CN104612655A - 一种用于石油钻机的刹车控制系统及方法 - Google Patents

一种用于石油钻机的刹车控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于石油钻机的刹车控制系统及方法，石油钻机顶部驱动装置或转盘驱动控制系统的通讯端口与可编程控制器PLC通讯端口通过通讯线相接，可编程控制器PLC与触摸操作屏通讯端口相接；可编程控制器PLC的输出端与石油钻机刹车驱动回路连接，石油钻机刹车驱动回路与刹车机构相接。本发明能够对在钻井过程中出现失控情况下的反转进行遏制；对原始控制系统不可控制的剧烈振动出现时，自动投入防抱死（ABS功能）；能使刹车机构平稳制动、使意外情况平稳过渡，同时在正常工作刹车时，能够减少机械磨损和减弱机械冲击，本发明刹车机构工作时的柔性和韧性，能使转矩缓释放、刹车无冲击，改善了钻机旋转系统的制动过程，延长设备使用寿命。

Description

一种用于石油钻机的刹车控制系统及方法
技术领域
本发明属于石油钻井技术领域，涉及刹车控制方法，具体涉及一种用于石油钻机的刹车控制系统及方法。
背景技术
目前石油钻机旋转系统中的石油钻机顶部驱动装置（简称顶驱）/转盘的刹车控制，采用手动和自动两种操作方式，施加刹车时都是直接抱死。通常情况下在钻井作业中出现钻柱的横向、轴向振动，这种振动在一定范围内不影响正常的钻井作业，但是当井下情况复杂：如出现跳钻、卡钻，甚至钻头卡死，驱动系统继续旋转并借助惯性的作用，使钻柱上积聚弹性转矩上升，其值为                                                ,（式中：为钻柱的弹性系数，为顶驱或转盘输出端的转角，为钻头转角），当弹性转矩大于电机的最大转矩时，驱动电机逼迫减速，当减速到零时，这种弹性转矩足以使电机快速反转，导致卸扣、钻具掉井底等钻井灾难出现。不能保证钻井作业的安全，钻井作业时偶尔出现不可预见的、复杂的井下情况，会导致事故发生；且因钻具固有的弹性振荡，按目前通用的刹车方法刹车时会产生剧烈冲击、机械磨损严重。
发明内容
本发明为了解决通用的刹车方法不能对刹车机构平稳制动，不能使意外情况平稳过渡的问题，提供了一种用于石油钻机的刹车控制系统及方法。
为了解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
   一种用于石油钻机的刹车控制系统，石油钻机顶部驱动装置或转盘驱动控制系统的通讯端口与可编程控制器PLC通讯端口通过通讯线相接，所述的可编程控制器PLC通讯端口还与触摸操作屏通讯端口通过通讯线相接；可编程控制器PLC的输出端与石油钻机刹车驱动回路连接，所述石油钻机刹车驱动回路与刹车机构相接。
 一种用于石油钻机的刹车控制方法，具体包括以下步骤：
①　所述石油钻机顶部驱动装置或转盘驱动控制系统设有运行参数：速度给定值、实际速度值、电机转矩值和电机转向值，石油钻机作业时，石油钻机顶部驱动装置或转盘驱动控制系统的运行状态参数值信号传输至可编程控制器PLC；
②　通过触摸操作屏输入数据：钻柱长度、粘滑震动量、钻柱弹性系数、刹车时滞后时间t1、撤销时滞后时间t2；
③　可编程控制器PLC读取触摸操作屏输入的数据及石油钻机顶部驱动装置或转盘驱动控制系统的运行参数作数据处理，此后可编程控制器PLC对检测的石油钻机顶部驱动装置或转盘驱动控制系统的运行状态参数、刹车操作状态进行程序逻辑判断，所述的刹车操作状态包括自动刹车、手动刹车方式，经程序逻辑判断认定出现了需要自动刹车的状态，自动启动顶驱/转盘防抱死控制，自动执行对应程序段，输出刹车控制信号；认定出现了需要手动刹车的状态，人为操作触摸操作屏上的转换开关，启动顶驱/转盘防抱死控制，执行对应程序段，输出刹车控制信号；
④　可编程控制器PLC输出的刹车控制信号通过石油钻机顶部驱动装置的刹车驱动回路或转盘的刹车驱动回路来控制刹车机构按照程序设定动作，实现预想的控制方法。
  本发明的有益效果是：本发明将石油钻机顶驱/转盘驱动控制系统与可编程控制器PLC相连接，通过可编程控制器PLC进行数据处理输出控制信号来控制刹车机构精确动作；本发明根据采集的顶驱/转盘驱动控制系统运行状态参数、刹车操作状态（自动刹车、手动刹车）进行程序逻辑判断，可编程控制器PLC输出刹车控制信号控制顶驱或转盘动作，建立了一种可编程的控制方法，根据采集的顶驱/转盘驱动控制系统运行参数及通过触摸操作屏输入数据，通过一定的控制算法，输出刹车控制信号，这种控制信号是脉动的，脉动信号频率和信号的占空比与顶驱或转盘刹车机构匹配，能够实现防抱死（ABS）功能；能够对在钻井过程中出现失控情况下的反转进行遏制；能够对原始控制系统不可控制的剧烈振动出现时，自动投入防抱死（ABS功能）；同时在正常工作刹车时，本发明的方法能够减少机械磨损和减弱机械冲击，延长设备使用寿命。本发明的刹车控制方法能使刹车机构平稳制动，且能使意外情况平稳过渡，本发明刹车机构工作时的柔性和韧性，能起到转矩缓释放和刹车无冲击的作用，从而改善了钻机旋转系统的制动过程。
