CN102305059A - 一种石油钻机的自动控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油田钻井作业领域，提供一种石油钻机的自动控制系统及其控制方法，包括一个主站和多个从站，对绞车、自动送钻、转盘、泥浆泵进行集中控制，便于动态、精确地自动控制钻井作业过程，并为操作人员提供良好的作业环境和办公环境。

Description

一种石油钻机的自动控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及油田钻井作业领域，具体的说是一种石油钻机的自动控制系统及其控制方法。

背景技术

常规石油钻机控制包括气路控制系统、液压控制系统、电气控制系统，通过设置在司钻房的控制台人工操作实现，各控制机构各自独立，分散控制，使司钻控制台具有大量的元器件，这些元器件通过大量的管件及接插件实现连接，一个元件发生故障往往会引起整个设备的运行不正常，甚至引发设备事故，而且分立元器件的安装、连接费时费力，管路繁乱、纵横交错、拆装不便，存在运行故障率高、调试困难、司钻操作繁琐、容易误接误操作等诸多问题。当然传统控制也无法实现远程监控。

发明内容

本发明就是针对上述背景技术中的不足之处，而提供一种石油钻机的自动控制系统及其控制方法，它能够实现绞车、自动送钻、转盘、泥浆泵的集中控制，便于动态、精确地自动控制钻井作业过程，并为操作人员提供良好的作业环境和办公环境。

本发明的目的是通过如下技术措施来实现的。

一种石油钻机的自动控制系统，包括一个主站和多个从站；综合柜内PLC控制器为整个控制系统主站，其模拟量输入模块采集整流柜直流电流和泥浆池的泥浆体积，数字量输入模块采集各执行机构运行状态及报警信号，此处信号包括1～5＃发电机组运行状态、制动单元禁止、警告消音、1～3＃泥浆泵风机运行状态、1～3＃泥浆泵风压回路状态、1～3＃泥浆泵灌注泵运行状态、1～3＃泥浆泵喷淋泵运行状态、1～3＃泥浆泵接触器全闸信号、1～2＃补给泵运行状态、1～2＃灌注泵运行状态、1～5＃发电机组水温高报警信号、1～5＃发电机组低油压报警信号、1～4＃整流柜合闸信号、1～4＃整流柜超温信号、VFD房温高信号、绞车A、B风机状态、绞车A、B风压回路状态、绞车A、B润滑油泵状态、绞车A、B接触器状态、转盘风机状态、转盘风压回路状态、转盘润滑油泵状态、转盘接触器状态、自动送钻风机状态、制动电阻风机运行、制动电阻风机合闸、AC600接地故障、AC400接地故障、烟雾报警等，数字量输出模块输出执行机构启停信号或报警输出信号；司钻房远程控制单元是整个控制系统的一个从站，其模拟量输入模块采集绞车手柄位置、转盘手柄位置、大钩位置、悬重、吊钳扭矩、绞车润滑油压、转盘润滑油压力、气源压力、盘刹安全钳压力、盘刹左、右工作钳压力、主液压站压力、立管压力、返浆流量；数字量输入模块采集各执行机构运行状态及报警信号，此处信号包括转盘手轮零位信号、绞车/自动送钻手轮零位信号、防碰释放、音响解除、转盘正转、转盘反转、转盘惯刹手动模式、转盘惯刹自动模式、风动上扣、风动卸扣、防碰动作、送钻离合器合闸信号等，数字量输出模块输出执行机构启/停信号或报警输出信号；绞车、自动送钻、泥浆泵、转盘的变频器各自为控制系统的一个从站，主站读取各从站的相关数据，包括速度、扭矩、电流、功率、故障代码等，并输出控制信号至各从站；发电机组作为整个控制系统的一个从站，每个发电机组配备一个综合仪表，各仪表分配一个不同的地址，主站与各综合仪表通讯读取各发电机组的相关数据；司钻房配备两台HMI操作屏供操作员进行人机对话，输入各校准参数和作业设置参数，并根据工艺要求选择控制方式；综合柜和远程控制单元各配备一台PC机供相关人员监视作业情况，并进行故障诊断、数据存储及打印；综合柜内PLC控制器和司钻房内远程控制单元均配备有一套冗余系统。   

