CN107902577B - 一种保护石油钻机提升系统钢丝绳的控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于保护石油钻机提升系统钢丝绳的控制系统及方法，其包括与可编程控制器PLC通过通讯线连接的触摸屏，PLC分别与载荷传感器、滚筒编码器、绞车调速器连接；载荷传感器安装在绞车滚筒的死绳固定器上，实时采集绞车载荷实际值并传输至PLC；滚筒编码器安装在绞车滚筒轴上，实时采集绞车滚筒实际旋转脉冲数并传输至PLC；经PLC处理后得出绞车实际速度给定值向绞车调速器发出信号去控制绞车主电机，本发明实现了绞车柔性启动、加减速和实现软停车，避免钢丝绳的过载冲击和过度放绳而引起的钢丝绳乱绳、夹绳、断丝、变形、过载等现象发生。

Description

一种保护石油钻机提升系统钢丝绳的控制系统及方法

技术领域

本发明属于石油钻井技术领域，涉及石油钻机提升系统钢丝绳，具体涉及一种用于石油钻机提升系统钢丝绳保护的控制方法。

背景技术

目前，在石油电动钻机提升系统中，钢丝绳运动频繁、速度快，并承受弯曲、扭转、挤压、冲击振动等复杂应力的作用，不可避免会出现乱绳、夹绳、断丝、变形、过载等现象。在现场，钢丝绳的保护主要通过倒绳机、引绳机、排绳机和稳绳器等设备，保证钢丝绳在绳槽匹配状态下，在绞车滚筒上保持排绳整齐，有效防止由于“挤咬”而产生对钢丝绳的意外损坏；对于断丝、变形等情况，一般是凭经验观察在一定范围内钢丝绳外层钢丝的断丝数，观察钢丝绳变细情况或钢丝绳在滚筒上的缠绕情况等进行判断；针对过载只能通过司钻的经验依据大钩高度、负载大小，手动控制绞车的速度来满足钢丝绳的安全拉力允许值。基于以上措施，钢丝绳的安全性能得到提高，但使用过程中因钢丝绳的损伤或破断而产生的重大事故时有发生。

发明内容

为了解决石油钻机提升系统中的钢丝绳出现夹绳、乱绳、断丝、变形、过载现象等问题，提供了一种用于石油钻机提升系统中钢丝绳保护的控制系统。

为了解决上述问题，本发明采用如下技术方案：一种用于保护石油钻机提升系统钢丝绳的控制系统，包括触摸屏，该触摸屏与可编程控制器PLC通过通讯线连接；可编程控制器PLC分别与载荷传感器、滚筒编码器、绞车调速器连接；所述载荷传感器安装在绞车死绳固定器上，实时采集绞车载荷实际值并传输至PLC模拟量输入模板AI；所述滚筒编码器安装在绞车滚筒轴上，实时采集绞车滚筒实际旋转脉冲数并传输至PLC计数模板FM350；绞车调速器安装在绞车控制柜内，其包括速度调节器、转矩调节器和功率转换器，接收来自可编程控制器PLC发出的速度给定信号，去控制绞车主电机的转速，绞车主电机在绞车调速器的控制下升速或者降速来调节绞车的速度和转矩。

所述触摸屏为设有钻机最大载荷Q_最大、载荷限制阀值Q_限制、载荷报警阀值Q_报警、有效绳数Z、下停车点S_下停、下减速点S_下减、上减速点S_上减、上停车点S_上停、绞车电机功率P、绞车传动总效率η、绞车滚筒直径平均值 D_平均、绞车传动比i、绞车滚筒编码器每圈脉冲数C_脉冲输入域的触摸屏。

所述触摸屏用带显示屏的操作面板替代。

本发明的另一目的在于提供一种能够实现所述用于石油钻机提升系统钢丝绳保护的控制方法，具体包括以下步骤：

步骤（1）：在设备正式使用前，通过触摸屏设置钻机最大载荷Q_最大、载荷限制阀值Q_限制、载荷报警阀值Q_报警、有效绳数Z、下停车点S_下停、下减速点S_下减、上减速点S_上减、上停车点S_上停、绞车电机功率P、绞车传动总效率η、绞车滚筒直径平均值 D_平均、绞车传动比i基础计算参数；

步骤（2）：根据最大载荷Q_最大、载荷限制阀值Q_限制、载荷报警阀值Q_报警、有效绳数Z、游车效率η_游，可编程控制器PLC依据公式1计算出钢丝绳的各拉力，包括载荷最大拉力F_最大、载荷限制拉力F_限制、载荷报警拉力F_报警 、载荷限制拉力F_实际,并且F_最大＞F_限制＞F_报警＞F_实际；