附图说明
图1.是本发明结构示意图；
图2是本发明程序流程图。
具体实施方式
 一种用于石油钻机的刹车控制系统，可编程控制器PLC通讯端口与石油钻机顶驱/转盘驱动控制系统的通讯端口、触摸操作屏通讯端口通过通讯总线方式连接起来，构成总线通讯网络，进行数据采集、参数传输、程序运行。可编程控制器PLC的开关量输出端（或模拟量输出端）与石油钻机顶驱/转盘的刹车控制系统中的（液压）控制阀连接，（液压）控制阀用于控制顶驱/转盘本体刹车机构回路，使其按照程序动作，完成刹车功能。顶驱/转盘驱动控制系统与刹车控制系统之间为连锁关系。
可编程控制器PLC包括CPU模板、开关量输入输出模板、模拟量输入输出模板。石油钻机顶驱/转盘驱动控制系统与本发明的触摸操作屏、可编程控制器（PLC）的CPU模块之间采用总线通讯方式连接。经采集石油钻机顶驱/转盘驱动控制系统的运行参数，采样的信号通过通讯线传输至可编程控制器PLC，通过触摸操作屏输入数据，PLC进行数据处理编制程序，可编程控制器PLC输出的控制信号，控制顶驱刹车机构回路的控制阀或转盘刹车机构回路的控制阀，进而使刹车机构按照程序设定动作，实现预想的控制方法；刹车自动投入工作是程序根据检测到的运行状态，经程序逻辑判断，认定出现了需要刹车的状态，如：弹性能使电机突然反转或驱动系统出现大幅度振荡，这时启动顶驱/转盘防抱死控制，自动执行对应程序段，输出刹车控制信号；手动刹车需人为操作触摸操作屏上的转换开关，启动顶驱/转盘防抱死控制，执行正常的工作刹车程序段，同时输出刹车控制信号。
本系统运行时，通过总线方式采样石油钻机顶驱/转盘驱动控制系统参数，主要有：速度给定值、实际速度值、电机转矩值和电机转向值，将得到的参数值传送给可编程控制器PLC；通过触摸操作屏输入数据：钻柱长度、粘滑震动量、钻柱弹性系数、刹车时滞后时间t1、撤销时滞后时间t2；可编程控制器PLC读取触摸操作屏输入的数据，并与石油钻机顶驱/转盘驱动系统的参数作数据运算与数据处理；可编程控制器PLC控制器依据数据处理结果判断钻机运行状态，将控制信号通过刹车驱动回路输出至刹车机构，来精确控制刹车机构动作。可编程控制器PLC输出控制信号的脉动频率和信号的占空比，程序编制时依据刹车机构投入滞后时间t1和撤销滞后时间t2及刹车类型（反转遏制、剧烈振动、手动刹车）有关， t1是可编程控制器PLC输出控制信号的脉冲前沿时刻与刹车作用力施加时刻间的时间间隔，t2是可编程控制器PLC输出控制信号的脉冲后沿时刻与刹车作用力撤消时刻间的时间间隔，t1 和t2与顶驱/转盘的刹车机构有关。
可编程控制器PLC依据数据处理结果判断钻机运行状态，程序逻辑判断跳转位置如图2所示，进入反转遏制程序段、剧烈振动程序段、工作刹车程序段或无刹车输出程序段；
可编程控制器PLC依据采样石油钻机顶驱/转盘驱动控制系统的运行状态参数值，计算钻柱上的弹性转矩，转矩平衡方程：
电机端加速转矩： （1）
顶驱/转盘驱动控制系统在平稳钻进中加速转矩转,可编程控制器PLC通过一定的算法求的某个时刻钻进状态是平稳钻进，采样了这个时刻的参数值，依据（1）式得 ，此时电机转矩值与弹性转矩相等。值与顶驱/转盘驱动控制系统最大电机转矩做比较，若，此时电机速度降为零，启动顶驱/转盘防抱死控制功能。        
钻头端加速转矩： （2）
式中：为钻具弹性变形的扭转角，其大小与钻具长度有关，
为电机的转动惯量；为钻头处的负载转动惯量； 为粘滑摩擦系数；为电机转矩；为负载转矩。
依据（2）式，可编程控制器PLC根据地质数据、钻具长度、泥浆配比、粘滑震动量、粘滑摩擦系数等数据，并不断采样实时数据按照一定的算法寻找的时刻,在这个时刻采样参数，推算粘性摩擦转矩和负载转矩的变化区间，变化大推断出现憋钻、变化很大超出正常范围说明卡钻了。其结果作为刹车自动投入工作的必要条件，读取顶驱/转盘驱动控制系统的控制字确定旋转方向，如此时和电机转向变反，则启动顶驱/转盘防抱死控制功能。
当顶驱/转盘电机实际速度值和电机转矩值波动大，电机端加速转矩不为零，可编程控制器计算出n（15-20次）次这两个实际值的算数平均值和变化量，当转矩变化量ΔT≥ΔTmax、速度变化量ΔN≥ΔNmax时，（ΔTmax转矩允许最大变化值，ΔNmax速度允许最大变化值），认为出现了不可控制的剧烈振动，自动启动顶驱/转盘防抱死控制功能，可编程控制器PLC输出控制信号，控制信号传输至石油钻机顶驱/转盘本体刹车电磁阀，使刹车机构动作。