本发明还提供了一种石油钻机的自动控制系统中使用的控制方法，该方法包括如下步骤：

（2-1）控制程序初始化，输入各校准参数和作业设置参数，并根据工艺要求选择控制方式；

（2-2）综合柜内PLC控制器和司钻房内远程控制单元采集各执行机构的相关数据；

（2-3）综合柜内PLC控制器和司钻房内远程控制单元输出执行机构启停信号或报警输出信号；

（2-4）执行机构接收启停信号，按综合柜内PLC控制器和司钻房内远程控制单元的控制执行相应的钻井操作。

在上述技术方案中，该石油钻机的自动控制方法包括A绞车的控制,B自动送钻的控制,C泥浆泵的控制,D转盘的控制,E补给泵的控制。

在上述技术方案中，所述绞车的控制方法步骤如下：

（A1）PLC控制器采集主接触器、风机、风压联锁、润滑油泵及绞车的状态反馈信号并在人机界面上显示出来，当以上各状态在人机界面上显示正常时，辅助设备和绞车开始运行，释放盘刹；

（A2）在起下钻时，选择自动起下钻，则根据大钩悬重确定合适的提升或下放速度运行，即绞车速度，当游车到达设定的减速点后自动减速，到达设定的停车点后自动停车并“悬停”；选择手动起下钻，手轮设定绞车速度；

（A3）当发电机组的功率过载时，PLC控制器自动调节绞车的输出速度；

（A4）选择单绞车工作时，PLC控制器将设定绞车速度输出到绞车A的变频器；选择双绞车工作时，绞车B被设置成从动单元，绞车B控制时既要进行速度控制也要进行扭矩控制，其设定扭矩为绞车A的实际扭矩，PLC控制器将设定绞车速度输出到绞车B的变频器，将绞车A的实际扭矩输出到绞车B的变频器； 

（A5）起下钻结束，绞车停止，即设定速度为零。

在上述技术方案中，所述自动送钻的控制方法步骤如下：

（B1）PLC控制器采集离合器、风机、润滑油泵及自动送钻的状态反馈信号并在人机界面上显示出来，当以上各状态在人机界面上显示正常时，自动送钻开始运行；

（B2）选择恒速度模式操作时，手轮设定或在HMI上设定自动送钻速度；选择恒钻压模式操作时，在HMI上设定钻压，并将其转换成送钻速度；

（B3）PLC控制器将设定的自动送钻速度输出到自动送钻变频器；

（B4）自动送钻停止，即设定速度为零。

在上述技术方案中，所述泥浆泵的控制方法步骤如下：

（C1）PLC控制器采集主接触器、风机、风压联锁、喷淋泵及泥浆泵的状态反馈信号并在人机界面上显示出来，当以上各状态在人机界面上显示正常时，泥浆泵主电机开始运行，灌注泵开始运行；

(C2) 当立管压力大于设定的立管压力上限时，系统报警，同时运行的泥浆泵自动停止，即设定速度为零；

(C3)PLC控制器将泥浆泵的设定速度值输出到泥浆泵变频器，同时泥浆泵的扭矩限制值输出到泥浆泵变频器；

(C4)当发电机组的功率过载时，PLC控制器自动调节泥浆泵的输出速度，同时亦可手轮设定或在HMI上设定输出速度。

在上述技术方案中，所述转盘的控制方法步骤如下：

（D1）PLC控制器采集主接触器、风机、风压联锁、润滑油泵及转盘的状态反馈信号并在人机界面上显示出来，当以上各状态在人机界面上显示正常时，转盘电机开始运行，释放惯刹；