当钻机载荷超过80%时，报80%过载警告信息，绞车速度给定置为零，在确认此报警信息后绞车可以继续低速上提，依据公式2和公式3得到公式4，计算出电机实际转速n，将公式4代入公式5，计算出绞车速度给定G_D；当钻机载荷超过95%时，报95%过载警告信息，绞车速度给定置为零，确认此报警信息后，绞车只允许下放，不允许上提；

步骤（3）：根据钻机绞车滚筒编码器的脉冲数T_脉冲与绞车滚筒编码器每圈脉冲数C_脉冲计算出从零点开始滚筒实际圈数，依据公式6计算出大钩实际高度H，根据绞车电机实际转速n_电机计算出大钩实际

速度V_钩；大钩高度H和绞车运行方向判断，当绞车上提时根据大钩位置、下停车点与下减速点的距离，依据公式9计算出钩速，依据公式8计算出绞车速度给定，使其从零速自动加速到最大速度对应的转速给定；当游车高度大于上减速点时，绞车自动开始减速，当游车高度到达上停车点时，速度给定自动减到零，实现低位软停车；

当绞车下放时根据大钩位置、上停车点与上减速点的距离，依据公式9计算出钩速，依据公式8计算出绞车速度给定，使其从零速自动加速到最大速度对应的转速给定；当游车高度小于下减速点时，绞车自动开始减速，当游车高度到达下停车点时，速度给定自动减到零，实现高位软停车；

步骤（4）： 取由大钩高度H计算出的绞车速度给定G_D2、由载

荷计算出的绞车速度给定G_D1和绞车手柄给定G_D3的最小值，将最小值作为绞车运行的控制速度给定G_D去控制绞车，避免钢丝绳的过载冲击和过度放绳。

所述载荷限制阀值Q_限制= 95% 、载荷报警阀值Q_报警= 80% 。

本发明的有益效果在于：本发明从电气控制出发， 利用实时检测的游车位置、负载重量，并计算出相应规格化的速度给定，取手柄给定与规格化速度给定的最小值作为绞车的速度给定，使绞车柔性启动、加减速和实现在上停车点和下停车点的软停车，避免钢丝绳的过载冲击和过度放绳而引起的钢丝绳乱绳、夹绳、断丝、变形、过载等现象发生。滚筒编码器安装在绞车滚筒轴上用于滚筒速度反馈，向可编程控制器PLC实时反馈绞车滚筒实际转速，去控制绞车电机的实际速度和转矩，减少了钢丝绳的过度放绳、疲劳和过载破坏程度，降低了因为钢丝绳疲劳、断裂发生事故的概率。

附图说明

图1为用于石油钻机提升系统钢丝绳保护的控制系统图；

图2为用于石油钻机提升系统钢丝绳保护的控制方法的流程图。

具体实施方式

一种用于石油钻机提升系统钢丝绳保护的控制系统，该系统包括：可编程控制器PLC、滚筒编码器、载荷传感器、绞车调速器、速度反馈编码器、一个触摸屏或者一个带显示屏的操作面板；

触摸屏或者一个带显示屏的操作面板，包括钻机最大载荷Q_最大、载荷限制阀值Q_限制、载荷报警阀值Q_报警、有效绳数Z、下停车点S_下停、下减速点S_下减、上减速点S_上减、上停车点S_上停、绞车电机功率P、绞车传动总效率η、绞车滚筒直径平均值 D_平均、绞车传动比i、绞车滚筒编码器每圈脉冲数C_脉冲等输入域，它与可编程控制器PLC电连接，用于设定设置相关参数；

滚筒编码器，它安装在绞车滚筒上，实时采集绞车滚筒实际旋转脉冲数；

载荷传感器，它安装在绞车死绳固定器上，实时采集绞车载荷的实际值；

可编程控制器PLC与载荷传感器连接，通过其模拟量输入模板AI采集由载荷传感器传递来的负载实际值，根据绞车载荷与速度曲线，计算出速度给定信号G_D1；可编程控制器PLC与滚筒编码器连接，通过其计算模板FM350采集滚筒实际旋转脉冲数，根据有效绳数Z、绞车滚筒直径平均值 D_平均、绞车传动比i计算出大钩的实际高度及规格化计算绞车速度给定信号G_D2；取绞车速度给定G_D1、绞车速度给定G_D2和绞车手柄给定G_D3的最小值，将最小给定值G_D作为绞车实际速度给定；

