CN114604794A - 一种石油钻机绞车位置控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石油钻机绞车位置控制系统及方法，其系统包括PLC控制器、人机界面、绞车电机、绞车编码器和绞车变频器；人机界面输出端与PLC控制器输入端相连接；PLC控制器输出端与绞车变频器输入端相连接；绞车变频器输出端与绞车电机相连接；绞车电机与绞车编码器分别安装在绞车上；绞车编码器输出端与PLC控制器相连接，将绞车位置反馈至PLC控制器。本发明绞车运行过程加速平稳，减速平稳，精准达到设定位置。节省能源，降低设备损耗，同时实现重复性钻井活动的标准化，减少司钻个人经验水平等人为因素对钻井作业的影响，保证重复性作业的一致性，提高钻井作业质量和效率。
Description
技术领域
本发明涉及绞车控制技术领域，尤其涉及一种石油钻机绞车位置控制系统及方法。
背景技术
油气勘探开发投入大、风险大，开发成本高，油价波动对工程技术市场冲击大。产业智能化数字化升级是大势所趋，新技术的应用可以提高作业效率，用于实现钻进、起钻、下钻等重复性钻井活动的标准化，减少司钻个人经验水平等人为因素对钻井作业的影响，保证重复性作业的一致性，提高钻井作业质量和效率，让司钻更专注于钻井安全。
现有技术书方案：
绞车基本功能就是在起钻，下钻和钻井活动时控制游车达到上下连接或断开钻杆的工作位置。现有绞车控制方式为司钻通过绞车手柄直接控制绞车在工作区间上下运行，在高位和低位设置电子防碰保护高度，超过保护高度绞车立即速度回零和刹车。
现有技术方案的缺点：
因为绞车完全受司钻控制，每个司钻技术水平和操作习惯都各不相同，在实际操作时加减速度控制不平稳，会造成很多问题，例如中东地区司钻习惯操作幅度大，加速过猛会造成供电电源负载剧烈增长，浪费能源且可能造成发电机跳闸；减速过猛会造成制动单元负荷突增，且浪费能源。而国内司钻操作比较柔和，会直接影响工作效率。还有就是最终需要达到的工作高度因为是手动控制不能完美达到需要的位置，所以还需要手动来回调整，也影响实际使用效率。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供了一种石油钻机绞车位置控制系统及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种石油钻机绞车位置控制系统，包括PLC控制器、人机界面、绞车电机、绞车编码器和绞车变频器；所述人机界面输出端与PLC控制器输入端相连接；所述PLC控制器输出端与所述绞车变频器输入端相连接；所述绞车变频器输出端与绞车电机相连接；所述绞车电机与绞车编码器分别安装在绞车上；所述绞车编码器输出端与PLC控制器相连接，将绞车位置反馈至PLC控制器。
所述PLC控制器采用西门子300或1500系列CPU，用于钻机的逻辑运算和数据处理。
所述人机界面采用西门子TP1900系列或工控机，用于人机交互发送指令以及显示设备状态和运行参数。
所述绞车变频器采用西门子S120系列或ABB ACS880系列，用于驱动绞车电机。
一种石油钻机绞车位置控制方法，包括以下具体步骤：
在人机界面上操作，发送游车位置控制命令到PLC控制器；
绞车安装绞车编码器并接入到PLC控制器，PLC控制器将测量到的游车实时高度传输给PLC控制器；
PLC控制器结合设定的钩速曲线和剩余的移动距离处理计算得到钻机的最佳运行方式，使电机减速至零的时候正好达到设定的高度。
所述控制命令包括游车高度、最大钩速和加减速度。
所述处理计算的算法具体为：
将输入钩速转换成需要的最大电机速度，由输入的加速度来控制最终的电机输出速度；
将当前高度和目标高度实时计算剩余距离，从变频器读取绞车电机加速度，由运动学速度位移公式实时计算当前限制绞车电机速度；
设置保护限制，包括上提加入最大拉力限制保护，下放加入卡顿保护和绞车综合保护；
结合最大电机速度和限制速度，分优先级做综合处理，并将处理后的电机速度输出到绞车变频器。
所述绞车综合保护包括扭矩限制、功率限制和ZMS保护。
本发明的有益效果：
本发明中绞车不再使用手柄人工控制，改为设定好工作高度和运行速度后，触摸屏点击自动运行，提升钻机控制系统的智能化数字化水平。
本发明绞车运行过程加速平稳，减速平稳，精准达到设定位置。节省能源，降低设备损耗，同时实现重复性钻井活动的标准化，减少司钻个人经验水平等人为因素对钻井作业的影响，保证重复性作业的一致性，提高钻井作业质量和效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明的系统示意图；
图2是本发明的方法流程示意图；