(D2) 手轮设定转盘转速或HMI设定转速；PLC控制器将转盘的设定速度值输出到转盘变频器；

(D3)当发电机组的功率过载时，PLC控制器自动调节转盘的输出速度；

(D4)转盘停止，即设定速度为零。

在上述技术方案中，所述补给泵的控制方法步骤如下：

（E1）启动补给泵；

(E2) 当返浆流量大于返浆流量阀值时停止补给泵。

在上述技术方案中，所述盘式刹车和绞车主电机以及自动送钻电机相互联锁，即只有绞车主电机、自动送钻电机中至少有一台电机运行时，盘刹才能被打开。

与传统的油田钻井作业过程相比，使用本控制系统及其方法进行油田钻井作业具有如下优点：应用PLC控制器控制技术、现场总线通讯技术、计算机技术、传感器技术，通过现场总线将PLC控制器、控制石油钻机气控、液控回路的各类阀岛、采集石油钻机工况数据信息的各类数字传感器、HMI操作屏、钻井参数显示屏连接在一起构成了数字化控制及操作装置，使司钻人员的操作更方便可靠，提高了给定信号的可视性和精度，给予司钻人员更多的操作提示信息；控制室计算机可进行实时数据监测和打印，对数据进行回放和存储；远程计算机可在远方进行监测、故障诊断、数据存储及打印；PLC控制器及远程控制单元的冗余配置使系统控制更加可靠。它能够实现绞车、自动送钻、转盘、泥浆泵的集中控制，便于动态、精确地自动控制钻井作业过程，并为操作人员提供良好的作业环境和办公环境。

附图说明

图1 是本发明实施例的控制系统示意图。

图2是本发明实施例中绞车及自动送钻的控制方法流程图。

图3是本发明实施例中泥浆泵的控制方法流程图。

图4是本发明实施例中转盘的控制方法流程图。

图5是本发明实施例中补给泵的控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本实施例石油钻机的自动控制系统，包括一个主站和多个从站。

综合柜中安装的PLC控制器及其冗余PLC控制器是整个控制系统的主站，其模拟量输入模块采集1～8号泥浆池体积、1～4＃整流柜直流电流及电阻房温度，其数字量输入模块采集各执行机构的运行状态反馈信号及报警信号，此处信号包括1～5＃发电机组运行状态、制动单元禁止、警告消音、1～3＃泥浆泵风机运行状态、1～3＃泥浆泵风压回路状态、1～3＃泥浆泵灌注泵运行状态、1～3＃泥浆泵喷淋泵运行状态、1～3＃泥浆泵接触器全闸信号、1～2＃补给泵运行状态、1～2＃冷却水泵运行状态、1～5＃发电机组水温高报警信号、1～5＃发电机组低油压报警信号、1～4＃整流柜合闸信号、1～4＃整流柜超温信号、VFD房温高信号、绞车A、B风机状态、绞车A、B风压回路状态、绞车A、B润滑油泵状态、绞车A、B接触器状态、转盘风机状态、转盘风压回路状态、转盘润滑油泵状态、转盘接触器状态、自动送钻风机状态、制动电阻风机运行、制动电阻风机合闸、AC600接地故障、AC400接地故障、烟雾报警信号等，其数字量输出模块输出执行机构的启/停信号及报警输出信号；主站PLC控制器以通讯的方式读取绞车A、绞车B、自动送钻、1～3号泥浆泵、1～5号发电机组各从站的相关数据；主站PLC控制器与钻台1和钻台2通讯读取相关数据；远程控制单元是也是控制系统的一个从站，它也配备有冗余系统，其模拟量输入模块采集绞车手柄位置、转盘手柄位置、吊钳扭矩、悬重、气源压力、盘刹安全钳压力、盘刹左工作钳压力、盘刹右工作钳压力、盘刹液压站压力、绞车润滑油压、转盘润滑油压、立管压力、返浆流量，其数字量输入模块采集各机构的运行状态反馈信号及报警信号，此处信号包括转盘手轮零位信号、绞车/自动送钻手轮零位信号、防碰释放、音响解除、转盘正转、转盘反转、转盘惯刹手动模式、转盘惯刹自动模式、风动上扣、风动卸扣、防碰动作、送钻离合器合闸信号等，其数字量输出模块输出执行机构的启/停信号及报警输出信号，主站PLC控制器与远程控制单元通讯以读取其采集的参数并将各种输出命令发送至远程输入/输出单元以输出到各执行机构；远程控制室PC机和综合柜内的PC供相关工作人员监控作业情况，并可进行故障诊断、数据存储及打印；司钻房配备两台HMI操作屏供操作员进行人机对话，输入各校准参数和作业设置参数，并根据工艺要求选择控制方式。