绞车调速器，包括速度调节器、转矩调节器和功率转换器，它接收来自可编程控制器PLC发出的速度给定信号，去控制绞车主电机的转速；绞车主电机在绞车调速器的控制下升速或者降速，从而调节绞车的速度和转矩；

其中，所述速度反馈编码器，安装在绞车主电机轴上，向可编程控制器PLC实时反馈绞车主电机的实际转速。

一种采用上述系统对石油钻机提升系统钢丝绳进行保护的控制方法，具体包括以下步骤：

步骤（1）：在设备正式使用前，通过触摸屏设置钻机最大载荷Q_最大、载荷限制阀值Q_限制、载荷报警阀值Q_报警、有效绳数Z、下停车点S_下停、下减速点S_下减、上减速点S_上减、上停车点S_上停、绞车电机功率P、绞车传动总效率η、绞车滚筒直径平均值 D_平均、绞车传动比i等基础计算参数。

步骤（2）：根据最大载荷Q_最大、载荷限制阀值Q_限制、载荷报警阀值Q_报警、有效绳数Z、游车效率η_游，可编程控制器PLC依据公式1计算出钢丝绳的各拉力，包括载荷最大拉力F_最大、载荷限制拉力F_限制、载荷报警拉力F_报警 、载荷实际拉力F_实际,并且F_最大＞F_限制＞F_报警＞F_实际。

当钻机载荷超过80%时，报80%过载警告信息，绞车速度给定置为零，在确认此报警信息后绞车可以继续低速上提，依据公式2和公式3得到公式4，计算出电机实际转速n，将公式4代入公式5，计算出绞车速度给定G_D1；当钻机载荷超过95%时，报95%过载警告信息，绞车速度给定置为零，确认此报警信息后，绞车只允许下放，不允许上提。

步骤（3）：根据钻机绞车滚筒编码器的脉冲数T_脉冲与绞车滚筒编码器每圈脉冲数C_脉冲计算出从零点开始滚筒实际圈数，依据公式6计算出大钩实际高度H。根据绞车电机实际转速n_电机计算出大钩实际

速度V_钩。大钩高度H和绞车运行方向判断，当绞车上提时根据大钩位置、下停车点与下减速点的距离，依据公式9计算出钩速，V_钩，依据公式8计算出绞车速度给定G_D2，使其从零速自动加速到最大速度对应的转速给定；当游车高度大于上减速点时，绞车自动开始减速，当游车高度到达上停车点时，速度给定自动减到零，实现低位软停车；

当绞车下放时根据大钩位置、上停车点与上减速点的距离，依据公式9计算出钩速V_钩，依据公式8计算出绞车速度给定，使其从零速自动加速到最大速度对应的转速给定；当游车高度小于下减速点时，绞车自动开始减速，当游车高度到达下停车点时，速度给定自动减到零，实现高位软停车；

步骤（4）：取由大钩高度H计算出的绞车速度给定G_D2、由载荷计算出的绞车速度给定G_D1和绞车手柄给定G_D3的最小值，将最小值作为绞车运行的控制速度给定G_D去控制绞车，避免钢丝绳的过载冲击和过度放绳。

实施例

如图2所示，实现用于石油钻机提升系统钢丝绳保护的控制系统，主要由触摸屏（或操作面板）、可编程控制器PLC 215、转矩调速器216、扭矩/电流传感器219、速度反馈编码器221及绞车主电机220组成。为实现石油钻机提升系统钢丝绳保护控制功能，触摸屏上设置了最大载荷Q_最大201、载荷限制阀值Q_限制202、载荷报警阀值Q_报警203、绞车电机功率P204、、绞车传动总效率η205、绞车滚筒直径平均值 D_平均206、绞车传动比i207、有效绳数Z208、下停车点S_下停209、下减速点S_下减210、上停车点S_上停211、上减速点S_上减212输入输出域；大钩（游车）高度输出域213和钢丝绳拉力输出域214；可编程控制器PLC 215，接收来自触摸屏上的最大载荷Q_最大201、载荷限制阀值Q_限制202、载荷报警阀值Q_报警203、绞车电机功率P 204、绞车传动总效率η205、绞车滚筒直径平均值 D_平均206、绞车传动比i207、有效绳数Z 208、下停车点S_下停209、下减速点S_下减210、上停车点S_上停211、上减速点S_上减212等设定值，计算并显示游车高度H 和钢丝绳拉力数值F ；转矩/电流传感器219，实时采集绞车转矩的实际值；通过可编程控制器PLC计算出绞车调速器速度给定，分别输出给触摸屏和速度调节器216；安装在绞车主电机220轴上的速度编反馈码器221，实时反馈电机的实际转速；绞车调速器内部有速度调节器216、转矩调节器217以及功率转换器218，绞车调速器既可以是直流调速器，也可以是交流调速器。通过可编程控制器PLC取由大钩高度计算出的绞车速度给定G_D2、由载荷计算出的绞车速度给定G_D1和绞车手柄给定G_D3的最小值，将最小给定作为绞车实际速度给定G_D发给速度调节器，绞车调速器速度给定和速度反馈编码器组成速度外环；绞车调速器中的速度调节器的输出和转矩/电流传感器219组成转矩内环，实时地调整调制波的频率，结合载波特性，有序地向功率转换器218中的功率器件发出“通”和“断”的动作指令，使电机的电源的频率和幅值实时调整，以实现绞车主电机的调速，达到减少和消除钢丝绳过度放绳、疲劳和过载冲击的破坏程度的目的，从而有效的提高钢丝绳的安全性。