Claims (2)

1.一种用于石油钻机的刹车控制系统，其特征在于：石油钻机顶部驱动装置或转盘驱动控制系统的通讯端口与可编程控制器PLC通讯端口通过通讯线相接，所述的可编程控制器PLC通讯端口还与触摸操作屏通讯端口通过通讯线相接；可编程控制器PLC的输出端与石油钻机刹车驱动回路连接，所述石油钻机刹车驱动回路与刹车机构相接。
2.一种用于石油钻机的刹车控制方法，采用如权利要求1所述的刹车控制系统，其特征在于：具体包括以下步骤；
①　所述石油钻机顶部驱动装置或转盘驱动控制系统设有运行参数：速度给定值、实际速度值、电机转矩值和电机转向值，石油钻机作业时，石油钻机顶部驱动装置或转盘驱动控制系统的运行状态参数值信号传输至可编程控制器PLC；
②　通过触摸操作屏输入数据：钻柱长度、粘滑震动量、钻柱弹性系数、刹车时滞后时间t1、撤销时滞后时间t2；
③　可编程控制器PLC读取触摸操作屏输入的数据及石油钻机顶部驱动装置或转盘驱动控制系统的运行参数作数据处理，此后可编程控制器PLC对检测的石油钻机顶部驱动装置或转盘驱动控制系统的运行状态参数、刹车操作状态进行程序逻辑判断，所述的刹车操作状态包括自动刹车、手动刹车方式，经程序逻辑判断认定出现了需要自动刹车的状态，自动启动顶驱/转盘防抱死控制，自动执行对应程序段，输出刹车控制信号；认定出现了需要手动刹车的状态，人为操作触摸操作屏上的转换开关，启动顶驱/转盘防抱死控制，执行对应程序段，输出刹车控制信号；
④　可编程控制器PLC输出的刹车控制信号通过石油钻机顶部驱动装置的刹车驱动回路或转盘的刹车驱动回路来控制刹车机构按照程序设定动作，实现预想的控制方法。
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