石油钻机的自动控制方法包括如下几个部分：A绞车的控制；B自动送钻的控制；C泥浆泵的控制；D转盘的控制；E补给泵的控制；F盘刹控制；G惯刹控制；H立管超压保护，I灌注泵的启停。

如图2所示，在上述实施例中，所述绞车的控制方法步骤如下：

（A1）PLC控制器采集主接触器、风机、风压联锁、润滑油泵及绞车的状态反馈信号并在人机界面上显示出来，当以上各状态在人机界面上显示正常时，辅助设备和绞车开始运行，释放盘刹；

（A2）在起下钻时，选择自动起下钻，则根据大钩悬重确定合适的提升或下放速度运行，即绞车速度，当游车到达设定的减速点后自动减速，到达设定的停车点后自动停车并“悬停”；选择手动起下钻，手轮设定绞车速度；

（A3）当发电机组的功率过载时，PLC控制器自动调节绞车的输出速度；

（A4）选择单绞车工作时，PLC控制器将设定绞车速度输出到绞车A的变频器；选择双绞车工作时，绞车B被设置成从动单元，绞车B控制时既要进行速度控制也要进行扭矩控制，其设定扭矩为绞车A的实际扭矩，PLC控制器将设定绞车速度输出到绞车B的变频器，将绞车A的实际扭矩输出到绞车B的变频器； 

（A5）起下钻结束，绞车停止，即设定速度为零。

在实际操作前，首先要确认人机界面上绞车的通讯指示灯是否正常，绿色为正常，红色为故障，然后确认操作手柄在零位，再根据实际工况，确认绞车为单机拖动还是双机拖动，若选择绞车为单机拖动，按下“绞车A”或“绞车B”按钮；若选择双机拖动，则按下“绞车A＋B”按钮，再按下“绞车启/停”按键，PLC控制器采集主接触器、风机、风压联锁、润滑油泵及绞车的运行状态反馈信号并在人机界面上显示出来，当以上各状态在人机界面上的指示灯均显示绿色时，表示辅助设备已正常运行，绞车也开始运行，根据需要把操作手柄上推（提升）或下拉（下放）或在人机界面上按快增、快减键或慢增或慢减键可以使绞车按给定的方向和转速运行。系统根据当时的悬重和单双机情况，自动计算大钩允许的最快速度作为速度限制值。当大钩到达设定的减速点后，如果司钻还没有减速，系统自动减速；当大钩到达设定的停车点后，如果司钻还没有停车，系统自动停车；如果游车在停车点没有停下来，当它到达设定的“上碰点”或“下砸点”后，系统会启动盘刹刹死滚筒。当由于大钩高度超过保护值，或者滚筒编码器出现故障而自动保护刹死盘刹后，要想松开盘刹，就在人机界面上点击“解除上碰下砸保护”按钮，此时大钩速度限制为最大±1.11ft/s。当指重信号出现问题后，大钩的速度也被限制在±1.11ft/s。在提升时，当悬重超过设定的最大钩载值时，绞车速度会自动回零。在下放时，当大钩高度小于爬行速度设定高度点后，大钩下放的速度最大是-0.33ft/s（爬行速度）。

绞车的“恒钻压”操作：点击绞车的模式选择“恒钻压”模式使其变为绿色，绞车则工作在恒钻压控制模式下。在钻头离开井底后，观察钻压是否为零，若不为零，则按“钻压校零”按钮，使显示的钻压为零。在人机界面上确认将钻压给定回到零位，再根据实际工况，选择绞为单机拖动还是双机拖动，再按下“绞车启/停”按钮启动电机，等绞车运行指示灯变为绿色后，通过快增、快减键或慢增、慢减键调整钻压给定（绞车和送钻共用钻压给定按钮），钻压实际值达到要求后，开始恒钻压自动送钻。

绞车在运行过程中，无需停绞车电机即可通过按工作模式选择键从“恒钻压模式”到“恒速度模式”来回切换。

一般情况下使用自动送钻的“恒钻压”模式送钻。只有当钻井速度很快以致自动送钻电机无法满足快速钻进时，才使用绞车主电机的“恒钻压”模式送钻。

一般情况下，要求用双电机驱动绞车，当悬重小于428lbs时，可以用单电机驱动绞车，但对于相同的悬重，单电机的起放速度明显比双电机的要慢。

 自动起下钻操作：在起下钻时，还可以通过在人机界面上按“自动提升”或“自动下放”按钮，来完成自动起下钻。即电控系统根据大钩悬重确定一个合适的提升或下放速度运行，当游车到达设定的减速点后自动减速，到达设定的停车点后自动停车并“悬停”。