控制运行图如图2所示，步骤101中，系统PLC开始运行，如果需要修正参数，进入步骤103中设置钻机最大载荷Q_最大、载荷限制阀值Q_限制、载荷报警阀值Q_报警、有效绳数Z、下停车点S_下停、下减速点S_下减、上减速点S_上减、上停车点S_上停、绞车电机功率P、绞车传动总效率η、绞车滚筒直径平均值 D_平均、绞车传动比i等相关参数。在步骤104中，实时采集载荷实际值Q_实际计算出载荷实际拉力F_实际（采用公式1），和采集滚筒编码器脉冲数计算出大钩高度实际值H（采用公式6），在步骤105中，利用大钩高度实际值H与下停车点S_下停、下减速点S_下减、上减速点S_上减、上停车点S_上停的位置关系，计算出绞车速度G_D2,(利用，先计算绞车实时V_钩，其中，V_钩速1为初始速度，V_钩速2为最终速度，a为变加速度，S₁为初始位移点，S₂为结束位移点；/>， 其中，D_平均为绞车滚筒直径平均值，n_电机为电机实际转速，π为圆周率）；利用载荷实际拉力F_实际计算绞车速度G_D1,(利用计算绞车速度给定，其中，P为绞车电机功率，η为绞车传动总效率、D_平均为绞车滚筒直径平均值 、i为绞车传动比，n_电机为绞车参考转速，F实际为快绳（钢丝绳）实际拉力，π为圆周率）；采集绞车手柄速度给定G_D3。在步骤106中，取绞车速度给定G_D1 、绞车速度给定G_D2和绞车手柄给定G_D2的最小值，将最小给定G_D作为绞车实际速度给定。在步骤107中，绞车调速器接收步骤106中计算的绞车速度给定G_D，分别由速度调节器和转矩调节器实时地调节绞车主电机的速度和扭矩值。执行完步骤107后，进入步骤108中，判断系统是否运行，如果系统没有停止运行，从步骤102开始重复循环以上步骤；如果系统停止运行，进入步骤109结束绞车速度控制功能。/>

Claims (8)

1.一种用于保护石油钻机提升系统钢丝绳的控制系统，其特征在于：包括触摸屏，该触摸屏与可编程控制器PLC通过通讯线连接；可编程控制器PLC分别与载荷传感器、滚筒编码器、绞车调速器连接；所述载荷传感器安装在绞车滚筒的死绳固定器上，实时采集绞车载荷实际值并传输至PLC模拟量输入模板AI；所述滚筒编码器安装在绞车滚筒轴上，实时采集绞车滚筒实际旋转脉冲数并传输至PLC计数模板FM350；绞车载荷实际值经可编程控制器PLC处理后得出绞车速度给定值G_D1，绞车滚筒实际旋转脉冲数经可编程控制器PLC处理后计算出得出绞车速度给定值G_D2、和绞车手柄给定G_D3比较取三者中的最小值作为绞车实际速度G_D给定信号向绞车调速器发出，根据该速度G_D去控制绞车主电机的转速，绞车主电机在绞车调速器的控制下升速或者降速来调节绞车的速度和转矩。

2.根据权利要求1所述的一种用于保护石油钻机提升系统钢丝绳的控制系统，其特征在于：触摸屏为设有钻机最大载荷Q_最大、载荷限制阈值Q_限制 、载荷报警阈值Q_报警、有效绳数Z、下停车点S_下停、下减速点S_下减、上减速点S_上减、上停车点S_上停、绞车电机功率P、绞车传动总效率η、绞车滚筒直径平均值 D_平均、绞车传动比i、绞车滚筒编码器每圈脉冲数C_脉冲输入输出域；大钩高度输出域和钢丝绳拉力输出域的触摸屏。