图3是本发明的处理算法流程图。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-3所示，一种石油钻机绞车位置控制系统，主要目的是以控制绞车位置的方式，设定最佳运动路线让系统自动控制绞车的提升和下放；包括PLC控制器、人机界面、绞车电机、绞车编码器和绞车变频器；所述人机界面输出端与PLC控制器输入端相连接；所述PLC控制器输出端与所述绞车变频器输入端相连接；所述绞车变频器输出端与绞车电机相连接；所述绞车电机与绞车编码器分别安装在绞车上；所述绞车编码器输出端与PLC控制器相连接，将绞车位置反馈至PLC控制器。
所述PLC控制器采用西门子300或1500系列CPU，用于钻机的逻辑运算和数据处理。
所述人机界面采用西门子TP1900系列或工控机，用于人机交互发送指令以及显示设备状态和运行参数。
所述绞车变频器采用西门子S120系列或ABB ACS880系列，用于驱动绞车电机。
所述绞车电机采用交流变频电机。
一种石油钻机绞车位置控制方法，具体为：首先由人机界面上操作发送游车位置控制的命令到钻机控制系统PLC，命令为一组定义游车运动的复合命令，包括游车高度、最大钩速以及加减速度，绞车安装编码器并接入到PLC，用以测量游车实时高度。PLC控制电机以设定的钩速曲线和剩余的移动距离计算出电机的最佳运行轨迹，使电机减速至零的时候正好达到设定的高度。
系统控制算法：
基础速度运行部分为A，将输入钩速乘以电机速度与钩速比得出最大电机速度，实时电机速度按输入钩速斜坡加速到最大电机速度。
所述钩速比由滚筒实时直径+传动比+绳系来计算。
距离实时计算部分为B，将当前高度和目标高度实时计算剩余距离，从变频器读取绞车电机加速度，由运动学“速度/位移公式”实时计算当前限制绞车电机速度。
保护限制部分为C，上提加入最大拉力限制保护；下放加入卡顿保护；以及其他绞车综合保护。
所述其他绞车综合保护为扭矩限制、功率限制、ZMS保护等。
最终执行电机速度为X：当A未大于B和C，执行A=X；当A大于B或者C，执行最小限制值。
本发明中绞车不再使用手柄人工控制，改为设定好工作高度和运行速度后，触摸屏点击自动运行，提升钻机控制系统的智能化数字化水平。
本发明绞车运行过程加速平稳，减速平稳，精准达到设定位置。节省能源，降低设备损耗，同时实现重复性钻井活动的标准化，减少司钻个人经验水平等人为因素对钻井作业的影响，保证重复性作业的一致性，提高钻井作业质量和效率。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种石油钻机绞车位置控制系统，其特征在于，包括PLC控制器、人机界面、绞车电机、绞车编码器和绞车变频器；所述人机界面输出端与PLC控制器输入端相连接；所述PLC控制器输出端与所述绞车变频器输入端相连接；所述绞车变频器输出端与绞车电机相连接；所述绞车电机与绞车编码器分别安装在绞车上；所述绞车编码器输出端与PLC控制器相连接，将绞车位置反馈至PLC控制器。
2.根据权利要求1所述的一种石油钻机绞车位置控制系统，其特征在于，所述PLC控制器采用西门子300或1500系列CPU，用于钻机的逻辑运算和数据处理。
3.根据权利要求1所述的一种石油钻机绞车位置控制系统，其特征在于，所述人机界面采用西门子TP1900系列或工控机，用于人机交互发送指令以及显示设备状态和运行参数。
4.根据权利要求1所述的一种石油钻机绞车位置控制系统，其特征在于，所述绞车变频器采用西门子S120系列或ABB ACS880系列，用于驱动绞车电机。
5.基于权利要求1-4任意一项所述系统的一种石油钻机绞车位置控制方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
在人机界面上操作，发送游车位置控制命令到PLC控制器；
绞车安装绞车编码器并接入到PLC控制器，PLC控制器将测量到的游车实时高度传输给PLC控制器；
PLC控制器结合设定的钩速曲线和剩余的移动距离处理计算得到钻机的最佳运行方式，使电机减速至零的时候正好达到设定的高度。
6.根据权利要求5所述的一种石油钻机绞车位置控制方法，其特征在于，所述控制命令包括游车高度、最大钩速和加减速度。
7.根据权利要求5所述的一种石油钻机绞车位置控制方法，其特征在于，所述处理计算的算法具体为：
将输入钩速转换成需要的最大电机速度，由输入的加速度来控制最终的电机输出速度；
将当前高度和目标高度实时计算剩余距离，从变频器读取绞车电机加速度，由运动学速度位移公式实时计算当前限制绞车电机速度；
设置保护限制，包括上提加入最大拉力限制保护，下放加入卡顿保护和绞车综合保护；
结合最大电机速度和限制速度，分优先级做综合处理，并将处理后的电机速度输出到绞车变频器。
8.根据权利要求7所述的一种石油钻机绞车位置控制方法，其特征在于，所述绞车综合保护包括扭矩限制、功率限制和ZMS保护。
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