在“自动提升”过程中，一旦悬重变化超过“最大悬重变化”时，可能遇卡，系统自动复位“自动提升”功能，此时可用手柄来控制绞车。

在“自动下放”过程中，一旦悬重变化超过“最大悬重变化时”时，可能遇阻，系统自动复位“自动下放”功能，此时可用手柄来控制绞车。

在“自动提升”或“自动下放”过程中，一旦操作手柄离开零位，绞车控制立即由自动变为手动，并以操作手柄的给定来运转。

在系统刚送电后或起下钻后之前，一定要进行大钩位置校零，以防保护失灵或保护误动作。即把大钩下放到“0 m”后，点击”大钩位置校零”按钮，使显示的大钩位置为0m.

在绞车控制过程中，不管是用手柄操作还是在人机界面上操作，不论是“恒速度模式”控制还是“恒钻压模式”控制，都是将相应设置值（绞车手柄位置或设定转速或设定钻压）转换成绞车的设定速度值输出到绞车变频器。当使用双绞车工作时，绞车B被设置成从动单元，绞车B控制时既要进行速度控制也要进行扭矩控制，其设定扭矩为绞车A的实际扭矩。

当发电机组的功率过载时，PLC控制器会自动调节绞车的输出速度。

如图2所示，在上述实施例中，所述自动送钻的控制方法步骤如下：

（B1）PLC控制器采集离合器、风机、润滑油泵及自动送钻的状态反馈信号并在人机界面上显示出来，当以上各状态在人机界面上显示正常时，自动送钻开始运行；

（B2）选择恒速度模式操作时，手轮设定或在HMI上设定自动送钻速度；选择恒钻压模式操作时，在HMI上设定钻压，并将其转换成送钻速度；

（B3）PLC控制器将设定的自动送钻速度输出到自动送钻变频器；

（B4）自动送钻停止，即设定速度为零。

在实际操作前，首先要确认人机界面上的自动送钻通讯指示灯是否正常绿色为正常，红色为故障，自动送钻的工作模式分“恒速度”和“恒钻压”两种。

自动送钻的“恒速度”模式操作：点击自动送钻的模式选择“恒速度模式”使其变为绿色，自动送钻工作在恒速度控制模式下。

确认将自动送钻操作手柄回到零位，再在人机界面上按下“自动送钻启/停”按钮，PLC控制器采集离合器、风机、润滑油泵及自动送钻的状态反馈信息，当各元器件的状态指示灯为绿色时，表示各元器件运行正常。这时根据需要把操作手柄上推（提升）或下放（下放）或在人机界面上按快增、快减键或慢增、慢减键可使大钩按给定的方向速度运行。

自动送钻的“恒钻压”模式操作：点击自动送钻的模式选择按钮,“恒钻压模式”变为绿色，自动送钻则工作在恒钻压控制模式下。

在钻头离开井底后，观察钻压是否为零，若不为零，则按“钻压校零”按钮使显示的钻压为零。确认将钻压给定回零位，再按下“自动送钻启/停”按钮启动电机，等自动送钻电机开始运行后，这时通过快增、快减键或慢增或慢减键调整钻压给定，钻压实际值达到要求后，开始恒钻压自动送钻。

当实际钻压小于设定值时，送钻电机会下放钻具直到实际值达到设定值；当实际钻压大于设定值，送钻电机停止下放钻具，随着打钻的进行，实际钻压减小直至达到设定值。

自动送钻电机在运行过程中，无需停机即可通过按工作模式选择键从“恒钻压模式”到“恒速度模式”的来回切换。

为了准确计算井深，当打完一根单根接上新钻杆后，应该在人机界面上点击“接单根”按钮，此在人机界面上会弹出一个输入域，要求输入刚接钻具的长度，输入正确后，再次点击“接单根”按钮，输入域消失。井深可能在点击“接单根”按钮前后显示会有一定变化，这属于正常现象，井深以点击“接单根”按钮后为准。