3.根据权利要求1所述的一种用于保护石油钻机提升系统钢丝绳的控制系统，其特征在于：所述触摸屏用带显示屏的操作面板替代。

4.一种根据权利要求1或2所述的用于保护石油钻机提升系统钢丝绳的控制系统的控制方法，其特征在于：可编程控制器PLC 接收来自触摸屏上的设置值根据绞车载荷实际值Q_实际先计算出绞车载荷实际拉力F_实际，再算出绞车主电机实际转速n，最后得出绞车速度给定G_D1；采集滚筒编码器脉冲数，计算出大钩高度实际H，计算出绞车速度给定G_D2、然后和绞车手柄给定G_D3比较，取三者中的最小值作为绞车实际速度G_D发给速度调节器去控制绞车主电机升速或者降速来调节绞车的速度和转矩。

5.根据权利要求4所述的一种用于保护石油钻机提升系统钢丝绳的控制系统的控制方法，其特征在于：安装在绞车主电机(220)上的转矩/电流传感器（219）实时采集绞车主电机转矩的实际值，安装在绞车主电机轴上的速度反馈编码器（221）实时反馈绞车主电机的实际转速，绞车调速器内部有速度调节器（216）、转矩调节器（217）以及功率转换器（218），绞车调速器的绞车实际速度给定G_D和绞车主电机轴上的实际速度反馈编码器（221）组成速度外环，绞车调速器中的速度调节器（216）的输出和转矩/电流传感器（219）组成转矩内环，实时地调整调制波的频率，结合载波特性，有序地向功率转换器（218）中的功率器件发出“通”和“断”的动作指令，使绞车主电机的电源频率和幅值实时调整，实现绞车主电机的调速，达到减少和消除钢丝绳过度放绳、疲劳和过载冲击。

6.根据权利要求4所述的一种用于保护石油钻机提升系统钢丝绳的控制系统的控制方法，其特征在于：由载荷计算出的绞车速度给定G_D1 的具体过程为：根据触摸屏上设置的值：最大载荷Q_最大、载荷限制阈值Q_限制 、载荷报警阈值Q_报警、有效绳数Z、及游车效率η_游 ，通过可编程控制器PLC，依据公式1计算出钢丝绳的各拉力：包括载荷最大拉力F_最大、载荷限制拉力F_限制 、载荷报警拉力F_报警 、载荷限制拉力F_实际,并且F_最大＞F_限制＞F_报警＞F_实际；

当钻机实际载荷超过80%时，报80%过载警告信息，绞车速度给定置为零，在确认此报警信息后绞车可以继续低速上提；依据公式2、公式3得到公式4，计算出电机实际转速n，将公式4代入公式5，计算出绞车速度给定G_D1；当钻机载荷超过95%时，报95%过载警告信息，绞车速度给定置为零，确认此报警信息后，绞车只允许下放，不允许上提。

7.根据权利要求4所述的一种用于保护石油钻机提升系统钢丝绳的控制系统的控制方法，其特征在于：由大钩高度H计算出的绞车速度给定G_D2的具体过程为：根据钻机绞车滚筒编码器的脉冲数T_脉冲与绞车滚筒编码器每圈脉冲数C_脉冲计算出从零点开始滚筒实际圈数，依据公式6计算出大钩实际高度H，根据绞车电机实际转速n_电机计算出大钩实际速度V_钩速；大钩高度H和绞车运行方向判断；

当绞车上提时根据大钩位置、下停车点与下减速点的距离，依据公式9计算出钩速，依据公式8计算出绞车速度给定，使其从零速自动加速到最大速度对应的转速给定；当游车高度大于上减速点时，绞车自动开始减速，当游车高度到达上停车点时，速度给定自动减到零，实现低位软停车；

当绞车下放时根据大钩位置、上停车点与上减速点的距离，依据公式9计算出钩速，依据公式8计算出绞车速度给定，使其从零速自动加速到最大速度对应的转速给定；当游车高度小于下减速点时，绞车自动开始减速，当游车高度到达下停车点时，速度给定自动减到零，实现高位软停车；

8.根据权利要求6所述的一种用于保护石油钻机提升系统钢丝绳的控制系统的控制方法，其特征在于：载荷限制阈值Q_限制= 95% 、载荷报警阈值Q_报警= 80% 。