0.23。
毫无疑问，本发明的广适应的新型自动送钻装置还有其他结构变换和运算过程，并不局限于上面实施例中所列举的形式和参数。总而言之，本发明的保护范围还包括其他对于本领域技术人员来讲显而易见的变换和替代。
Claims (3)
1.一种广适应的新型自动送钻装置，该装置包括执行机构、变频电机和变频器，所述的执行机构由绞车带动，绞车通过减速箱和离合器接至变频电机上，所述的变频器接至变频电机，三相电源连通变频器，其特征在于，所述的执行机构上设置有一个悬重传感器，该悬重传感器将所测数据输入至可编程控制器PLC中，该可编程控制器PLC连通变频器和一个作为人机界面的触摸屏，可编程控制器PLC中包含有钻压计算模块和PID模块，所述的可编程控制器PLC执行如下操作步骤：
①由作为人机界面的触摸屏输入给定钻压，通过悬重传感器读出当前悬重并传输至可编程控制器PLC中的钻压计算模块，由钻压计算模块计算出当前钻压，并将当前钻压输入至PID模块中，钻压计算模块执行如下操作：读入当前悬重，查看是否为第一次读入当前悬重，若是则将当前悬重作为初始悬重，若否则当前钻压=当前悬重－初始悬重；
②由PID模块根据当前钻压计算出钻压差，通过I环节、P环节和D环节计算出变频器的给定速度值，并将该给定速度值输入至变频器中；本步骤中的钻压差=当前钻压－给定钻压，I环节的参数、P环节的参数和D环节的参数均由人机界面输入，根据上述数值计算出变频器的给定速度值U(k)：
U(k)=∑Wl(k)Xl(k)，1分别可取i、p或d；
Wp(k)*Xp(k)=Kp*E(k)；
Wi(k)*Xi(k)=Kp*T/Ti*∑E；
Wd(k)*Xd(k)=Kp*Td/T*[E(k)-E(k-1)]；
其中：E(k)为第K次采样时实际钻压和给定钻压的差；
Kp为P环节的系数，由人机界面输入；
T为采样时间；
Ti为I环节的时间常数，由人机界面输入；
Td为D环节的系数，由人机界面输入；
U(k)为输入至变频器中的值；
③由变频器控制变频电机变频调速，进而控制执行机构适时改变钻压以实现自动送钻。
2.根据权利要求1所述的广适应的新型自动送钻装置，其特征在于，所述的可编程控制器PLC中还包括有一个模糊整定模块，该模糊整定模块只修改P的参数值Kp，Ti和Td由人机界面输入，在所述的模糊整定模块中运用三角形隶属度函数和最大隶属度原则整定出Kp的值，并利用如下公式计算出输入到变频器的给定速度值U(k)：
U(k)=∑Wl(k)Xl(k)，1分别可取i、p或d；
Wp(k)*Xp(k)=Kp*E(k)；
Wi(k)*Xi(k)=Kp*T/Ti*∑E；
Wd(k)*Xd(k)=Kp*Td/T*[E(k)-E(k-1)]；
其中：E(k)为第K次采样时实际钻压和给定钻压的差；
Kp为P环节的系数，由模糊整定模块修改后输入；
T为采样时间；
Ti为I环节的时间常数，由人机界面输入；
Td为D环节的系数，由人机界面输入；
U(k)为输入至变频器中的值。
3.根据权利要求2所述的广适应的新型自动送钻装置，其特征在于，所述的模糊整定模块的调整的对象为钻压，首先设定：
钻压差的论域为(-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5)
钻压差的差的论域为(-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5)
Kp的变化量的论域为(-3，-2，-1，0，1，2，3)
三者的模糊集合均为(NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB)；
然后，根据钻压差的值采用三角形隶属度函数在(NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB)中查出对应的模糊属性；
然后，根据钻压差的差的值采用三角形隶属度函数在(NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB)中查出对应的模糊属性；
根据查出的钻压差以及钻压差的差的模糊属性在模糊控制表中查出修正后的Kp修值；
则最终得出的Kp=Kp。+αKp修
其中Kp。为初始值，α根据具体的施工条件确定为0.01。
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- 2009-05-27 CN CN200910052115.4A patent/CN101566059B/zh active Active
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