当遇到“跳钻”严重时，自动送钻的“恒钻压”模式送钻质量会下降，此时应该用手动“恒速度”模式送钻。

在自动送钻控制过程中，不管是用手柄操作还是在人机界面上操作，不论是“恒速度”模式控制还是“恒钻压”模式控制，都是将相应设置值（自动送钻手柄位置或设定转速或设定钻压）转换成自动送钻的设定速度值输出到自动送钻变频器。

如图3所示，在上述实施例中，所述泥浆泵的控制方法步骤如下：

（C1）PLC控制器采集主接触器、风机、风压联锁、喷淋泵及泥浆泵的状态反馈信号并在人机界面上显示出来，当以上各状态在人机界面上显示正常时，泥浆泵主电机开始运行，灌注泵开始运行；

(C2) 当立管压力大于设定的立管压力上限时，系统报警，同时运行的泥浆泵自动停止，即设定速度为零；

(C3)PLC控制器将泥浆泵的设定速度值输出到泥浆泵变频器，同时泥浆泵的扭矩限制值输出到泥浆泵变频器；

(C4)当发电机组的功率过载时，PLC控制器自动调节泥浆泵的输出速度，同时亦可手轮设定或在HMI上设定速度。

   3台泥浆泵相互独立，操作方法完全一样。

   在实际操作前，首先要在人机界面上确认泥浆泵的通讯指示灯是绿色，表示泥浆泵的变频器通讯正常。

通过快速回零键将给定值回零，这时操作屏上的快速回零键变灰，然后按下“泥浆泵启/停”按钮，使其变绿，PLC控制器采集主接触器、风机、风压联锁、喷淋泵及泥浆泵的运行状态反馈信号，各指示灯为绿色，表示各元器件的动作正常，泥浆泵主电机开始运行，这时，通过快增、快减键或慢增、慢减键调整给定速度，使泵按给定的泵冲开始工作。

在工作过程中，随时可以调整给定，以满足钻井所需的泵冲和泵压。

停泵时，先将给定回零，再按下“泥浆泵启/停”按钮，使其变灰。

出现以上故障后要想重新工作，首先得排除故障后，按“复位”键，消除以上故障。

在泥浆泵的控制过程中，PLC控制器将泥浆泵的设定速度值输出到泥浆泵变频器，同时泥浆泵的扭矩限制值输出到泥浆泵变频器。

当发电机组的功率过载时，PLC控制器会自动调节泥浆泵的输出速度。

灌注泵的操作有“自动”和“手动”之分，选择“自动”时，灌注泵的启/停与泥浆泵的启/停同步。选择“手动”时，按下“手动”按钮即直接启动灌注泵，按下“停止”按钮则停止灌注泵。

如图4所示，在上述实施例中，所述转盘的控制方法步骤如下：

（D1）PLC控制器采集主接触器、风机、风压联锁、润滑油泵及转盘的状态反馈信号并在人机界面上显示出来，当以上各状态在人机界面上显示正常时，转盘电机开始运行，释放惯刹；

(D2) 手轮设定转盘转速或HMI设定转速；PLC控制器将转盘的设定速度值输出到转盘变频器；

(D3)当发电机组的功率过载时，PLC控制器自动调节转盘的输出速度；

(D4)转盘停止，即设定速度为零。

   在人机界面点击“用手柄操作”来选择转盘的给定是通过人机界面给定还是手柄给定。

在实际操作前，首先得确认转盘通讯指示灯是绿色，表示转盘变频器通讯正常。

若选择人机界面给定，则通过快速回零键将给定降到零，这时操作屏上的快速回零键变灰，按下“转盘正转启/停”或“转盘反转启/停”来启动正转或反转，PLC控制器采集主接触器、风机、风压联锁、润滑油泵及转盘的状态反馈，各指示灯均为绿色，表示各元器件正常动作，转盘（顶驱）电机开始运行，即可通过快增、快减键和慢增、慢减键进行给定转速，转盘开始运转。

根据钻井工艺需要，同样通过转矩的上调、下调键进行扭矩限制的给定。

如果司钻房的转盘惯刹操作旋钮放在“自动”位置，则在运行过程中，当转盘控制柜出现故障或转盘电机断电后，惯性刹车自动投入。

该系统有转盘扭矩缓释功能，要启动它，只须点击“自动扭矩缓释”按钮，使其变色即可。这样，当转盘堵转一定时间或转盘速度回零后仍有较大的反扭矩时，系统会自动以很低的速度反转，释放反扭矩，直至反扭矩小于一定值。转盘释放反扭矩时，相应指示灯变亮。

在转盘控制过程中，不管是用手柄操作还是在人机界面上操作，都是将相应设置值（转盘手柄位置或设定转速）转换成转盘的设定速度值输出到转盘变频器。同时PLC控制器将转盘的扭矩限制值输出到转盘变频器。

当发电机组的功率过载时，PLC控制器会自动调节转盘的输出速度。

如图5所示，在上述实施例中，所述补给泵的控制方法步骤如下：

（E1）启动补给泵；

(E2) 当返浆流量大于返浆流量阀值时停止补给泵。

系统配有两个补给泵，在人机界面上分别按两个泵的“启动”按钮启动补给泵，在人机界面上分别按两个泵的“停止”按钮停止补给泵。当返浆流量大于返浆流量阀值时同时停止两个补给泵。

在上述技术方案中，盘式刹车和绞车主电机以及自动送钻电机相互联锁，即只有绞车主电机、自动送钻电机中至少有一台电机运行时，盘刹才能被打开。有时需要在不启动电机的条件下打开盘刹，这时只需要在人机界面上点击“释放盘刹”即可。

当游车到达设定的“上碰点”或“下砸点”后，系统会启动盘刹刹死滚筒。当由于大钩高度超过保护值，或者滚筒编码器出现故障而自动保护刹死盘刹后，要想松开盘刹，就在人机界面上点击“解除上碰下砸保护”按钮，此时大钩速度限制为最大±1.11ft/s。

惯刹有手动惯刹和自动惯刹，都是在PLC外部设置的开关。用手动惯刹时，只要把手动惯刹开关拨到ON状态，惯刹控制输出；用自动惯刹时，把自动惯刹拨到ON状态，当转盘控制柜出现故障或转盘电机断电后，惯性刹车自动投入，惯刹控制输出。上面两个开关都拨到OFF状态时，惯刹控制不输出。

Claims (9)

1.一种石油钻机的自动控制系统，其特征是：所述控制系统包括一个主站和多个从站；综合柜内PLC控制器为整个控制系统主站，其模拟量输入模块采集整流柜直流电流和泥浆池的泥浆体积，数字量输入模块采集各执行机构运行状态及报警信号，数字量输出模块输出执行机构启停信号或报警输出信号；司钻房远程控制单元是整个控制系统的一个从站，其模拟量输入模块采集绞车手柄位置、转盘手柄位置、大钩位置、悬重、吊钳扭矩、绞车润滑油压、转盘润滑油压力、气源压力、盘刹安全钳压力、盘刹左、右工作钳压力、盘刹液压站压力、立管压力、返浆流量；数字量输入模块采集各执行机构运行状态及报警信号，数字量输出模块输出执行机构启停信号或报警输出信号；绞车、自动送钻、泥浆泵、转盘的变频器各自为控制系统的一个从站，主站读取各从站的相关数据，并输出控制信号至各从站；发电机组作为整个控制系统的一个从站，每个发电机组配备一个综合仪表，各仪表分配一个不同的地址，主站与各综合仪表通讯读取各发电机组的相关数据；司钻房配备两台HMI操作屏供操作员进行人机对话，输入各校准参数和作业设置参数，并根据工艺要求选择控制方式；综合柜和远程控制单元各配备一台PC机供相关人员监视作业情况，并进行故障诊断、数据存储及打印；综合柜内PLC控制器和司钻房内远程控制单元均配备有一套冗余系统。

2.一种在如权利要求1所述的石油钻机的自动控制系统中使用的控制方法，该方法包括如下步骤：

（2-1）控制程序初始化，输入各校准参数和作业设置参数，并根据工艺要求选择控制方式；

（2-2）综合柜内PLC控制器和司钻房内远程控制单元采集各执行机构的相关数据；

（2-3）综合柜内PLC控制器和司钻房内远程控制单元输出执行机构启停信号或报警输出信号；

（2-4）执行机构接收启停信号，按综合柜内PLC控制器和司钻房内远程控制单元的控制执行相应的钻井操作。

3.根据权利要求2所述的自动控制方法，其特征是：该石油钻机的自动控制方法包括A绞车的控制,B自动送钻的控制,C泥浆泵的控制,D转盘的控制,E补给泵的控制。

4.根据权利要求3所述的自动控制方法，其特征是所述绞车的控制方法步骤如下：

（A1）PLC控制器采集主接触器、风机、风压联锁、润滑油泵及绞车的状态反馈信号并在人机界面上显示出来，当以上各状态在人机界面上显示正常时，辅助设备和绞车开始运行，释放盘刹；

（A2）在起下钻时，选择自动起下钻，则根据大钩悬重确定合适的提升或下放速度运行，即绞车速度，当游车到达设定的减速点后自动减速，到达设定的停车点后自动停车并“悬停”；选择手动起下钻，手轮设定绞车速度；

（A3）当发电机组的功率过载时，PLC控制器自动调节绞车的输出速度；

（A4）选择单绞车工作时，PLC控制器将设定绞车速度输出到绞车A的变频器；选择双绞车工作时，绞车B被设置成从动单元，绞车B控制时既要进行速度控制也要进行扭矩控制，其设定扭矩为绞车A的实际扭矩，PLC控制器将设定绞车速度输出到绞车B的变频器，将绞车A的实际扭矩输出到绞车B的变频器； 

（A5）起下钻结束，绞车停止，即设定速度为零。

5.根据权利要求3所述的自动控制方法，其特征是所述自动送钻的控制方法步骤如下：

（B1）PLC控制器采集离合器、风机、润滑油泵及自动送钻的状态反馈信号并在人机界面上显示出来，当以上各状态在人机界面上显示正常时，自动送钻开始运行；

（B2）选择恒速度模式操作时，手轮设定或在HMI上设定自动送钻速度；选择恒钻压模式操作时，在HMI上设定钻压，并将其转换成送钻速度；

（B3）PLC控制器将设定的自动送钻速度输出到自动送钻变频器；

（B4）自动送钻停止，即设定速度为零。

6.根据权利要求3所述的自动控制方法，其特征是所述泥浆泵的控制方法步骤如下：

（C1）PLC控制器采集主接触器、风机、风压联锁、喷淋泵及泥浆泵的状态反馈信号并在人机界面上显示出来，当以上各状态在人机界面上显示正常时，泥浆泵主电机开始运行，灌注泵开始运行；

(C2) 当立管压力大于设定的立管压力上限时，系统报警，同时运行的泥浆泵自动停止，即设定速度为零；

(C3)PLC控制器将泥浆泵的设定速度值输出到泥浆泵变频器，同时泥浆泵的扭矩限制值输出到泥浆泵变频器；

(C4)当发电机组的功率过载时，PLC控制器自动调节泥浆泵的输出速度，同时亦可手轮设定或在HMI上设定输出速度。

7.根据权利要求3所述的自动控制方法，其特征是所述转盘的控制方法步骤如下：

（D1）PLC控制器采集主接触器、风机、风压联锁、润滑油泵及转盘的状态反馈信号并在人机界面上显示出来，当以上各状态在人机界面上显示正常时，转盘电机开始运行，释放惯刹；

(D2) 手轮设定转盘转速或HMI设定转速；PLC控制器将转盘的设定速度值输出到转盘变频器；

(D3)当发电机组的功率过载时，PLC控制器自动调节转盘的输出速度；

(D4)转盘停止，即设定速度为零。

8.根据权利要求3所述的自动控制方法，其特征是所述补给泵的控制方法步骤如下：

（E1）启动补给泵；

(E2) 当返浆流量大于返浆流量阀值时停止补给泵。

9.根据权利要求3所述的自动控制方法，其特征是所述盘式刹车和绞车主电机以及自动送钻电机相互联锁，即只有绞车主电机、自动送钻电机中至少有一台电机运行时，盘刹才能被打开。

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